In dieser Arbeit wurden die Signalwege an Myokard, Leber und Skelettmuskulatur untersucht, die den Veränderungen des Glucosestoffwechsels im zeitlichen Verlauf bei TAC-induzierter systolischer Herzinsuffizienz zu Grunde liegen können. Es wurde dafür über eine TAC-Operation am Mausmodell eine Herzinsuffizienz induziert. Erniedrigte Nüchtern-Blutzuckerwerte und ein erhöhter myokardialer Glucoseverbrauch fanden sich als die wesentlichen metabolischen Veränderungen in diesem Mausmodell mit TAC-induzierter Herzinsuffizienz. In Vorarbeiten ergaben die GTTs nach zwei Wochen eine erhöhte Glucoseaufnahme nach TAC, die nicht durch eine verstärkte Insulinsignaltransduktion hervorgerufen wurde, da sich die Insulinkonzentrationen und die Insulinsensitivität zwischen den Gruppen nicht unterschieden. Der Nüchternblutzuckers war bei den TAC-operierten Tieren niedriger als bei den Sham-operierten. In der PET-Bildgebung wurde eine erhöhte Glucoseaufnahme im Herzen bei den TAC-Tieren verglichen mit den Sham-operierten Tieren gezeigt. Im Rahmen dieser Arbeit wurden nun nach einem bzw. sechs Monaten bei den Versuchsgruppen Western Blot Analysen sowie Glykogenassays durchgeführt. Zudem wurde untersucht, wie sich eine zusätzliche Sucrosefütterung über sechs Monate ab OP auswirkt. Dabei fand sich eine erhöhte Expression des basalen Glucosetransporters GLUT1 am Myokard, passend zur erhöhten basalen Glucoseaufnahme im PET. Die Expression des insulinabhängigen Transporters GLUT4 hingegen war - wie bereits in anderen Arbeiten zu Hypertrophie und Herzinsuffizienz - vermindert. Der hepatische und muskuläre Glykogengehalts war nach TAC reduziert, wobei die Depletion der hepatischen Speicher bereits nach einem Monat, im Muskel erst nach sechs Monaten signifikant war. Die Regulation der muskulären Glykogenreserven wurde in unserem Modell möglicherweise über Akt und Hexokinase II vermittelt. Einen Monat nach TAC war am Skelettmuskel eine vorübergehende Reduktion der Akt-Phosphorylierung zu verzeichnen, was über Aktivierung der Glykogensynthase zur Aufrechterhaltung der muskulären Glykogenspeicher beitragen kann. Sechs Monate nach TAC-OP war die Akt-Expression im Skelettmuskel dann jedoch verstärkt, was zwar einen Kompensationsmechanismus zur Vermeidung einer Muskel-Atrophie darstellt, jedoch durch Inaktivierung der Glykogensynthase sinkende Glykogenreserven bedingt. Gleichzeitig war eine Steigerung der Expression von Hexokinase II zu beobachten, die durch Bildung von Glucose-6-Phosphat die intrazellluläre Glucoseverfügbarkeit kompensiert. Bei zusätzlicher Sucrosefütterung über sechs Monate zeigte sich im Muskel der TAC-operierten Tiere keine kompensatorische Steigerung von Akt- und HKII-Expression mehr, und auch die Entleerung der muskulären Glykogenspeicher war vollständig abgefangen. Ebenso wurde die Entleerung der hepatischen Glykogenvorräte durch Sucrose-Substitution verhindert, was für eine ausreichende Glucoseverfügbarkeit spricht und die Normalisierung der Glucosetoleranz erklärt. Wichtige Regulatoren der Leber-Glykogensynthese, z.B. GLUT2 und HK IV, oder der zellulären Energie-Homöostase, z.B. AMPK, waren hingegen zu keinem Zeitpunkt wesentlich verändert. Zusammenfassend konnten somit durch eine Sucrosesubstitution die bei TAC-induzierter Herzinsuffizienz reduzierten Glykogenspeicher in Muskel und Leber erhalten, der systemische Glucosestoffwechsel normalisiert und eine Reduktion der Mortalität erzielt werden. Insgesamt lässt sich feststellen, dass sich Strategien, die zu einer Wiederherstellung der systemischen Glucoseverfügbarkeit beitragen, möglicherweise positiv auf eine Herzinsuffizienztherapie auswirken könnten. / In this work, the signaling pathways in myocardium, liver, and skeletal muscles that may underlie changes in glucose metabolism over time in TAC-induced systolic heart failure were investigated. For this purpose, heart failure was induced by TAC surgery in a mouse model. Lowered fasting blood glucose levels and increased myocardial glucose consumption were found to be the major metabolic changes in this mouse model of TAC-induced heart failure. In preliminary studies, GTTs showed increased glucose uptake after two weeks after TAC, which was not caused by increased insulin signal transduction, since insulin concentrations and insulin sensitivity did not differ between groups. Fasting blood glucose was lower in the TAC-operated animals than in the sham-operated animals. PET imaging showed increased cardiac glucose uptake in the TAC animals compared to the sham-operated animals. In this study, Western blot analyses and glycogen assays were performed after one and six months in the experimental groups. In addition, the effect of an additional sucrose feed over six months after surgery was investigated. An increased expression of the basal glucose transporter GLUT1 was found in the myocardium, matching the increased basal glucose uptake in PET. The expression of the insulin-dependent transporter GLUT4, on the other hand, was reduced, as in other studies on hypertrophy and heart failure. The hepatic and muscular glycogen content was reduced after TAC, whereby the depletion of the hepatic stores was already significant after one month, in the muscle only after six months. The regulation of muscular glycogen reserves was possibly mediated in our model by Akt and hexokinase II. One month after TAC, a temporary reduction of Akt phosphorylation was observed in skeletal muscle, which may contribute to the maintenance of muscular glycogen stores by activating glycogen synthase. However, six months after TAC surgery, Akt expression in skeletal muscle was increased, which is a compensatory mechanism to avoid muscle atrophy, but which causes decreasing glycogen reserves due to inactivation of glycogen synthase. At the same time, an increase in the expression of hexokinase II was observed, which compensates for intracellular glucose availability by producing glucose-6-phosphate. With additional sucrose feeding over six months, no compensatory increase in Akt and HKII expression was observed in the muscle of the TAC-operated animals, and the depletion of muscular glycogen reserves was completely stopped. Likewise, the depletion of hepatic glycogen stores by sucrose substitution was prevented, which indicates sufficient glucose availability and explains the normalization of glucose tolerance. Important regulators of liver glycogen synthesis, e.g. GLUT2 and HK IV, or cellular energy homeostasis, e.g. AMPK, were not significantly altered at any time. In summary, sucrose substitution was able to maintain the reduced glycogen stores in muscle and liver in TAC-induced heart failure, normalize systemic glucose metabolism and reduce mortality. Overall, it can be concluded that strategies that contribute to restoring systemic glucose availability could potentially have a positive impact on heart failure therapy.

