title: Mitochondrial impact in hibernation
Creators: name: Emser, Sarah Viola
Publisher: name: :none
Year: 2024

description: Winterschlaf wird bei verschiedenen Säugetierarten beobachtet und umfasst zyklische Perioden von Torpor und euthermen Phasen, um ungünstige Umweltbedingungen zu überleben. Entscheidend für die Entschlüsselung der evolutionären Anpassungen und physiologischen Prozessen ist ein Verständnis der genetischen Mechanismen, die den Winterschlaf-Phänotypen zugrunde liegen. Diese Dissertation konzentriert sich auf die mitochondriale Genetik der Winterschlafbiologie, insbesondere auf die Bedeutung von mitochondrialen Peptiden (MDPs) bei der Vermittlung von Stoffwechselanpassungen während der Winterschlafphasen. MDPs, die im mitochondrialen Genom (Mitogenom) kodiert sind, haben sich als wichtige Regulatoren des zellulären Stoffwechsels und der Energiehomöostase herausgestellt. Sie spielen eine entscheidende Rolle bei der Antwort auf oxidativen Stress, der mitochondrialen Dynamik, der Apoptose oder der Zelldifferenzierung. Der Ort der MDP-Translation und ihre physiologische Bedeutung beim Winterschlaf sind jedoch noch nicht näher ergründet worden. Diese Dissertation präsentiert die Ergebnisse zur Entschlüsselung genetischer Aspekte der mitochondrialen Dynamik beim Winterschlaf. Mittels „Long-Range“ PCR wurde das Mitogenom für eine nachfolgende Hochdurchsatzsequenzierung angereichert. Mit dem Verfahren konnten mehrere Mitogenome von Winterschlafarten sequenziert und somit die Anzahl der verfügbaren Mitogenome von Winterschläfern erweitert werden. Kombiniert mit vorhandenen Mitogenomen zeigte die phylogenetische Analyse für die Familie der MDPs von Säugetieren und Winterschläfern hochkonservierte Vertreter (MOTS-c-, SHLP4 und SHLP6). Während für MOTS-c und SHLP4 ein hochhomologes Sequenzmotiv von weniger konservierten Regionen umgeben war, zeigte die Vorhersage von SHLP6 einen Längendimorphismus, der durch einen verfrühten Stoppcodon im Leserahmen von SHLP6 verursacht wird und bei Wirbeltieren konserviert ist. Das Auftreten des Polymorphismus, basierend auf der Nomenklatur des humanen Mitogenoms m.3017C&gt;T genannt und korrelierend mit der verkürzten SHLP6-Isoform, war bei heterothermen Arten im Vergleich zu Nagetieren mit homeothermer Thermoregulation angereichert. Die Analyse des Transkriptoms des Dreizehnstreifenhörnchens zeigte eine reduzierte Menge des SHLP6-Transkripts während des Torpors, und eine erhöhte Expression während der euthermen Phasen. Interessanterweise umfasste dieses Transkript einen Bereich, der ein mitochondriales Stoppcodon, AGG, enthielt, was auf eine potenzielle Translation des scheinbaren Stopps hindeutet. Diese nicht-kanonischen mitochondrialen Stoppcodons (AGG/AGA) kamen nicht nur in SHLP6-Transkripten vor, sondern auch in vielen anderen MDPs wie MOTs-c und MTALTND4. Aufgrund dieses scheinbaren mitochondrialen Stopps wurde zuvor angenommen, dass die MDP-Translation im Zytoplasma erfolgen müsse. Jedoch könnte ein Import von zytoplasmatischen tRNA(Arg)-Spezies, die die Codons AGG und AGA erkennen und die mitochondriale Translation fortsetzen würden, eine intramitochondriale Produktion von MDPs erklären. Die differentielle Regulation des SHLP6-Transkripts im Dreizehnstreifen-Hörnchen während der Winterschlafzustände war eine zentrale Beobachtung und veranlasste eine tiefere Erforschung der gewebespezifischen mitochondrialen Genexpression in verschiedenen Winterschlafzuständen. Durch die Nutzung öffentlich verfügbarer RNA-Seq-Daten konnten wir differenzielle Expressionsmuster von mitochondrialen Genen, wie zum Beispiel MDPs, mRNAs, rRNAs und mitochondrialen langen nichtkodierenden RNAs (lncRNAs) in verschiedenen Geweben feststellen. Mitochondriale lncRNAs, die bisher im Kontext der Winterschlafbiologie übersehen wurden, wiesen unterschiedliche regulatorische Profile auf, was auf ihre potenziellen Rollen bei der Modulation der mitochondrialen Funktion und des Stoffwechsels während des Torpors und der euthermen Phasen hindeutet. Neben der Identifizierung dieser mitochondrialen lncRNAs wurde ein unbeschiebenes mitochondriales Transcript Rudel, welches in den Winterschlafzuständen signifikant herunter reguliert war, gefunden. Durch die detaillierte Analyse der mitochondrialen Genexpression und die Identifizierung neuer MDPs und lncRNAs in verschiedenen Geweben und Hibernationszuständen, wurde ein umfassenderes Bild des mitochondrialen Transkriptoms während des Winterschlafs erstellt. Zusammenfassend liefert diese Dissertation neuartige Einblicke in die molekularen Mechanismen, die den Winterschlaf steuern könnten, insbesondere durch die Untersuchung der mitochondrialen Genetik und der Rolle mitochondrialer Peptide (MDPs). Die Ergebnisse verdeutlichen eine mögliche Bedeutung der MDPs, wie SHLP6, bei der Regulation des zellulären Stoffwechsels und der Energiehomöostase während der Winterschlafphasen.
