Ghrelin is a unique hunger-inducing stomach-borne hormone. It activates orexigenic circuits in the central nervous system (CNS) when acylated with a fatty acid residue by the Ghrelin O-acyltransferase (GOAT). Soon after the discovery of ghrelin a theoretical model emerged which suggests that the gastric peptide ghrelin is the first “meal initiation molecule”. Ghrelin is also termed “hunger hormone” with a potentially important role as an endogenous regulator of energy balance. However, genetic deletion of ghrelin or its receptor, the growth hormone secretagogue receptor (GHSR), has only limited effects on appetite and obesity. Here we introduce novel mouse models of altered ghrelin, GHSR and GOAT function to reevaluate the role of the ghrelin system in regulating energy homeostasis. Simultaneous loss of ghrelin and GHSR function leads to decreased body weight and body fat, likely caused by increased energy expenditure and locomotor activity. Similarly, GOAT deficient mice are lighter and leaner than the wild-type controls. Mice overexpressing ghrelin and GOAT have increased body weight and fat mass along with decreased energy expenditure. Wild-type mouse studies show that fasting induces downregulation of the GOAT gene Mboat4 and decreases acyl ghrelin concentration in blood. We therefore hypothesized that GOAT rather depends on dietary than endogenous derived lipids for ghrelin acylation. Feeding studies show that GOAT uses the unnatural fatty acid heptanoate (C7) to acylate ghrelin, which clearly supports our theory. Further, acylation of overproduced ghrelin in our transgenic mouse model requires dietary supplementation of medium-chain-triglycerides, the preferred GOAT substrate. Our genetic models suggest that the ghrelin system plays an important physiological role in the control of energy metabolism. Thus, GOAT offers a novel peripheral drug target for the treatment of metabolic diseases. Moreover, our results suggest that ghrelin signaling may not be a result of absent nutrient intake, but indicate the availability of dietary lipids. We therefore propose that the ghrelin system functions as a novel lipid sensor, linking specific dietary lipids with the central-nervous control of energy metabolism. / Ghrelin ist ein einzigartiges im Magen produziertes Hormon, da es von dem Enzym Ghrelin O-acyltransferase (GOAT) mit einer mittelkettigen Fettsäure acyliert werden muss, um biologische Aktivität zu erlangen. Kurz nach seiner Entdeckung entstand die Hypothese, dass Ghrelin das „Hungerhormon“ sei und eine wichtige Rolle in der Regulation des Energiehaushalts spiele. Die genetische Manipulation von Ghrelin und seinem Rezeptor, dem GHSR, hat jedoch nur geringe Auswirkung auf Appetit und Körpergewicht. In der hier vorliegenden Studie stellen wir neuartige Mausmodelle mit abgewandelter Ghrelin-, GHSR- und GOATfunktion vor, um den Einfluss des Ghrelinsystems auf die Regulation der Energiehomöostase zu reevaluieren. Weiterhin wird die endogene Regulation von GOAT erstmalig beschrieben. Double-knockout Mäuse, die gleichzeitig defizitär für Ghrelin und GHSR sind, haben ein geringeres Körpergewicht, weniger Fettmasse und einen niedrigeren Energieverbrauch als Kontrolltiere. Knockout Mäuse für das GOAT Gen Mboat4 sind leichter und schlanker als Kontrolltiere. Dementsprechend haben transgene Mäuse, die Ghrelin und GOAT überproduzieren, eine erhöhte Fettmasse und einen verminderten Energieverbrauch. Weiterhin können wir zeigen, dass GOAT, anders als auf