Typ 2 Diabetes gehört zu den häufigsten Stoffwechselkrankheiten in Deutschland. Zur Basistherapie des Typ 2 Diabetes gehören eine gesunde Ernährungsweise und die Erhöhung der körperlichen Aktivität. Körperliches Training führt insbesondere bei Patienten mit Typ 2 Diabetes neben der Verbesserung der körperlichen Leistungsfähigkeit zu einer Reihe metabolischer Veränderungen, wie zur Reduktion der Fettmasse, zur Verbesserung von chronischer Hyperglykämie, des Lipidstoffwechsels und des atherogenen, pro-inflammatorischen Adipokin-Serumprofils. Chemerin ist ein erst kürzlich identifiziertes 16 kDa großes Adipokin, dessen Serumkonzentrationen bei Adipositas und Typ 2 Diabetes erhöht sind. Ziel dieser Arbeit war es deshalb, die Auswirkungen eines 12monatigen, kontrollierten, praxisnahen, kombinierten Kraft-Ausdauer-Trainingsprogramms auf die Chemerin-Serumkonzentration, das Körpergewicht, sowie Parameter des Glukosestoffwechsels (Nüchtern-Plasmaglukose, HbA1c, Nüchterninsulin, HOMA) bei Patienten mit Typ 2 Diabetes zu untersuchen. Zusätzlich wurde die Chemerin mRNA-Expression im humanen omentalen und subkutanen Fettgewebsproben von 79 Patienten charakterisiert und bei 15 Patienten der Einfluß eines Gewichtsverlustes von 45,3 ± 7,4kg ein Jahr nach bariatrischer Chirurgie auf zirkulierende Chemerin-Werte untersucht. Für die prospektive offene Interventionsstudie wurden initial 710 Patienten mit Typ 2 Diabetes untersucht, von denen 156 die Ein- und Ausschlusskriterien für die Studie erfüllten. Es wurden die Daten von 120 Patienten (77 Frauen, 43 Männer) analysiert, von denen nach Abschluss des 12monatigen Trainingsprogramms vollständige Datensätze vorlagen. Die Patienten trainierten zweimal pro Woche für jeweils 60 ± 15 Minuten bei 50-70% ihrer individuellen maximalen Leistungsfähigkeit, die zu Beginn der Studie mittels Spiroergometrie ermittelt wurde. Die Messung der Zielparameter erfolgte vor Beginn der Intervention, sowie nach 3, 6 und 12 Monaten körperlichen Trainings. Das 12monatige Trainingsprogramm führte zu einer signifikanten Reduktion der Chemerin-Serumkonzentration und zu signifikanten Verbesserungen der Nüchterninsulin-Serumkonzentrationen und des HOMA-Index´, während sich die Nüchtern-Plasmaglukose und der HbA1c-Wert kaum veränderten. Die signifikanten Veränderungen waren unabhängig von der Entwicklung des Körpergewichts, das sich im Verlauf der Studie nicht signifikant veränderte. Die Chemerinserumkonzentration war geschlechtsabhängig und bei Patienten mit T2D höher als bei gesunden Kontrollpatienten. Sie korrelierte mit dem BMI, dem Körperfettgehalt, dem HbA1c, Serum Triglyzerid- sowie hsCrP-Spiegeln und wird durch starken Gewichtsverlust nach einer bariatrischen Operation signifikant gesenkt. Außerdem konnte ein signifikanter Zusammenhang der omentalen Chemerin mRNA-Expression mit dem BMI, der Hyperinsulinämie, der Adipozytengröße, der Serum-Chemerin- und CrP-Konzentration nachgewiesen werden. Zusammengefasst zeigt die Untersuchung, dass die bei Patienten mit Typ 2 Diabetes deutlich erhöhte Chemerin-Serumkonzentration parallel zur Verbesserungen der Leistungsfähigkeit und Insulinsensitivität (Sportprogramm) auch durch eine signifikante BMI-Reduktion (Adipositas-Chirurgie) gesenkt werden kann.