description: Hibernation, observed in various mammalian species, involves cyclic periods of torpor and arousal to survive in harsh environments. Understanding the genetic mechanisms underlying hibernation phenotypes is crucial for unravelling the evolutionary adaptations and physiological processes enabling animals to enter and exit hibernation cycles. This thesis focuses on mitochondrial genetics in relation to hibernation biology, particularly the importance of mitochondrial-derived peptides (MDPs) in mediating metabolic adaptations during torpor. They are coded by the mitochondrial genome (mitogenome) and have emerged as key regulators of cellular metabolism and energy homeostasis. They play crucial roles in modulating oxidative stress response, mitochondrial dynamics, apoptosis, and cellular differentiation. However, details such as length and (post)translational site of MDPs as well as their physiological role in hibernation remain poorly understood. The thesis aimed at thoroughly unravelling the genetic aspects of mitochondrial dynamics in hibernation. Establishing an assay to enrich mitogenomes by long-range PCR, several mitogenomes of hibernating species were sequenced to expand the number of available mitogenomes of hibernating mammals. Combined with existing mitogenomes, conservation analysis of MDPs revealed highly conserved MOTS-c, SHLP4, and SHLP6 peptides among mammals and hibernators. While for MOTS-c and SHLP4, a highly homologous sequence motif was surrounded by less conserved regions, the SHLP6 peptide prediction resulted in a completely conserved length dimorphism among mammals and vertebrates. Further analysis revealed that the observed length dimorphism was based on the mitochondrial polymorphism m.3017C&gt;T causing an earlier stop for SHLP6 translation. The polymorphism with the shorter SHLP6 isoform was significantly enriched in heterothermic rodent species compared to their homeothermic relatives. Transcriptomic analysis identified a differentially regulated SHLP6 transcript of the thirteen-lined ground squirrel during hibernation states, with upregulation observed during interbout arousal. Intriguingly, this transcript spanned a region containing a mitochondrial stop codon, AGG, suggesting a potential translation of the former stop. Apparent mitochondrial non-canonical stop codons (AGG/AGA) did not only occur in SHLP6 transcripts, but also in many other MDPs like MOTs-c or MTALTND4. Because of this apparent mitochondrial stop, it was previously assumed that MDP translation must occur in the cytosol. However, an import of cytosolic tRNA(Arg) that recognizes AGG and AGA codons and continues mitochondrial translation could argue for an intra-mitochondrial production of MDPs. The differential regulation of the SHLP6 transcript in the thirteen-lined ground squirrel during hibernation states was a key observation, prompting deeper exploration into tissue-specific mitochondrial gene expression across various hibernation states. By utilizing publicly available RNA-seq data, differential expression patterns of mitochondrial RNAs, including MDPs, mRNAs, rRNAs and long noncoding RNAs (lncRNAs) in different hibernation states and tissues were identified. Mitochondrial lncRNAs, previously overlooked in the context of hibernation biology, exhibited distinct regulatory profiles, suggesting potential roles in modulating mitochondrial function and metabolism during torpor and euthermic phases. The detection of an uncharacterized mitochondrial transcript, Rudel, revealed significant downregulation during hibernation states. In summary, this dissertation investigated in mitochondrial genetics and the role of mitochondrial-derived peptides (MDPs) in hibernation. The findings suggest significance of MDPs, such as SHLP6, in regulating cellular metabolism and energy homeostasis during hibernation phases. Through detailed analysis of mitochondrial gene expression and the identification of new MDPs and lncRNAs in various tissues and hibernation states, a more comprehensive understanding of mitochondrial dynamics during hibernation has been established. These insights can contribute to the elucidation of the genetic and molecular adaptations that enable mammals to survive extreme environmental conditions and undergo cyclical periods of torpor and euthermic phases, thereby significantly advancing our understanding of hibernation biology.