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Yuri Carsten Glass

• Der tägliche und jahreszeitliche Wechsel in den Lichtverhältnissen bedeutet für alle Lebewesen eine regelmäßige und fundamentale Veränderung ihrer Lebensbedingungen. Mit Hilfe einer inneren Uhr können Lebewesen regelmäßige Veränderungen ihrer Umwelt im Tagesgang und während des Jahres antizipieren. Diese Innere Uhr sitzt bei Säugetieren im hypothalamischen Nucleus suprachiasmaticus (SCN) und generiert einen zirkadianen Rhythmus, der durch Signale des retinohypothalamischen Traktes mit den Umweltbeleuchtungsbedingungen synchronisiert wird. Bei Wirbeltieren werden die Elemente, die an der Genierung von zirkadianen Zeitsignalen beteiligt sind zu einem spezifischen neuronalen Schaltkreis im Gehirn, dem photoneuroendokrinen System (PNS), zusammengefasst. Im PNS werden im Pinealorgan photoperiodische Signale in die zirkadian rhythmische Synthese des Neurohormons Melatonin umgesetzt. Dabei ist die vom zentralen Oszillator im SCN gesteuerte Freisetzung von Noradrenalin (NA) aus sympathischen postganglionären Nervenfasern in das Pinealorgan der entscheidende Reiz zur nächtlichen Ankurbelung der Melatoninbiosynthese. Melatonin wird ausschließlich in der Nacht gebildet und fungiert daher als ein Zeithormon. Unmittelbar nach der Synthese wird Melatonin in die Blutbahn abgegeben und liefert allen Zellen, die mit spezifischen Melatoninrezeptoren ausgestattet sind, die aktuelle Licht- und Zeitinformationen. NA bewirkt in allen untersuchten Säugetieren die Aktivierung des Schlüsselenzyms der Melatoninsynthese, der Arylalkylamin N-Acetyltransferase (AANAT). Die Transkription der Aanat wird durch eine cAMP-abhängige Phosphorylierung des Transkriptionsfaktors CREB (cyclicAMP response element binding protein) eingeleitet. Der inhibitorische Transkriptionsfaktor ICER (inducible cAMP early repressor) ist in die Abschaltung der erhöhten Melatoninsyntese am Ende der Nacht involviert. Die Transkription von Icer erfolgt ebenfalls durch die NA-induzierte Aktivierung der cAMP-Signalkaskade. In Säugetieren, persistiert der Rhythmus der Melatoninausschüttung, wenn das Tier unter konstanter Dunkelheit gehalten wird, wird aber durch eine akute Lichtexposition während der Nacht unterdrückt. Beim Syrischen Hamster ist die photoperiodische Abhängigkeit der Melatoninsynthese für die Hemmung der hypothalamohypophysären-gonadalen Achse mit Beginn des Herbstes notwendig und sichert den optimalen Zeitpunkt z.B. für die saisonale Reproduktion, den Winterschlaf, die Migration oder den täglichen Schlaf. Allerdings kann im Unterschied zu Ratte und Maus beim Syrischen Hamster kein Anstieg der Melatoninkonzentration im Pinealorgan während des Tages induziert werden. Ziel dieser Arbeit war es deshalb, die fehlende Induzierbarkeit der Melatoninsynthese während des Tages beim Syrischen Hamster besser zu verstehen, und zu untersuchen, ob auch im Pinealorgan des Syrischen Hamsters, wie bei Ratte und Maus, der inhibitorische Transkriptionsfaktor ICER vorkommt und reguliert ist. Um die Nicht-Induzierbarkeit der Melatoninsynthese zu erklären wurde eine eventuelle Abhängigkeit der ICER Menge im Pinealorgan von der Photoperiode untersucht. Die Unterdrückung der Funktion der hypothalomo-hypophysären-gonadalen Achse unter Kurztag Photoperiode wurde durch die Gewichtsabnahme der Gonadengewichte bestätigt. Die immunhistochemische Analyse bestätigte das Vorkommen des ICER Proteins im Pinealorgan des Syrischen Hamsters und es konnte eine statistisch signifikante Korrelation zwischen der Dauer der Lichtperiode und der Expression des ICER Proteins gezeigt werden. Bei einer Langtag Photoperiode von 16 h Licht wurde ein schnellerer Anstieg und insgesamt höhere ICER Protein Werte als bei der Kurztag Photoperiode beobachtet. Unabhängig von der Photoperiode, waren die ICER Werte niedrig zum Beginn der Nacht und stiegen zum Ende der Nacht an. ICER Minimalwerte wurden in beiden Photoperioden 5 und 6 h nach Beginn der Dunkelperiode beobachtet und lassen sich durch einen aktiven Abbau erklären, der zeitgleich mit der NA-Ausschüttung aus den sympathischen Nervenendigungen stattfindet. Während der gesamten Lichtphase zeigte sich unabhängig von der Photoperiode ein erhöhter ICER Proteinspiegel im Pinealorgan des Syrischen Hamsters, der möglicherweise die Stimulation der Melatoninsynthese während des Tages im Unterschied zur Ratte und der Maus nicht ermöglicht. Die hier präsentierten Daten lassen sich gut in bereits erarbeitete Modelle der transkriptionellen Regulation des Aanat Gens und der posttranslationellen Mechanismen in der Regulation der Melatoninsynthese beim Nager einfügen. Sie zeigen, dass auch beim Syrischen Hamster die transkriptionelle Regulation der Melatoninbiosynthese eine wichtige Rolle zu spielen scheint und das darin offensichtlich der inhibitorische Transkriptionsfaktor des cAMP Signaltransduktionsweges, ICER, ähnlich wie bei Maus und Ratte, involviert ist. Weiterhin könnte die erhöhte Präsenz von ICER während des Tages erklären, warum zu dieser Zeit eine Aktivierung des cAMP-Signaltransduktionsweges nicht zu einem Anstieg der Melatoninbiosynthese führt.