Background: The exonic variant rs6265 in the brain-derived neurotrophic factor (BDNF) has repeatedly been linked to obesity. Objective: To discern the factors by which this effect is conveyed we aimed to investigate its correlation with obesity and metabolic parameters as well as with serum levels of BDNF and measures of energy intake in children. Secondly, we aimed to compare levels of circulating BDNF with metabolic parameters. Methods: We genotyped the variant in 2131 obese and lean children and adolescents (age 6-18 years). In 177 subjects, we determined BDNF serum levels by ELISA and assessed the association with metabolic parameters and data on eating habits from self-reported food diaries. Results: The minor Met-allele was associated with lower body weight (p=0.002). In the entire study cohort none of the investigated metabolic parameters was associated with the variant. When looking at postpubertal subjects, we observed decreased postprandial glucose levels and a decreased HbA1c in Met-allele-carriers after adjusting for BMI (p=0.046 and p=0.012, respectively). Serum BDNF did not differ between homozygous Val/Val-individuals and carriers of the Met-allele. We neither found a correlation of serum BDNF with different genotypes nor with any of the metabolic parameters. Conclusion: We confirmed the association of the minor Met-allele with decreased body weight in children and additionally observed alterations in postprandial glucose metabolism in postpubertal subjects. However, variations in serum levels of BDNF were neither related to the genotype nor to the phenotype of food intake or glucose metabolism.:Inhaltsverzeichnis 2 Abkürzungsverzeichnis 3 1 Einführung in die Thematik 4 1.1 Genetische Ursachen von Adipositas 4 1.2 Der neuronale Wachstumsfaktor BDNF 5 1.3 BDNF und Regulation von Nahrungsaufnahme und Glukosemetabolismus 6 1.4 Der exonisch gelegene Val66Met-Polymorphismus in BDNF 7 1.5 Oraler Glukosetoleranztest und HbA1c als Marker des Glukosestoffwechsels 9 1.5.1 Physiologische Grundlagen der Glukosehomöostase 9 1.5.2 OGTT und Insulinsensitivitätsindizes 10 1.5.3 HbA1c – das „Langzeitgedächtnis“ des Blutzuckerspiegels 10 1.6 Basisdiagnostik des Fettstoffwechsels 11 1.7 Einschätzung der Nährstoffaufnahme mittels Ernährungstagebuch 11 2 Überleitung zur Publikation 13 2.1 Ziel der Arbeit, Rationale und Fragestellung 13 2.2 Charakterisierung der Kohorten 14 2.3 Kurzbeschreibung der Methoden 15 2.4 Ergebnisse 15 2.5 Fazit 16 3 Originalpublikation 17 4 Zusammenfassung 30 5 Literaturverzeichnis 35 6 Anlagen 39 6.1 Erklärung über die eigenständige Abfassung der Arbeit 39 6.2 Spezifizierung des eigenen wissenschaftlichen Beitrages 40 6.3 Danksagung 41

Typ 2 Diabetes gehört zu den häufigsten Stoffwechselkrankheiten in Deutschland. Zur Basistherapie des Typ 2 Diabetes gehören eine gesunde Ernährungsweise und die Erhöhung der körperlichen Aktivität. Körperliches Training führt insbesondere bei Patienten mit Typ 2 Diabetes neben der Verbesserung der körperlichen Leistungsfähigkeit zu einer Reihe metabolischer Veränderungen, wie zur Reduktion der Fettmasse, zur Verbesserung von chronischer Hyperglykämie, des Lipidstoffwechsels und des atherogenen, pro-inflammatorischen Adipokin-Serumprofils. Chemerin ist ein erst kürzlich identifiziertes 16 kDa großes Adipokin, dessen Serumkonzentrationen bei Adipositas und Typ 2 Diabetes erhöht sind. Ziel dieser Arbeit war es deshalb, die Auswirkungen eines 12monatigen, kontrollierten, praxisnahen, kombinierten Kraft-Ausdauer-Trainingsprogramms auf die Chemerin-Serumkonzentration, das Körpergewicht, sowie Parameter des Glukosestoffwechsels (Nüchtern-Plasmaglukose, HbA1c, Nüchterninsulin, HOMA) bei Patienten mit Typ 2 Diabetes zu untersuchen. Zusätzlich wurde die Chemerin mRNA-Expression im humanen omentalen und subkutanen Fettgewebsproben von 79 Patienten charakterisiert und bei 15 Patienten der Einfluß eines Gewichtsverlustes von 45,3 ± 7,4kg ein Jahr nach bariatrischer Chirurgie auf zirkulierende Chemerin-Werte untersucht. Für die prospektive offene Interventionsstudie wurden initial 710 Patienten mit Typ 2 Diabetes untersucht, von denen 156 die Ein- und Ausschlusskriterien für die Studie erfüllten. Es wurden die Daten von 120 Patienten (77 Frauen, 43 Männer) analysiert, von denen nach Abschluss des 12monatigen Trainingsprogramms vollständige Datensätze vorlagen. Die Patienten trainierten zweimal pro Woche für jeweils 60 ± 15 Minuten bei 50-70% ihrer individuellen maximalen Leistungsfähigkeit, die zu Beginn der Studie mittels Spiroergometrie ermittelt wurde. Die Messung der Zielparameter erfolgte vor Beginn der Intervention, sowie nach 3, 6 und 12 Monaten körperlichen Trainings. Das 12monatige Trainingsprogramm führte zu einer signifikanten Reduktion der Chemerin-Serumkonzentration und zu signifikanten Verbesserungen der Nüchterninsulin-Serumkonzentrationen und des HOMA-Index´, während sich die Nüchtern-Plasmaglukose und der HbA1c-Wert kaum veränderten. Die signifikanten Veränderungen waren unabhängig von der Entwicklung des Körpergewichts, das sich im Verlauf der Studie nicht signifikant veränderte. Die Chemerinserumkonzentration war geschlechtsabhängig und bei Patienten mit T2D höher als bei gesunden Kontrollpatienten. Sie korrelierte mit dem BMI, dem Körperfettgehalt, dem HbA1c, Serum Triglyzerid- sowie hsCrP-Spiegeln und wird durch starken Gewichtsverlust nach einer bariatrischen Operation signifikant gesenkt. Außerdem konnte ein signifikanter Zusammenhang der omentalen Chemerin mRNA-Expression mit dem BMI, der Hyperinsulinämie, der Adipozytengröße, der Serum-Chemerin- und CrP-Konzentration nachgewiesen werden. Zusammengefasst zeigt die Untersuchung, dass die bei Patienten mit Typ 2 Diabetes deutlich erhöhte Chemerin-Serumkonzentration parallel zur Verbesserungen der Leistungsfähigkeit und Insulinsensitivität (Sportprogramm) auch durch eine signifikante BMI-Reduktion (Adipositas-Chirurgie) gesenkt werden kann.

