Universität zu Köln

Paehler, Moritz (2009). Cellular properties of identified hypothalamic neurons that control energy homeostasis in the mouse. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

The ability to take up and metabolize nutrients is vitally important for the survival of every living organism. Higher organisms need to control their energy uptake and expenditure as a positive energy balance over time can lead to obesity and even early death. The regulation of energy homeostasis, according to the neurocentric model, is performed by a small neuronal subnetwork in the hypothalamus. This network comprises, among others, satiety mediating, pro-opiomelanocortin (POMC) expressing neurons and hunger mediating, agouti-related protein (AgRP) expressing neurons. They integrate signals from the periphery about the nutritional status of the organism and relay this information onto second order neurons (e.g. SIM1 neurons in the paraventricular nucleus of the hypothalamus; PVH). Diet-induced obese mice that have received a high-fat diet can be used to investigate the effects of a prolonged positive energy balance on this network. In the first part of this thesis, the effects of a high-fat diet on the calcium homeostasis of POMC neurons were investigated. Calcium plays a crucial role as a second messenger in many important cellular functions such as membrane excitability, synaptic plasticity, neurotransmitter release and activity dependent gene activation. Whole-cell patch-clamp recordings in voltage clamp were performed to characterize voltage-activated calcium influx in POMC neurons. Further, to determine the intracellular calcium handling parameters (calcium resting level, calcium buffering, calcium extrusion) whole-cell patch-clamp recordings and fast optical imaging were used in combination with the �added buffer� approach. The most important finding was that the high-fat diet affected calcium handling in POMC neurons. The calcium current density was found to be increased in POMC neurons of high-fat diet mice (-69.50 pA/pF) compared to normal diet mice (-59.63 pA/pF). Furthermore, the calcium binding ratio of POMC neurons in the high-fat diet cohort was lower (220) compared to normal diet mice (399). Also, the calcium resting level of POMC neurons was almost twice as high in the high-fat diet cohort (0.040 uM) as in the normal diet mice (0.021 uM). These observed diet dependent changes in calcium handling could impair the function, synaptic plasticity and synaptic output of POMC neurons, thus directly or indirectly influencing the energy uptake behaviour of the animal. For example, the increase in the calcium resting level could lead to a silencing of POMC neurons from high-fat diet mice through the activation of calcium dependent potassium channels, possibly reducing satiety signaling. In the second part of this thesis, candidates for putative second order neurons to POMC neurons in a genetically defined neuron population in the PVH (SIM1 neurons) were characterized. The PVH is a known target region of POMC neuron terminals and it was shown by earlier studies that SIM1 neurons in the PVH play an important role in energy uptake regulation. Current clamp patch-clamp recordings in the whole-cell configuration were performed on identified SIM1 neurons. Subtypes of SIM1 neurons in the PVH could be characterized according to their reaction to current injection protocols and matched with neurontypes found in previous studies. It could be shown that the SIM1 neuron population comprise the magnocellular neurosecretory, bursting, parvocellular neurosecretory (NS) and parvocellular pre-autonomic (PA) PVH neuron subtypes. Additionally, it was found that the parvocellular SIM1 neuron subtypes differ in their sensitivity to the adenosine triphosphate-sensitive potassium (KATP) channel blocker tolbutamide (Only 22.23 % of the recorded NS subtype neurons were sensitive to tolbutamide and 92.31 % of the PA subtype) suggesting a possible differential expression of the KATP channel for each subtype and the possible existence of subpopulations of NS and PA neurons.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language Zelluläre Eigenschaften hypothalamischer Neurone verantwortlich für die Kontrolle der Energiehomöostase in der Maus German