Grund der allgemein bekannten Ghrelinfunktion angenommen, nicht durch Hungern aktiviert wird. Bei Mäusen, die gefastet haben, ist die Genexpression von Mboat4 deutlich herunterreguliert, woraus ein geringer Blutspiegel von Acyl-Ghrelin resultiert. Daraus haben wir geschlossen, dass GOAT eventuell Nahrungsfette und nicht die durch Hungern freigesetzten endogen Fettsäuren zur Ghrelinacylierung benutzt. Fütterungsversuche bestätigen diese Hypothese, da GOAT die unnatürliche Fettsäure Heptan Säure (C7), die der Tiernahrung beigefügt wurde, zur Ghrelinacylierung verwendet. Ein weiteres Indiz für die Notwendigkeit von Nahrungsfetten für die Ghrelinacylierung ist, dass die transgenen Ghrelin/GOAT Mäuse nur massiv Acyl-Ghrelin produzieren, wenn sie mit einer Diät gefüttert werden, die mit mittelkettigen Fettsäuren angereichert ist. Zusammenfassend zeigt die Studie, dass das Ghrelinsystem maßgeblich an der Regulation der Energiehomöostase beteiligt ist und dass die Ghrelinaktivierung direkt von Nahrungsfetten beeinflusst wird. Daraus könnte geschlossen werden, dass Ghrelin wohlmöglich nicht das Hungerhormon ist, wie bisher generell angenommen wurde. Ghrelin könnte vielmehr ein potentieller “Fettsensor” sein, der dem Gehirn die Verfügbarkeit von fettreicher Nahrung signalisiert und somit den Metabolismus zur optimalen Verwertung und Speicherung der aufgenommenen Energie beeinflusst.

Bei 22 Patienten mit Leberzirrhose wurde prospektiv der Ernährungszustand mit seinen Komponenten Energieverbrauch, Nahrungsaufnahme und Körperzusammensetzung sowohl vor Anlage eines TIPS, als auch 1, 6 und 12 Monate nach TIPS-Implantation untersucht und in Beziehung zu Daten gesunder Probanden gesetzt. Im Vergleich zu gesunden Kontrollpersonen waren bei Patienten vor TIPS-Anlage Körpergewicht und body-mass-index nicht vermindert, während Muskel- und Körperzellmasse (BCM) reduziert waren. Im Grundumsatz (REE) bestand kein Unterschied zu Kontrollen, wenn der gesamte Grundumsatz betrachtet wird. Dagegen war der spezifische, auf die Körperzellmasse bezogene Grundumsatz (REE/BCM) bei Patienten signifikant erhöht. Patienten wiesen also gegenüber Kontrollen einen hypermetabolen Status auf. Die Substratoxidation der Patienten war durch eine bevorzugte Verwendung von Lipiden gekennzeichnet. Nach TIPS-Anlage nahmen Körpergewicht und BMI der Patienten zu aufgrund einer Verbesserung in der Körperzusammensetzung mit signifikantem Anstieg von Muskelmasse, Körperzellmasse und dem Quotienten von Körperzellmasse und Körpermasse. Darüberhinaus war eine signifikante Abnahme der Aszitesmenge zu verzeichnen. Die Fettmasse blieb trotz Zunahme der Körpermasse unverändert. Entsprechend der Zunahme der Körpermasse stieg der Grundumsatz nach TIPS-Anlage signifikant an, die Betrachtung des spezifischen Energieumsatzes zeigte jedoch eine abnehmende Tendenz im Sinne einer Normalisierung des bei Zirrhosepatienten gegenüber Kontrollen erhöhten Energieumsatzes. Dieser Abnahme des spezifischen Energieverbrauchs stand eine zunehmende Nährstoffaufnahme gegenüber, so daß diese Verbesserung der Energiebilanz als eine der Ursachen für die Verbesserung des Ernährungzustandes zu sehen ist. Unbeeinflußt von der TIPS-Anlage blieb die Bevorzugung von Fett als oxidativem Substrat. Bezüglich der Organfunktionen war nach TIPS-Anlage eine partielle Verminderung der hepatischen Syntheseleistung (Quick, nicht aber Albumin) und eine signifikante Verbesserung der Nierenfunktion und psychometrisch gemessenen hirnorganischen