Ziel: In der vorliegenden Studie wurden kontinuierliche Blutzuckertagesprofile über 48 h bei Schwangeren unterschiedlicher Glukosetoleranz erhoben und mit der Ernährung zu häuslichen Bedingungen verglichen. Ergebnisse: Bei den Gestationsdiabetikerinnen wurden statistisch signifikant länger Konzentrationen über 130 mg/dl gemessen als bei den gesunden Schwangeren. Keine Unterschiede ergaben sich in Bezug auf folgende Werte: Mittelwert, Zeitdauern mit Blutzuckerwerten < 50 mg/dl, >120 mg/dl, >140 mg/dl, >150 mg/dl. Periprandial wurden bei den Gestationsdiabetikerinnen und den Schwangeren mit IGT signifikant höhere Maximalwerte im Anschluss an die Mahlzeit gemessen, als bei gesunden Schwangeren. Keine Unterschiede ergaben sich hinsichtlich der Anfangswerte und der Area under the curve. In einigen Gruppen bestanden positive Korrelationen zwischen der Zufuhr von Disacchariden und Parametern der Glukosemessung, in der Gruppe der Gestationsdiabetikerinnen bestand eine signifikante negative Korrelation zwischen dem Stärkekonsum und dem Mittelwert der Glukosemessung. Nach Mahlzeiten, deren Hauptkohlenhydratquelle mit einem höheren glykämischen Index nach Jenkins attribuiert war, fiel die Glukosereaktion größer aus, als bei Mahlzeiten mit niedrigem glykämischem Index. Zusammenfassung: In dieser prospektiven Studie konnte mit Hilfe der Technik der kontinuierlichen Glukosemessung die Verbindung zwischen Blutzuckertagesprofil und Ernährungsgewohnheiten zu häuslichen- also nicht klinisch- artifiziellen- Bedingungen hergestellt werden. / Objective: In the present study continuous glucose profiles in pregnant women with various levels of glucose tolerance were evaluated and compared with their diet in domestic conditions. Results: In women with GDM significantly longer periods with glucose levels above 130 mg/dl were measured than in healthy women. No differences were assessed as to average glucose levels and periods with glucose levels < 50 mg/dl, >120 mg/dl, >140 mg/dl, >150 mg/dl. In pregnant women with gestational diabetes or impaired glucose tolerance higher maximum glucose levels after a meal were found than in healthy women. No differences were found as to glucose levels at the beginning of the meal and area under the curve. In some groups positive correlations were calculated between intake of disaccharides and the glucose measurement, in gestational diabetic women a negative correlation between intake of starch and the average of the glucose level was found. After meals in which the main carbohydrate source was attributed with a high glycemic index change of the glucose level was higher than after meals with a low glycemic index. Conclusion: In the present prospective study we established the relation between glucose profiles measured by the method of continuous glucose monitoring and dietary habits in domestic conditions in pregnant women.

The prevalence of obesity is dramatically increasing and thus constitutes a major risk factor for developing chronic diseases such as type 2 diabetes, dyslipidemia, cardiovascular diseases, and certain forms of cancer. High-caloric nutrition and a lack of physical activity are the main contributing factors for this global epidemic. Estrogen receptors (ERs) are recognized to be involved in many processes related to the control of energy homeostasis. In my studies, I investigated the impact of estrogens (17beta-estradiol (E2)) on energy homeostasis. Special emphasis was given to the effects of two synthetic ER subtype-selective agonists, 16alpha-LE2 (Alpha) and 8beta-VE2 (Beta), to determine to what extend the two distinct ER subtypes are involved in the underlying molecular mechanisms. Because of its estrogenic activity and also its widespread use as a nutritional supplement the influence of the isoflavone genistein (Gen) was examined. For this purpose two different female rat models were used: Wistar rats with nutrition-induced obesity and leptin resistant Zucker diabetic fatty (ZDF) rats. In both experiments, the animals were ovariectomized (OVX) and treated with vehicle (untreated controls) or the estrogenic compounds. The most important finding was that treatment of OVX animals with Beta enlarges soleus muscle fiber sizes in both animal models compared to untreated OVX animals. This anabolic effect may in turn improve the muscle/fat ratio of the body that enhances muscular uptake and utilization of fuels. By contrast, in the gastrocnemius muscle of OVX ZDF rats substitution with Alpha increased expression and distribution of the insulin-dependent glucose transporter 4 (GLUT4). Consequently, systemic insulin sensitivity in both animal models was improved by treatment with estrogenic compounds compared to untreated OVX animals. The strongest effect was observed in E2-treated rats that indicate an additive effect through activation of both pathways. In all OVX rats, treatment with either ER subtype-selective agonist showed an anti-lipogenic effect in adipose tissue, liver, and skeletal muscle of nutrition-induced obese Wistar rats in comparison to OVX animals without treatment. Decreased visceral fat mass, adipocyte sizes, serum leptin levels, triglyceride accumulation in liver and muscle as well as mRNA expression of genes that are involved in lipo-/adipogenesis reflected this. Therefore, the lower visceral fat mass as well as decreased accumulation of triglycerides in non-adipose tissues such as liver and skeletal muscle most likely contributes to the improved insulin sensitivity in such treated animals. Gen exerted effects similar to those of the ER beta-selective agonist (except on adipose tissue in Wistar rats). Especially, the similar ability to induce anabolic activity in the soleus muscle might be highly relevant. Gen-treated animals might have a more effective