Rheostasis and timing: A tanycyte-mediated process

Abstract

The geophysical properties of the earth result in, yearly changes in solar irradiance driving seasonal fluctuations in temperature and food availability. This necessitates non-equatorial species to partition energy demanding processes to favourable times of the year. Temporal gating of physiology requires both a readjustment of homeostatic processes (rheostasis), and the ability to keep track of seasonal time. Mammalian species primarily use changes in photoperiod (day length) to allow anticipation of forthcoming seasonal opportunities and demands. Photoperiod is internally represented by nocturnal melatonin secretion, and via the pars tuberalis and the tanycytes of the 3rd ventricle of the hypothalamus, this results in seasonal metabolic adaptations. Hence, the overarching objective of this thesis was to elucidate the molecular signature of tanycytes in two seasonal paradigms that shift metabolism; maternal photoperiodic programming (Siberian hamster, <i>Phodopus Sungorus</i>) and hibernation (golden hamster, <i>Mesocricetus auratus</i>). In Paper Ⅰ, we review the neuroendocrine processes involved in maternal photoperiodic programming (MPP). Here, photoperiod is relayed to small rodents during gestation, via the maternal melatonin signal, programming the tanycytes of the hypothalamus, resulting in distinct after-birth metabolic trajectories, matching the pup to the seasonal environment. In Paper Ⅱ, a MPP experiment using Siberian hamsters characterized the molecular signature of the tanycyte layer. Revealing differences in the expression of cilia-related genes and numbers of cilia present in the tanycyte layer related to the photoperiodic history and subsequent metabolic trajectory. In Paper Ⅲ, we developed and refined methods to study hibernation. Finally, in Paper Ⅳ, we characterized the tanycyte layer of adult golden hamsters in response to changes in photoperiod, during hibernation and in the spontaneous emergence from hibernation (refractory state). Here, we also observed a change in cilia-related genes in response to photoperiod and the refractory state. Collectively, the findings presented in this thesis suggest that changes in cilia-related genes and numbers of cilia on tanycytes and, therefore presumably alterations in metabolite signalling via tanycytes, may be a rheostatic mechanism altering metabolic feedback to the hypothalamus allowing an animal to match their metabolic physiology to the environment.

I tempererte og polare områder er det store årlige variasjoner i temperatur og mattilgang, som medfører at arter må gjennomføre energikrevende prosesser på fordelaktige tider av året. Sesongmessig tilpasning av fysiologi krever både homeostatisk rejustering (reostase), og en indre kalender. Pattedyr bruker primært endringer i daglengde for å forutse og forberede seg på den kommende årstiden. Daglengden gjenspeiles i kroppen av nattlig utskillelse av melatonin, som via pars tuberalis og tanycytter i hypothalamus, resulterer i sesongmessige metabolske tilpasninger. Derfor er denne avhandlingens overordnede mål å beskrive den molekylære signaturen til tanycyttene gjennom to sesongmessige paradigmer som drastisk endrer metabolisme: daglengdeprogrammert vekst og utvikling (Sibirsk dverghamster, <i>Phodopus Sungorus</i>) og dvale (gullhamster, <i>Mesocricetus auratus</i>). Først oppsummerte vi hva som allerede var kjent om hvordan Sibirsk dverghamster under svangerskapet bruker melatonin til å programmere fosteret sin vekst og utvikling etter fødselen, noe som resulterer i unger med en hurtig utvikling på sommeren og en sakte utvikling på vinteren. Det ble tydelig at tanycyttene er helt sentrale i å sikre et samsvar mellom utviklingsstrategi og årstid (Artikkel Ⅰ). Derfor gen-sekvenserte vi tanycyttene hos Sibirske dverghamstere som både under svangerskapet og tidlig i livet var utsatt for ulike daglengder. Vi avdekket endringer i både gener relatert til cellehårenes funksjon og antall cellehår, som sammenfalt med de to ulike utviklingsstrategiene (Artikkel Ⅱ). Artikkel Ⅲ videreutviklet metodikk for dvaleforskning ved å studere Europeisk hamster (Cricetus cricetus). Til slutt, i Artikkel Ⅳ beskrev vi hvordan tanycytter hos voksne gullhamstere endrer seg med daglengde, dvaleperioden og når de forlater hiet for å reprodusere. Også her ser vi endringer i gener som styrer cellehårenes funksjon og oppbygning. Sett under ett, kan funnene i denne avhandlingen tyde på at en reduksjon i antall cellehår og deres funksjon hos tanycytter er en generell tilpasning hos hamstere for å sette kroppen på sparebluss om vinteren, og dermed sikre et samsvar mellom energiforbruk og energitilgang.

Les propriétés géophysiques de la Terre entraînent des changements annuels dans l'irradiation solaire, entraînant des fluctuations saisonnières de la température et de la disponibilité alimentaire. Cela nécessite que les espèces non équatoriales répartissent les processus exigeants en énergie vers des périodes favorables de l’année. La régulation temporelle des fonctions physiologiques nécessite à la fois un réajustement des processus homéostatiques (rhéostasie) et la capacité de suivre les saisons. Les espèces de mammifères utilisent principalement les changements de photopériode (durée du jour) pour permettre d'anticiper les opportunités et demandes saisonnières à venir. La photopériode est représentée en interne par la sécrétion nocturne de mélatonine qui, via la pars tuberalis et les tanycytes du 3ème ventricule de l'hypothalamus, contrôle les adaptations métaboliques saisonnières. Dans ce contexte, l’objectif principal de cette thèse était d’élucider la signature moléculaire des tanycytes dans deux paradigmes saisonniers qui modifient le métabolisme ; la programmation photopériodique maternelle (chez le hamster sibérien, <i>Phodopus sungorus</i>) et l’hibernation (chez le hamster doré, <i>Mesocricetus auratus</i>). Dans l'article Ⅰ, nous passons en revue les processus neuroendocriniens impliqués dans la programmation photopériodique maternelle (PPM). Ici, la photopériode est transmise aux petits rongeurs pendant la gestation, via le signal maternel de mélatonine qui programme les tanycytes de l'hypothalamus. Ceci entraîne des trajectoires métaboliques de la descendance adaptées à l'environnement saisonnier. Dans l'article Ⅱ, une expérience PPM réalisée chez des hamsters de Sibérie a caractérisé la signature moléculaire de la couche de tanycytes, révélant des différences dans l'expression de gènes liés aux cils et dans le nombre de cils présents dans les tanycytes en fonction de l'histoire photopériodique durant la gestation et de la trajectoire métabolique ultérieure. Dans l'article Ⅲ, nous avons développé et affiné des méthodes pour étudier l'hibernation. Enfin, dans l'article Ⅳ, nous avons caractérisé la couche tanycytaire de hamsters dorés adultes en réponse aux changements de photopériode, pendant l'hibernation et lors de la sortie spontanée de l'hibernation (état réfractaire). Ici, nous avons également observé une modification des gènes liés aux cils en réponse à la photopériode et à l'état réfractaire. Collectivement, les résultats présentés dans cette thèse suggèrent que les changements dans l’expression des gènes liés aux cils et dans le nombre de cils sur les tanycytes pourraient, via des altérations dans la signalisation des métabolites, être un mécanisme rhéostatique altérant la régulation métabolique vers l'hypothalamus, permettant à un animal d'adapter sa physiologie métabolique à l'environnement.