Leistungsfähigkeit zu beobachten. Die Anlage und Funktionserhaltung eines TIPS war bei Patienten mit Leberzirrhose mit einer bedeutsamen Verbesserung des Ernährungszustandes und insbesondere des prognostisch relevanten Kompartiments Körperzellmasse und Muskelmasse verbunden. Bei unveränderten Ernährungsempfehlungen waren die Patienten in höherem Maße in der Lage, diese Empfehlungen zu realisieren und insbesondere eine höhere Eiweißmenge ohne Verschlechterung der Enzephalopathie zuzuführen. Welchen Einfluß die einzelnen Faktoren wie verminderte Aszitesmenge, Verbesserung der intestinalen Absorption oder Vermeidung erneuter kataboler Situationen (gastrointestinale Blutungen, Parazentese und Endotoxinämie durch Reduktion der portalen Hypertension) an diesem Ergebnis haben, muß durch weitere Untersuchungen geklärt werden. / 22 patients with liver cirrhosis were examined prospectively regarding their nutritional state and its components energy expenditure, energy intake and body composition before and 1, 6 and 12 months after implantation of a transjugular intrahepatic portosystemic stent - shunt (TIPS). These data were compared to those corresponding of a group of healthy control subjects. Compared to these healthy individuals body weigth and body mass index (BMI) of the patients were not reduced while muscle mass and body cell mass (BCM) were impaired before TIPS-implantation. There was no difference in resting energy expenditure (REE) between both groups. The ratio REE/BCM is called specific resting energy expenditure. This ratio was found to be increased in the patient group which means that patients were hypermetabolic when compared to controls. Lipids turned out to be the prefered fuel in patients. After TIPS-insertion body weight and BMI increased in patients because muscle mass, BCM and BCM/body weight all increased significantly in the patient group. Meanwhile the amount of ascites was reduced significantly. Fat mass remained stable after TIPS. Because of this increase of body weight energy expenditure had to increase, too. On the contrary, the specific REE showed a decrease which means normalization of the pathological high results of this parameter. A decrease in specific REE and an increase in energiy intake lead to an improvement of energy balance. This is probably one min cause of the improvement in the nutritional state of the patients after TIPS. After TIPS lipids remained to be the main source of substrate for oxidation. Partly, the synthetical function of the liver was impaired after TIPS (thromboplastin time, but not Albumin) while renal function and mental performance measured by psychometric tests improved significantly. The implantation of TIPS and surveillance of its function in patients with liver cirrhosis was accompanied by an improvement of their nutritional state. Even more important, there was an improvement of body cell mass and of muscle mass which both are of significantly prognostic value in this kind of patients. Dietary recommendations were not changed after TIPS but patients were able to realize them in a better way and they tolerated an increased intake of protein without an increase in the rate of hepatic encephalopathy. Furthe studies will have to be performed in order to find out the influences of different factors as reduced amount of ascites, improvement of intestinal absorption or avoiding of catabolic periods (gastrointestinal bleeding, paracentesis and endotoxinaemia by reduction of portal hypertension).