utilization of fuels compared to untreated OVX animals because they showed a lower TG content in muscle and liver as well as improved glucose metabolism. In conclusion, because of my studies and the fact that ER beta signaling is not involved in proliferation of uterus and mammary gland, an effective way to treat obesity and co-morbidities in postmenopausal women might be substances that only activate ER beta. A combination with physical activity may support the therapy of obesity and co-morbidities. The isoflavone Gen is able to activate both ER-subtypes. This compound is already placed on the market for treatment of postmenopausal complaints, although adverse effects of Gen cannot be excluded so far (e.g., increased risk of breast cancer). However, Gen might be a natural alternative – not only to the conventional hormone replacement therapy, but also as a strategy for treatment of obesity and co-morbidities – that deserves further research with respect to these new data. / Die dramatisch zunehmende Prävalenz der Adipositas und das damit verbundene Risiko für Folgeerkrankungen wie Diabetes mellitus, Hypertonie, Dyslipidämie und koronare Herzkrankheiten stellt eine große Herausforderung für das Gesundheitswesen dar. Als Hauptursache wird ein chronisches Missverhältnis der Energiehomöostase aufgrund permanenter Überernährung und Bewegungsmangel postuliert. Estrogene beeinflussen den Glukose- und Lipidstoffwechsel und sind somit in die Regulation des Energiehaushaltes involviert. Estrogene vermitteln ihre Effekte über zwei Estrogenrezeptor (ER)-Subtypen, den ER alpha und den ER beta. Ziel der vorliegenden Arbeit war es mittels tierexperimentellen Studien den Einfluss von Estrogenen, speziell 17beta-Estradiol, auf den Energiehaushalt zu untersuchen. Um einen tieferen Einblick in die zugrundeliegenden molekularen Mechanismen zu erhalten, wurden zwei Subtyp-selektive ER-Agonisten, 16alpha-LE2 (Alpha) and 8beta-VE2 (Beta), synthetischer Herkunft eingesetzt. Aufgrund der estrogenen Aktivität und der Verfügbarkeit als Nahrungsergänzungsmittel wurde des Weiteren der Einfluss des Isoflavons Genistein untersucht. Für die Studien wurden zwei Tiermodelle genutzt: zum einen weibliche Wistar-Ratten mit ernährungsinduzierter Adipositas und zum anderen weibliche leptinresistente „Zucker diabetic fatty“ (ZDF)-Ratten. Die Tiere wurden ovarektomiert (OVX) und entweder mit einem Vehikel (unbehandelte Kontrolltiere) oder mit der entsprechenden estrogenen Substanz behandelt. Die interessanteste Erkenntnis war, dass im Vergleich zu unbehandelten OVX-Tieren beider Tiermodelle die Behandlung mit Beta zur Vergrößerung der Faserquerschnitte im Soleusmuskel führte. Dieser anabole Effekt könnte die muskuläre Aufnahme und Verwertung von Brennstoffmolekülen verbessern und sich insgesamt positiv auf die Körperzusammensetzung auswirken. Den stärksten Effekt hinsichtlich einer erhöhten Expression und Translokation des insulinabhängigen Glukosetransporters 4 (GLUT4) in die Zellmembran des Gastrocnemiusmuskels zeigte sich dagegen durch die Behandlung von OVX ZDF-Ratten mit Alpha. Im Endergebnis zeigten die Tiere beider Modelle durch die Behandlung mit estrogenen Substanzen eine verbesserte systemische Insulinsensitivität im Vergleich zu unbehandelten Kontrolltieren. E2-behandelte Tiere tolerierten die Glukose am besten und lassen einen additiven Effekt aufgrund der Aktivierung beider Signalwege vermuten. Im Vergleich zu unbehandelten OVX Wistar-Ratten führte die Behandlung mit E2 oder mit jeweils einem der beiden ER-Subtyp-selektiven Agonisten zu einer geringeren viszeralen Fettmasse, kleineren Fettzellen, niedrigeren Leptinspiegeln im Serum und geringeren Triglyzeridwerten in Leber und Muskel. Auf der Ebene der Genexpression waren zudem geringere mRNA-Spiegel von lipo- und adipogenen Genen messbar. Somit scheinen beide ER-Subtypen in die antilipogene Wirkung von E2 involviert zu sein. Sowohl die reduzierte viszerale Fettmasse als auch die geringere Anreicherung von Triglyzeriden in Leber und Muskel tragen sehr wahrscheinlich ebenfalls zur verbesserten Insulinsensitivität bei. Die Behandlung von OVX Tieren mit Gen führte zu ähnlichen Ergebnissen wie die Behandlung mit Beta. Eine alleinige Ausnahme stellte das Fettgewebe dar, da hier eine Gen-Behandlung keine antilipogenen/-adipogenen Effekte zeigte. Speziell die Fähigkeit von Gen ebenfalls anabol zu wirken, könnte die molekulare Grundlage sein, weshalb Gen-behandelte Tiere im Vergleich zu unbehandelten Tiere eine verbesserte Toleranz gegenüber Glukose und eine geringere Anreicherung von Triglyzeriden in Muskel und Leber zeigten. Der ER beta ist nicht in die estrogenvermittelte Proliferation von Uterus und Brustdrüse involviert. Vor diesem Hintergrund lassen meine Ergebnisse vermuten, dass eine Behandlung mit ER beta-selektiven Substanzen eine effektive Möglichkeit darstellt, um Adipositas und deren Folgeerkrankungen in postmenopausalen Frauen zu behandeln, ohne deren Risiko für estrogenabhängige Krebsformen zu erhöhen. Eine Kombination mit regelmäßiger körperlicher Aktivität könnte die Erfolge bei der Behandlung von Adipositas und deren Folgeerkrankungen noch maximieren bzw. eine geringere Dosierung der verwendeten Substanz bei gleichbleibendem Behandlungserfolg ermöglichen. Das Isoflavon Gen mit seiner Fähigkeit beide ERs zu aktivieren ist eine bereits auf dem Markt befindliche Substanz und wird zur Behandlung von postmenopausalen Beschwerden eingesetzt, obwohl mögliche negative Effekte (z.B. ein erhöhtes Brustkrebsrisiko) noch nicht abschließend geklärt sind. Falls diese Risiken von Gen ausgeräumt werden können, könnte diese Substanz eventuell eine kostengünstige Alternative darstellen, um sowohl postmenopausale Beschwerden als auch Adipositas und deren Folgekrankheiten zu behandeln.