Translated abstract:	Abstract Language Die Fähigkeit, Nährstoffe aufzunehmen und zu verstoffwechseln, ist überlebenswichtig für jeden Organismus. Höhere Lebewesen müssen ihre Energieaufnahme regulieren, da eine positive Energiebilanz über längere Zeit zu Fettleibigkeit und sogar zu frühzeitigem Tod führen kann. Die Energiehomöostase wird dem neurozentrischem Modell zufolge von einem kleinen neuronalen Subnetzwerk im Hypothalamus reguliert. Dieses Netzwerk umfasst, neben anderen, sattheitvermittelnde, proopiomelanocortin (POMC) exprimierende Neurone und hungervermittelnde, agoutirelated protein (AgRP) exprimierende Neurone. Diese integrieren Signale aus der Peripherie über den Nahrungszustand des Organismus und leiten diese Informationen auf Neurone zweiter Ordnung weiter (z.B. SIM1-Neurone im paraventrikulären Nukleus des Hypothalamus; PVH). Anhand von diät-induzierten, adipösen Mäuse, die eine Diät mit hohem Fettanteil (HFD) bekommen haben, können die Effekte einer längerandauernden, positiven Energiebilanz auf dieses Netzwerk studiert werden. Im ersten Teil dieser Arbeit wurden die Effekte der HFD auf die Kalziumhomöostase von POMC-Neuronen untersucht. Kalzium spielt eine äußerst wichtige Rolle als �second messenger� in vielen zellulären Funktionen wie z.B. der Zellmembranerregbarkeit, der synaptischen Plastizität, Neurotransmitterfreilassung und aktivitätsabhängiger Genaktivierung. Ableitungen mit der �whole-cell patch-clamp�-Technik im �voltage clamp�-Modus wurden an POMC-Neuronen durchgeführt, um den spannungsabhängigen Kalziumeinstrom zu charakterisieren. Außerdem wurden die Parameter für intrazelluläre Kalziumverarbeitung (Kalziumruhekonzentration, Kalizumpufferung, Kalziumextrusion) bestimmt. Dazu wurden �whole-cell patch-clamp�-Ableitungen und schnelle optische Bildgebungsexperimente in Kombination mit dem �added buffer�-Ansatz verwendet. Das wichtigste Ergebnis dieser Studien war, dass eine HFD die Kalziumverarbeitung in POMC-Neuronen veränderte. Die Kalziumstromdichte war in POMC-Neuronen der Mäuse unter HFD erhöht (-69,50 pA/pF) im Vergleich zu Mäusen, die eine normale Diät (ND) erhielten (-59,63 pA/pF). Zusätzlich war der Quotient der Kalziumbindung in POMC-Neuronen der Mäuse unter HFD (220) höher als bei ND-Mäusen (399). Die Kalziumruhekonzentration war in POMC-Neuronen der HFD-Mäuse fast doppelt so hoch (0,040 uM) wie bei ND-Mäusen (0,021 uM). Diese beobachteten, diätabhängigen Veränderungen der Kalziumhomöostase könnten die Funktion, synaptische Plastizität und synaptische Leistung von POMC-Neuronen beeinträchtigen und dadurch direkt oder indirekt das Verhalten zur Energieaufnahme des Tieres beeinflussen. Zum Beispiel könnte die erhöhte Kalziumruhekonzentration durch die Aktivierung kalziumabhängiger Kaliumkanäle zu einem Verstummen der POMC-Neurone führen und dadurch möglicherweise auch zu reduzierter Vermittlung des Sattheitsgefühls. Im zweiten Teil der Arbeit wurden Kandidaten für mögliche Nachfolgeneurone zu POMC-Neuronen in einer genetisch definierten Population (SIM1-Neurone) im PVH charakterisiert. Der PVH ist eine bekannte Zielregion von POMC-Neuronen und es ist bekannt, dass SIM1-Neurone eine wichtige Rolle bei der Regulation der Energieaufnahme spielen. �Current clamp patch-clamp�-Ableitungen in der �whole-cell�-Konfiguration wurden an identifizierten SIM1-Neuronen durchgeführt. Subtypen von SIM1-Neuronen im PVH konnten nach ihrem Antwortverhalten auf Strominjektionen charakterisiert werden und bekannten PVH-Neurontypen zugeordnet werden. Es konnte gezeigt werden, dass SIM1-Neurone magnozellulär neurosekretorische, �bursting�, parvozellulär neurosekretorische (NS) und parvozellulär prä-autonome (PA) PVH-Neuronsubtypen umfassen. Des weiteren konnte gezeigt werden, dass die parvozellulären SIM1-Subtypen unterschiedlich sensitiv für den selektiven Blocker des adenosintriphosphat-sensitiven Kaliumkanal (KATP) Tolbutamid sind (22.23 % der abgeleiteten NS-Neuronen reagierten auf Tolbutamid und 92,31 % der PA-Neurone). Dies könnte auf unterschiedliche Expression des KATP-Kanals innerhalb der jeweiligen SIM1-Subtypen und damit auf die Existenz verschiedener NS und PA-Subpopulationen hindeuten. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Paehler, Moritz moritz.paehler@googlemail.com UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-30275
Date:	2009
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Biology > Zoologisches Institut
Subjects:	Life sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language added buffer approach , patch clamp , POMC , SIM1 , ratiometric calcium imaging English
Date of oral exam:	1 February 2010
Referee:	Name Academic Title Kloppenburg, Peter Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/3027