In dieser Arbeit werden Konzepte für die Diagnostik der großskaligen Zirkulation in der Troposphäre und Stratosphäre entwickelt. Der Fokus liegt dabei auf dem Energiehaushalt, auf der Wellenausbreitung und auf der Interaktion der atmosphärischen Wellen mit dem Grundstrom. Die Konzepte werden hergeleitet, wobei eine neue Form des lokalen Eliassen-Palm-Flusses unter Einbeziehung der Feuchte eingeführt wird. Angewendet wird die Diagnostik dann auf den Reanalysedatensatz ERA-Interim und einen durch beobachtete Meerestemperatur- und Eisdaten angetriebenen Lauf des ECHAM6 Atmosphärenmodells. Die diagnostischen Werkzeuge zur Analyse der großskaligen Zirkulation sind einerseits nützlich, um das Verständnis der Dynamik des Klimasystems weiter zu fördern. Andererseits kann das gewonnene Verständnis des Zusammenhangs von Energiequellen und -senken sowie deren Verknüpfung mit synoptischen und planetaren Wellensystemen und dem resultierenden Antrieb des Grundstroms auch verwendet werden, um Klimamodelle auf die korrekte Wiedergabe dieser Beobachtungen zu prüfen. Hier zeigt sich, dass die Abweichungen im untersuchten ECHAM6-Modelllauf bezüglich des Energiehaushalts klein sind, jedoch teils starke Abweichungen bezüglich der Ausbreitung von atmosphärischen Wellen existieren. Planetare Wellen zeigen allgemein zu große Intensitäten in den Eliassen-Palm-Flüssen, während innerhalb der Strahlströme der oberen Troposphäre der Antrieb des Grundstroms durch synoptische Wellen verfälscht ist, da deren vertikale Ausbreitung gegenüber den Beobachtungen verschoben ist. Untersucht wird auch der Einfluss von arktischen Meereisänderungen ausgehend vom Bedeckungsminimum im August/September bis in den Winter. Es werden starke positive Temperaturanomalien festgestellt, welche an der Oberfläche am größten sind. Diese führen vor allem im Herbst zur Intensivierung von synoptischen Systemen in den arktischen Breiten, da die Stabilität der troposphärischen Schichtung verringert ist. Im darauffolgenden Winter stellen sich barotrope bis in die Stratosphäre reichende Änderungen der großskaligen Zirkulation ein, welche auf Meereisänderungen zurückzuführen sind. Der meridionale Druckgradient sinkt und führt so zu einem Muster ähnlich einer negativen Phase der arktischen Oszillation in der Troposphäre und einem geschwächten Polarwirbel in der Stratosphäre. Diese Zusammenhänge werden ebenfalls in einem ECHAM6-Modelllauf untersucht, wobei vor allem der Erwärmungstrend in der Arktis zu gering ist. Die großskaligen Veränderungen im Winter können zum Teil auch im Modelllauf festgestellt werden, jedoch zeigen sich insbesondere in der Stratosphäre Abweichungen für die Periode mit der geringsten Eisausdehnung. Die vertikale Ausbreitung planetarer Wellen von der Troposphäre in die Stratosphäre ist in ECHAM6 mit sehr großen Abweichungen wiedergegeben. Somit stellt die Wellenausbreitung insgesamt den größten in dieser Arbeit festgestellten Mangel in ECHAM6 dar. / In this study concepts for the diagnostics of the large-scale circulation in the troposphere and the stratosphere are developed. Therefore the energy budget, wave propagation and the interaction between waves and the mean flow are analyzed. A corresponding set of diagnostic methods is derived. Furthermore a new type of localized Eliassen Palm Fluxes including moisture fluxes is introduced. These diagnostic methods are then applied to the ERA-Interim reanalysis and to a run of the ECHAM6 atmospheric model forced with observed sea surface temperatures and sea ice data. The diagnostics of the large scale circulation are useful to enhance the understanding of the climate system dynamics. Furthermore the knowledge of the relation between energy sources and sinks, atmospheric waves on planetary and synoptic scales and their forcing of the mean flow is applicable to validate global climate models. The results presented here show small deviations in terms of the energy balance in ECHAM6 but large discrepancies in terms of wave propagation. On the one hand Eliassen Palm fluxes connected to planetary waves are generally too strong. On the other hand the mean flow forcing within upper tropospheric jet streams by synoptic scale waves does not agree with observations, since the vertical propagation is shifted. A second part of this study analyses the influence of Arctic sea ice anomalies at the sea ice minimum in August/September on atmospheric conditions. Strong positive temperature anomalies with their maximum at the surface are observed. In autumn they lead to intensified synoptic scale systems, because of a reduced atmospheric vertical stability. A large-scale barotropic circulation pattern up to the stratosphere appears in winter related to previous late summer sea ice changes. A reduced meridional pressure gradient leads to a pattern related to a negative phase of the Arctic Oscillation in the troposp here as well as related to a weaker stratospheric polar vortex. The same analysis performed with an ECHAM6 model run shows a too small warming of Arctic latitudes. While tropospheric changes in the Arctic are covered by the model to some degree, the stratosphere shows large discrepancies in reproducing the observed changes in the low ice period. The vertical propagation of planetary waves from the troposphere into the stratosphere is reproduced with large differences. Accordingly this study shows the largest errors in ECHAM6 related to atmospheric wave propagation.