The prevalence of obesity is dramatically increasing and thus constitutes a major risk factor for developing chronic diseases such as type 2 diabetes, dyslipidemia, cardiovascular diseases, and certain forms of cancer. High-caloric nutrition and a lack of physical activity are the main contributing factors for this global epidemic. Estrogen receptors (ERs) are recognized to be involved in many processes related to the control of energy homeostasis. In my studies, I investigated the impact of estrogens (17beta-estradiol (E2)) on energy homeostasis. Special emphasis was given to the effects of two synthetic ER subtype-selective agonists, 16alpha-LE2 (Alpha) and 8beta-VE2 (Beta), to determine to what extend the two distinct ER subtypes are involved in the underlying molecular mechanisms. Because of its estrogenic activity and also its widespread use as a nutritional supplement the influence of the isoflavone genistein (Gen) was examined. For this purpose two different female rat models were used: Wistar rats with nutrition-induced obesity and leptin resistant Zucker diabetic fatty (ZDF) rats. In both experiments, the animals were ovariectomized (OVX) and treated with vehicle (untreated controls) or the estrogenic compounds. The most important finding was that treatment of OVX animals with Beta enlarges soleus muscle fiber sizes in both animal models compared to untreated OVX animals. This anabolic effect may in turn improve the muscle/fat ratio of the body that enhances muscular uptake and utilization of fuels. By contrast, in the gastrocnemius muscle of OVX ZDF rats substitution with Alpha increased expression and distribution of the insulin-dependent glucose transporter 4 (GLUT4). Consequently, systemic insulin sensitivity in both animal models was improved by treatment with estrogenic compounds compared to untreated OVX animals. The strongest effect was observed in E2-treated rats that indicate an additive effect through activation of both pathways. In all OVX rats, treatment with either ER subtype-selective agonist showed an anti-lipogenic effect in adipose tissue, liver, and skeletal muscle of nutrition-induced obese Wistar rats in comparison to OVX animals without treatment. Decreased visceral fat mass, adipocyte sizes, serum leptin levels, triglyceride accumulation in liver and muscle as well as mRNA expression of genes that are involved in lipo-/adipogenesis reflected this. Therefore, the lower visceral fat mass as well as decreased accumulation of triglycerides in non-adipose tissues such as liver and skeletal muscle most likely contributes to the improved insulin sensitivity in such treated animals. Gen exerted effects similar to those of the ER beta-selective agonist (except on adipose tissue in Wistar rats). Especially, the similar ability to induce anabolic activity in the soleus muscle might be highly relevant. Gen-treated animals might have a more effective utilization of fuels compared to untreated OVX animals because they showed a lower TG content in muscle and liver as well as improved glucose metabolism. In conclusion, because of my studies and the fact that ER beta signaling is not involved in proliferation of uterus and mammary gland, an effective way to treat obesity and co-morbidities in postmenopausal women might be substances that only activate ER beta. A combination with physical activity may support the therapy of obesity and co-morbidities. The isoflavone Gen is able to activate both ER-subtypes. This compound is already placed on the market for treatment of postmenopausal complaints, although adverse effects of Gen cannot be excluded so far (e.g., increased risk of breast cancer). However, Gen might be a natural alternative – not only to the conventional hormone replacement therapy, but also as a strategy for treatment of obesity and co-morbidities – that deserves further research with respect to these new data. / Die dramatisch zunehmende Prävalenz der Adipositas und das damit verbundene Risiko für Folgeerkrankungen wie Diabetes mellitus, Hypertonie, Dyslipidämie und koronare Herzkrankheiten stellt eine große Herausforderung für das Gesundheitswesen dar. Als Hauptursache wird ein chronisches Missverhältnis der Energiehomöostase aufgrund permanenter Überernährung und Bewegungsmangel postuliert. Estrogene beeinflussen den Glukose- und Lipidstoffwechsel und sind