Universität zu Köln

Heß, Simon (2011). Towards Defining the Role of CNS Circuits in Control of Energy Homeostasis. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Healthy individuals are able to maintain a steady body weight over a long period of time due to an active process called energy homeostasis in which food intake is matched to energy expenditure with great precision. Once this tightly regulated system becomes unbalanced, weight gain and, on a longer time scale, obesity will develop. The control of energy homeostasis is accomplished by neuronal circuits within the CNS. These cir- cuits‚ are able to modulate food intake and energy expenditure in response to various peripheral signals related to energy stores. Among the peripheral signals which have been found to directly act on the CNS circuits in control energy of homeostasis is the pancreas-derived hormone insulin (Brüning et al. , 2000). Although, most studies focused on the role of insulin in neurons of the arcuate nucleus of the hypothalamus (ARC), insulin receptors are also expressed in other brain areas involved in the control of energy homeostasis such as the ventromedial hypothalamus (VMH) and the mesencephalon (Havrankova et al. , 1978). In this thesis, the effect of insulin signaling on the electrophysiological properties of SF-1 neurons of the VMH and dopaminergic neurons of the mesencephalon was investigated. Perforated-patch recordings were performed to characterize insulin’s effect on the single-cell level and whole cell recordings were performed to investigated insulin signaling dependent alterations on a network level. In the VMH, insulin directly hyperpolarizes a subset of SF-1 neurons via a PI3-kinase signaling cascade. The reduction in firing rate is largely dependent on the activation of ATP-dependent potassium channels (KATP). In contrast, insulin did not reduce the firing rate of SF-1 neurons in which the insulin receptor was specifically deleted. On a network level, ablation of insulin receptors in SF-1 neurons alters the synaptic connectivity in mice subjected to a high-fat diet (HFD). Ablation of the insulin receptor results in the increase of excitatory drive on anorexigenic POMC neurons in the ARC. Accordingly, mice with a SF-1 neuron specific ablation of the insulin receptor are at least in part protected against HFD-induced alterations of metabolic parameters. In the mesencephalic dopaminergic circuitry, insulin stimulates the neuronal activity of a subset of dopaminergic neurons. The excitatory effect of insulin is cell-intrinsic and is mediated via PI3K-dependent signaling. Ablation of the insulin receptor in dopaminergic neurons abolished this response. Furthermore, this ablation decreases the excitatory input on dopaminergic neurons. Thus, insulin signaling is involved in the establishment or maintenance of excitatory synaptic connections in mesencephalic dopaminergic neurons. In spite of the dysregulation of fuel-related signals, variations of certain genetic factors are also associated with the development of obesity and obesity-associated co-morbidities like type 2 diabetes. Among those variations, single nucleotide polymorphisms within the FTO gene showed one of the most robust correlations with an increase in body mass index (Frayling et al. , 2007). The role of Fto was investigated in mesencephalic dopaminergic neurons using the perforated-patch configuration. Ablation of Fto in mesencephalic dopaminergic neurons leads to profound alterations in cocaine-evoked responses in such a way that the cocaine-induced inhibition was strongly reduced in Fto-deficient mice. This altered response is also seen in mice with a Fto-deletion specifically in dopaminergic neurons showing the effect of Fto is cell-autonomous. Further pharmacological characterization could demonstrate that Fto regulates the activity of dopaminergic neurons via alterations of dopamine receptor type 2 signaling. This notion is further supported by behavioral experiments and quantitative realtime PCR. In summary, these findings reveal an Fto-dependent alteration of the function of the mesencephalic dopaminergic circuitry.