Die Gattung Daphnia nimmt eine zentrale Position im pelagischen Nahrungsnetz vieler Standgewässern (Seen, Talsperren) ein. Aufgrund hoher Filtrierleistungen sind Daphnien für das integrierte Gewässermanagement, z.B. im Rahmen einer Nahrungskettenmanipulation (Biomanipulation), von großem Interesse. Ihre relativ einfache Kultivierbarkeit machte sie außerdem zu einen weit verbreiteten Modellorganismus limnologischer Grundlagenforschung. Das Ziel dieser Arbeit besteht darin, ein umfassendes Modellsystem für die Gattung Daphnia zu entwickeln, das wesentliche Kenntnisse der Ökologie von Daphnia miteinander verknüpft, um eine Vernetzung des Wissens zu realisieren. Bestehende Modellansätze konnten diese Aufgabe nur unzureichend erfüllen, weil sie in der Regel einem "Problem-orientierten Ansatz" folgen und somit sehr unterschiedliche inhaltliche Ausrichtungen und verschiedene Modellstrukturen aufweisen. Eine Kopplung bzw. ein direkter Vergleich dieser Modelle ist deshalb in der Regel schwierig. Dieses Modellsystem wurde entwickelt, um ein Instrument zur Synthese des vorhandenen Prozesswissens bereitzustellen, und nicht, um ein spezifisches, abgegrenztes Problem zu bearbeiten; es steht somit diametral zu existierenden Ansätzen. Aus diesem Grunde wird der gewählte Ansatz als ein "Spezies-orientierter Ansatz" bezeichnet. Drei Eigenschaften charakterisieren diesen Ansatz. (i) Das Modellsystem umfasst mehrere hierarchische Ebenen biologischer Organisation, wobei der Schwerpunkt auf den Ebenen des Individuums und der Population liegt. Interaktionen zwischen diesen Organisationsebenen sind ausgeprägt und in Feld- und Laborstudien gut belegt, in existierenden Modellen aber noch unzureichend miteinander verknüpft. (ii) Da eine quantitative Interpretation der Ergebnisse beabsichtigt ist, wurden die Modellausgaben einer umfangreichen Validation an unabhängigen und bereits publizierten Daten unterzogen. (iii) Das Modellsystem zeichnet sich durch einen geschachtelten Aufbau aus (nested design), wodurch eine einfache Erweiterbarkeit des Modells oder auch die separate Anwendung bestimmter Modellkomponenten gewährleistet ist. / The scope of this thesis was to develop a comprehensive model system of the genus Daphnia, a key organism in the pelagic food web of lakes and reservoirs and a widely used model organism in experimental and theoretical ecology. Although its central role in applied and basic research in aquatic ecology is obvious, there are still fundamental problems in modelling the observed dynamics of Daphnia (for details see chapter 2). Therefore, a basic motivation of this work was to use scientific results obtained in independently conducted research for developing a model that brings these results into context. Instead of following a "problem-oriented" paradigm applicable to a single, well defined problem or scientific hypothesis, the underlying concept of the emerging model system was considered to be "species-oriented". Thus, various relevant processes are included into the framework in order to simulate the dynamics of daphnids displayed on different levels of biological organization. To facilitate its application to various problems in ecological research on the genus Daphnia, the model system fulfills the following three important properties: (1) model outputs are thoroughly validated on experimental data in order to guarantee sound quantitative outputs of the model system (2) the system spans over different levels of biological organization with special emphasis laid upon the individual level and the population level (3) the model´s architecture follows a nested design with a defined individual level model that is integrated into a population level model The whole model system is able to describe an individual´s development over time on basis of physiological properties of the organism and, furthermore, how these individual level processes interact with the dynamics on the population level. Due to its nested design, applications of separate submodels (e.g. the individual-level model) are possible.