somit in die Regulation des Energiehaushaltes involviert. Estrogene vermitteln ihre Effekte über zwei Estrogenrezeptor (ER)-Subtypen, den ER alpha und den ER beta. Ziel der vorliegenden Arbeit war es mittels tierexperimentellen Studien den Einfluss von Estrogenen, speziell 17beta-Estradiol, auf den Energiehaushalt zu untersuchen. Um einen tieferen Einblick in die zugrundeliegenden molekularen Mechanismen zu erhalten, wurden zwei Subtyp-selektive ER-Agonisten, 16alpha-LE2 (Alpha) and 8beta-VE2 (Beta), synthetischer Herkunft eingesetzt. Aufgrund der estrogenen Aktivität und der Verfügbarkeit als Nahrungsergänzungsmittel wurde des Weiteren der Einfluss des Isoflavons Genistein untersucht. Für die Studien wurden zwei Tiermodelle genutzt: zum einen weibliche Wistar-Ratten mit ernährungsinduzierter Adipositas und zum anderen weibliche leptinresistente „Zucker diabetic fatty“ (ZDF)-Ratten. Die Tiere wurden ovarektomiert (OVX) und entweder mit einem Vehikel (unbehandelte Kontrolltiere) oder mit der entsprechenden estrogenen Substanz behandelt. Die interessanteste Erkenntnis war, dass im Vergleich zu unbehandelten OVX-Tieren beider Tiermodelle die Behandlung mit Beta zur Vergrößerung der Faserquerschnitte im Soleusmuskel führte. Dieser anabole Effekt könnte die muskuläre Aufnahme und Verwertung von Brennstoffmolekülen verbessern und sich insgesamt positiv auf die Körperzusammensetzung auswirken. Den stärksten Effekt hinsichtlich einer erhöhten Expression und Translokation des insulinabhängigen Glukosetransporters 4 (GLUT4) in die Zellmembran des Gastrocnemiusmuskels zeigte sich dagegen durch die Behandlung von OVX ZDF-Ratten mit Alpha. Im Endergebnis zeigten die Tiere beider Modelle durch die Behandlung mit estrogenen Substanzen eine verbesserte systemische Insulinsensitivität im Vergleich zu unbehandelten Kontrolltieren. E2-behandelte Tiere tolerierten die Glukose am besten und lassen einen additiven Effekt aufgrund der Aktivierung beider Signalwege vermuten. Im Vergleich zu unbehandelten OVX Wistar-Ratten führte die Behandlung mit E2 oder mit jeweils einem der beiden ER-Subtyp-selektiven Agonisten zu einer geringeren viszeralen Fettmasse, kleineren Fettzellen, niedrigeren Leptinspiegeln im Serum und geringeren Triglyzeridwerten in Leber und Muskel. Auf der Ebene der Genexpression waren zudem geringere mRNA-Spiegel von lipo- und adipogenen Genen messbar. Somit scheinen beide ER-Subtypen in die antilipogene Wirkung von E2 involviert zu sein. Sowohl die reduzierte viszerale Fettmasse als auch die geringere Anreicherung von Triglyzeriden in Leber und Muskel tragen sehr wahrscheinlich ebenfalls zur verbesserten Insulinsensitivität bei. Die Behandlung von OVX Tieren mit Gen führte zu ähnlichen Ergebnissen wie die Behandlung mit Beta. Eine alleinige Ausnahme stellte das Fettgewebe dar, da hier eine Gen-Behandlung keine antilipogenen/-adipogenen Effekte zeigte. Speziell die Fähigkeit von Gen ebenfalls anabol zu wirken, könnte die molekulare Grundlage sein, weshalb Gen-behandelte Tiere im Vergleich zu unbehandelten Tiere eine verbesserte Toleranz gegenüber Glukose und eine geringere Anreicherung von Triglyzeriden in Muskel und Leber zeigten. Der ER beta ist nicht in die estrogenvermittelte Proliferation von Uterus und Brustdrüse involviert. Vor diesem Hintergrund lassen meine Ergebnisse vermuten, dass eine Behandlung mit ER beta-selektiven Substanzen eine effektive Möglichkeit darstellt, um Adipositas und deren Folgeerkrankungen in postmenopausalen Frauen zu behandeln, ohne deren Risiko für estrogenabhängige Krebsformen zu erhöhen. Eine Kombination mit regelmäßiger körperlicher Aktivität könnte die Erfolge bei der Behandlung von Adipositas und deren Folgeerkrankungen noch maximieren bzw. eine geringere Dosierung der verwendeten Substanz bei gleichbleibendem Behandlungserfolg ermöglichen. Das Isoflavon Gen mit seiner Fähigkeit beide ERs zu aktivieren ist eine bereits auf dem Markt befindliche Substanz und wird zur Behandlung von postmenopausalen Beschwerden eingesetzt, obwohl mögliche negative Effekte (z.B. ein erhöhtes Brustkrebsrisiko) noch nicht abschließend geklärt sind. Falls diese Risiken von Gen ausgeräumt werden können, könnte diese Substanz eventuell eine kostengünstige Alternative darstellen, um sowohl postmenopausale Beschwerden als auch Adipositas und deren Folgekrankheiten zu behandeln.