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Aufgrund des aktiven Prozesses der Energie-Homöostase bleibt das Körpergewicht bei gesunden Individuen über lange Zeit auf einem konstanten Niveau. Nahrungsaufnahme und Energieverbrauch sind in diesem System präzise reguliert. Gerät dieser Regelkreis aus dem Gleichgewicht, kann dies zu einer Gewichtszunahme und über einen längeren Zeitraum zu Fettleibigkeit führen. Die Energiehomöostase wird durch zentrale neuronale Netzwerke kontrolliert. Diese Netzwerke integrieren und verarbeiten periphere Signale, die in Abhängigkeit des Energiestatus ausgeschüttet werden. Dazu gehört das im Pankreas ausgeschüttete Hormon Insulin, welches neben vielfältiger peripherer Wirkungen auch direkt die ZNS-abhängige Kontrolle der Energiehomöostase beeinflusst (Brüning et al. , 2000). Insulinrezeptoren werden in einer Reihe zentralnervöser Strukturen wie dem ventromedialen Hypothalamus (VMH) und dem Mesencephalon exprimiert (Havrankova et al. , 1978). Die meisten Studien über die Rolle des Rezeptors konzentrierten sich bislang jedoch auf den Nucleus arcuatus (ARC). In der vorliegenden Arbeit wurde daher die Wirkung von Insulin auf die elektrophysiologischen Eigenschaften von SF-1 Neuronen des VMH und auf dopaminerge Neurone im Mesencephalon der Maus mittels der patch-clamp-Technik untersucht. Eines der wichtigsten Ergebnisse dieser Studien ist die durch Insulin verursachte, PI3-Kinase abhängige Hyperpolarisation und damit Inhibition einer Unterpopulation von SF-1 Neuronen im VMH. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass der inhibitorische Effekt von Insulin hauptsächlich auf die Aktivierung ATP-abhängiger Kaliumkanäle (KATP) zurückzuführen ist. Im Gegensatz dazu ändert sich die Aktivität von SF-1 Neuronen mit einer spezifischen Deletion des Insulinrezeptors nach Insulinapplikation nicht. Auf der Netzwerkebene konnte mittels whole cell patch-clamp Messungen gezeigt werden, dass die Deletion des Insulinrezeptors einen Einfluss auf die synaptische Konnektivität im VMH von Mäusen hat, die zuvor mit einer fettreichen Diät (HFD) gefüttert wurden. Bei diesen Mäusen führt die Rezeptordeletion zu einem erhöhten exzitatorischen Eingang auf POMC-Neurone des ARC, deren Aktivität einen Appetit-zügelnden Einfluss hat. Somit sind Mäuse mit einer SF-1-spezifischen Insulinrezeptordeletion zumindest teilweise gegen HFD-induzierte Veränderungen metabolischer Parameter geschützt. Im dopaminergen System des Mesencephalon konnte gezeigt werden, dass Insulin die elektrische Aktivität einer Unterpopulation dopaminerger Neurone erhöht. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass dieser Insulin-Effekt auf die Aktivierung des PI3-Kinase Signalweges zurückzuführen ist. Insulinrezeptordeletion in dopaminergen Neuronen hebt den Insulin-Effekt auf und führt zu einer Abnahme exzitatorischer Eingänge auf dopaminerge Neurone. Zusammenfassend konnte gezeigt werden, dass das Hormon Insulin die Aktivität dopaminerger Neurone beeinflusst. Es ist an der Etablierung und Aufrechterhaltung exzitatorischer Eingänge auf dopaminerge Zellen beteiligt. Neben der Dysregulation peripherer Signale spielen auch Variationen bestimmter genetischer Faktoren eine Rolle bei der Entstehung von Fettleibigkeit. Die genetische Prädisposition begünstigt daher die Entstehung von Fettleibigkeit und die Manifestation mit Fettleibigkeit verbundener Krankheiten wie Typ 2 Diabetes. Einzelnukleotid- Polymorphismen (SNPs) innerhalb des FTO-Gens zeigten dabei die stärksten Korrelationen mit einem erhöhten body mass index (Frayling et al. , 2007). Mittels nicht-invasiver perforated-patch-Messungen an Gehirnschnitten von Mäusen wurde in dieser Arbeit die Rolle des Fto Gens in dopaminergen Neuronen des Mesencephalon untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass die Deletion von Fto zu tiefgreifenden Veränderungen auf Kokain-vermittelter Effekte führt. Die Kokain-induzierte Inhibition dopaminerger Neurone war in ubiquitär Fto-deletierten Mäusen geringer als in Kontrolltieren. Dieser Effekt trat auch in Mäusen auf, die eine Fto-Deletion exklusiv in dopaminergen Neuronen besaßen. Das deutet darauf hin, dass es sich um einen zellautonomen Effekt handelt. Anhand einer pharmakologischen Charakterisierung konnte gezeigt werden, dass die Fto-abhängigen Veränderungen der Aktivität dopaminerger Zellen auf Veränderungen des Dopaminrezeptor Typ 2-abhängigen Signalweges zurückzuführen ist. Diese Ergebnisse wurden durch quantitative realtime PCR und Verhaltensversuche unterstützt. Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse, dass Fto die Funktion des dopaminergen Systems beeinflusst. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Heß, Simon simon.hess@uni-koeln.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-44765
Date:	13 December 2011
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Biology > Zoologisches Institut
Subjects:	Natural sciences and mathematics
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Energy Homeostasis, Midbrain, Hypothalamus, Electrophysiology, Insulin English
Date of oral exam:	19 October 2011
Referee:	Name Academic Title Kloppenburg, Peter Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/4476