Die Gattung Daphnia nimmt eine zentrale Position im pelagischen Nahrungsnetz vieler Standgewässern (Seen, Talsperren) ein. Aufgrund hoher Filtrierleistungen sind Daphnien für das integrierte Gewässermanagement, z.B. im Rahmen einer Nahrungskettenmanipulation (Biomanipulation), von großem Interesse. Ihre relativ einfache Kultivierbarkeit machte sie außerdem zu einen weit verbreiteten Modellorganismus limnologischer Grundlagenforschung. Das Ziel dieser Arbeit besteht darin, ein umfassendes Modellsystem für die Gattung Daphnia zu entwickeln, das wesentliche Kenntnisse der Ökologie von Daphnia miteinander verknüpft, um eine Vernetzung des Wissens zu realisieren. Bestehende Modellansätze konnten diese Aufgabe nur unzureichend erfüllen, weil sie in der Regel einem "Problem-orientierten Ansatz" folgen und somit sehr unterschiedliche inhaltliche Ausrichtungen und verschiedene Modellstrukturen aufweisen. Eine Kopplung bzw. ein direkter Vergleich dieser Modelle ist deshalb in der Regel schwierig. Dieses Modellsystem wurde entwickelt, um ein Instrument zur Synthese des vorhandenen Prozesswissens bereitzustellen, und nicht, um ein spezifisches, abgegrenztes Problem zu bearbeiten; es steht somit diametral zu existierenden Ansätzen. Aus diesem Grunde wird der gewählte Ansatz als ein "Spezies-orientierter Ansatz" bezeichnet. Drei Eigenschaften charakterisieren diesen Ansatz. (i) Das Modellsystem umfasst mehrere hierarchische Ebenen biologischer Organisation, wobei der Schwerpunkt auf den Ebenen des Individuums und der Population liegt. Interaktionen zwischen diesen Organisationsebenen sind ausgeprägt und in Feld- und Laborstudien gut belegt, in existierenden Modellen aber noch unzureichend miteinander verknüpft. (ii) Da eine quantitative Interpretation der Ergebnisse beabsichtigt ist, wurden die Modellausgaben einer umfangreichen Validation an unabhängigen und bereits publizierten Daten unterzogen. (iii) Das Modellsystem zeichnet sich durch einen geschachtelten Aufbau aus (nested design), wodurch eine einfache Erweiterbarkeit des Modells oder auch die separate Anwendung bestimmter Modellkomponenten gewährleistet ist. / The scope of this thesis was to develop a comprehensive model system of the genus Daphnia, a key organism in the pelagic food web of lakes and reservoirs and a widely used model organism in experimental and theoretical ecology. Although its central role in applied and basic research in aquatic ecology is obvious, there are still fundamental problems in modelling the observed dynamics of Daphnia (for details see chapter 2). Therefore, a basic motivation of this work was to use scientific results obtained in independently conducted research for developing a model that brings these results into context. Instead of following a "problem-oriented" paradigm applicable to a single, well defined problem or scientific hypothesis, the underlying concept of the emerging model system was considered to be "species-oriented". Thus, various relevant processes are included into the framework in order to simulate the dynamics of daphnids displayed on different levels of biological organization. To facilitate its application to various problems in ecological research on the genus Daphnia, the model system fulfills the following three important properties: (1) model outputs are thoroughly validated on experimental data in order to guarantee sound quantitative outputs of the model system (2) the system spans over different levels of biological organization with special emphasis laid upon the individual level and the population level (3) the model´s architecture follows a nested design with a defined individual level model that is integrated into a population level model The whole model system is able to describe an individual´s development over time on basis of physiological properties of the organism and, furthermore, how these individual level processes interact with the dynamics on the population level. Due to its nested design, applications of separate submodels (e.g. the individual-level model) are possible.