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Neurogenesis in the adult hippocampus contributes to learning and memory in the healthy brain but is dysregulated in metabolic and neurodegenerative diseases. The molecular relationships between neural stem cell activity, adult neurogenesis, and global metabolism are largely unknown. Here we applied unbiased systems genetics methods to quantify genetic covariation among adult neurogenesis and metabolic phenotypes in peripheral tissues of a genetically diverse family of rat strains, derived from a cross between the spontaneously hypertensive (SHR/OlaIpcv) strain and Brown Norway (BN-Lx/Cub). The HXB/BXH family is a very well established model to dissect genetic variants that modulate metabolic and cardiovascular diseases and we have accumulated deep phenome and transcriptome data in a FAIR-compliant resource for systematic and integrative analyses. Here we measured rates of precursor cell proliferation, survival of new neurons, and gene expression in the hippocampus of the entire HXB/BXH family, including both parents. These data were combined with published metabolic phenotypes to detect a neurometabolic quantitative trait locus (QTL) for serum glucose and neuronal survival on Chromosome 16: 62.1–66.3 Mb. We subsequently fine-mapped the key phenotype to a locus that includes the Telo2-interacting protein 2 gene (Tti2)—a chaperone that modulates the activity and stability of PIKK kinases. To verify the hypothesis that differences in neurogenesis and glucose levels are caused by a polymorphism in Tti2, we generated a targeted frameshift mutation on the SHR/OlaIpcv background. Heterozygous SHR-Tti2+/- mutants had lower rates of hippocampal neurogenesis and hallmarks of dysglycemia compared to wild-type littermates. Our findings highlight Tti2 as a causal genetic link between glucose metabolism and structural brain plasticity. In humans, more than 800 genomic variants are linked to TTI2 expression, seven of which have associations to protein and blood stem cell factor concentrations, blood pressure and frontotemporal dementia.

Schilddrüsenhormone (TH) regulieren Metabolismus und Energiestoffwechsel. Der TH‐Metabolit (THM) 3,5‐T2 (3,5‐Diiod‐L‐Thyronin) aktiviert Fett‐Oxidation und mitochondriale Atmung. Der THM 3‐Iodothyronamin (3‐T1AM) beeinflusst zusätzlich glukoregulatorische Prozesse. THM können zur Reduktion von Körperfett beitragen. Um 3,5‐T2 im humanen Serum nachzuweisen sollte ein Immunoassay aufgebaut, validiert und angewendet werden. In intakten hepatozellulären (HepG2) sowie pankreatischen ß‐Zellen (MIN6) sollte untersucht werden ob THM durch Modulation der mitochondrialen Aktivität die zelluläre Substratverstoffwechslung (3,5‐T2) und Insulinsekretion (3‐T1AM) regulieren können. Der Immunoassay ist sensitiv, spezifisch und misst zuverlässig 3,5‐T2 im humanen Serum. Hyper‐ und Hypothyreose zeigen vergleichbare 3,5‐T2 Konzentrationen, jedoch akkumuliert 3,5‐T2 bei sekundären Erkrankungen der Schilddrüse und athyreoten Patienten unter Thyroxin‐Supplementation. In HepG2‐Zellen konnte die Aktivierung der mitochondrialen Atmung durch 3,3‘,5‐Triiod‐L‐Thyronin (T3), jedoch nicht durch 3,5‐T2 stimuliert werden. Die Expression von TH‐transporters (THT) war gering verglichen mit Maus‐Hepatozyten. MIN6 exprimiert THT vergleichbar mit Langerhansschen Inselzellen der Maus. 3‐T1AM wird in die Zelle aufgenommen, zu 3‐Iodothyroessigsäure (TA1) metabolisiert, und wieder exportiert. Nach 3‐T1AM Gabe ist die mitochondriale ATP‐Produktion sowie die Glukose‐stimulierte Insulinsekretion (GSIS) vermindert. 3,5‐T2 zirkuliert in euthyreoten Individuen, ist nicht an der zentralen Regulation der TH‐Achse beteiligt, wird extrathyroidal gebildet und niedrige T3‐Werte können durch erhöhtes 3,5‐T2 erklärt werden. HepG2 erwies sich als ungeeignetes Zellmodell, da wenige THT vorhanden sind, 3,5‐T2 die Plasmamembran wahrscheinlich nicht passieren kann und damit die Aktivierung der Mitochondrien aus bleibt. In MIN6 wurde gezeigt, dass die GSIS nicht ausschließlich an der Plasmamembran durch 3‐T1AM reguliert wird. / Thyroid hormones (TH) regulate metabolism and energy metabolism. The TH‐metabolite (THM) 3,5‐T2 (3,5‐diiodo‐L‐thyronine) activates fat oxidation and mitochondrial respiration. The THM 3‐T1AM (3‐iodothyronamine) influences in addition glucoregulatory processes. THM may support reduction in body fat mass. It was the idea to establish, validate and apply an immunoassay to determine 3,5‐T2 in human serum. Using intact hepatocellular (HepG2) as well as pancreatic ß‐cells (MIN6) it should be tested if THM can modulate mitochondrial activity, resulting in increased cellular substrate usage (3,5‐T2) as well as decreased insulin secreation (3‐T1AM). The established immunoassay is sensitive, specific and detects precisely 3,5‐T2 in human serum. Hyper‐ and hypothyroidism shows similar 3,5‐T2 concentrations, although 3,5‐T2 accumulates in secondary thyroidal illness as well as in athyreotic patients under thyroxine‐supplementation. Using HepG2 cells, mitochondrial respiration was stimulated by 3,3‘,5‐triiodo‐L‐thyronine (T3), but 3,5‐T2 had no effect. Expression of TH‐transporters (THT) was low compared to murine hepatocytes. In contrast, MIN6 express THT comparable to murine Langerhans islets. 3‐T1AM is taken up by the cell, metabolized to 3‐iodothyroacetic acid (TA1) and following export. After 3‐T1AM application mitochondrial ATP‐production as well as glucose‐stimulated insulin secretion (GSIS) was reduced. 3,5‐T2 circulates in euthyroid individuals, is not involved in central regulation of TH‐axis, is produced extrathyroidally and low T3 values can be explained by increased 3,5‐T2. HepG2 was shown to be an inappropriate cellmodel, because THT are merely expressed, suggesting that 3,5‐T2 is not able to pass the plasma membrane, thereby preventing mitochondrial activation. In addition, it was shown in MIN6 cells, that GSIS is not exclusively regulated at the plasma membrane level via 3‐T1AM.