• The daily and seasonal variation in lighting conditions implies for all biological organisms a regularly occurring and fundamental change of their living conditions. With the help of an internal circadian clock animals are able to anticipate the environmental changes of day and night, and season. This internal clock resides in mammals in the hypothalamic suprachiasmatic nucleus (SCN) and is entrained to ambient lighting conditions and by signals stemming from the retino-hypothalamic tract. In vertebrates, the circadian time managing structures are compiled in a neuronal circuit in the brain, the photoneuroendocrine system (PNS). Within the PNS the pineal gland is an important element, where circadian neuronal cues are converted into the nocturnally elevated synthesis of the hormone melatonin. This regulation of melatonin synthesis is triggered by the nocturnal release of norepinephrine (NE) from sympathetic fibers, and is under the control of the endogenous biological clock located in the SCN. Melatonin is synthesized exclusively during the night and serves therefore as a time hormone. Directly after its synthesis melatonin is released into the bloodstream and provides all cells which are equipped with highly specific melatonin receptors with the information of daytime. In all investigated mammals, NE induces the key enzyme of melatonin synthesis, the arylalkylamine N-acetyltransferase (AANAT). Activation of Aanat transcription is induced by phosphorylation of the transcription factor CREB (cyclic-AMP response element binding protein). At the end of the night the inhibitory transcription factor ICER (inducible cAMP early repressor) is involved in the shut down of the elevated melatonin synthesis. Transcription of Icer is induced likewise to Aanat by an activation of the cAMP-signaling cascade. In mammals melatonin synthesis persists under conditions of constant darkness, but it is suppressed by an acute light exposure when occurring during the night. In the Syrian Hamster the photoperiodic dependent melatonin synthesis is necessary for the inhibition of the hypothalamus-pituitary-gonadal axis and ensures the ideal time for sexual activity, breeding, migration or daily sleep. However, in contrast to the rat and the mouse it is not possible in Syrian hamster to induce melatonin synthesis during day time in the pineal gland. Therefore, the aim of this study was to better understand the missing inducibility of melatonin synthesis during day time in the Syrian hamster, and to investigate whether an inhibitory transcription factor ICER can be found in the pineal gland and is under circadian regulation, likewise to rat and mouse. To explain the missing inducibility of melatonin synthesis in the pineal gland, a dependency of ICER amount from the prevailing photoperiod was investigated. Inhibition of the hypothalamuspituitary-gonadal axis under short day photoperiod was shown by a statistical significant reduction of the gonadal weight. The immunocytochemical analysis proofed the existence of ICER protein in the pineal gland of the Syrian hamster and it was possible to demonstrate a statistical significant correlation between the duration of the light period and the expression pattern of ICER protein. A faster rise at the beginning of the dark period and higher ICER protein levels were found in animals kept under long day photoperiod (16 h light), as compared to short day photoperiod there . ICER values were low at the beginning of the night and increased at the end of the night, independent of the prevailing photoperiod. ICER showed minimal values under both photoperiods at 5 h and 6 h after the beginning of the night. This can be explained by an active ICER degradation, occurring simultaneously to NE-release from the sympathetic fibers. During the whole light period ICER protein values were elevated in the pineal gland of the Syrian hamster, independent of the photoperiod. This could explain the inability of the Syrian Hamster to synthesis melatonin in contrast to rat or mouse. Here presented data can be nicely fitted into current concepts of a transcriptional regulation of the Aanat gene of the melatonin synthesis in the rodent pineal gland. They show that also in the Syrian hamster a transcriptional regulation of melatonin synthesis seems to be of central importance, with an involvement of the inhibitory transcription factor ICER, likewise to rat and mouse. In addition, elevated ICER levels during daytime in the Syrian hamster pineal gland can explain, why during this period an activation of the cAMP-signalling pathway does not lead to an elevated melatonin synthesis in this species.