Untersuchungen zur Globinexpression in Karpfenfischen

In der vorliegenden Arbeit untersuchte ich die Diversität und die sauerstoffabhängige Expression der Globine von Karpfenfischen. Mit Globin X konnte ein fünfter Globintyp identifiziert werden, dessen Vorkommen auf Fische und Amphibien beschränkt ist. Globin X wird sowohl auf mRNA- als auch auf Proteinebene in zahlreichen Geweben exprimiert. Zur Aufklärung der genauen Funktion müssen noch weitere Analysen durchgeführt werden. Phylogenetische Untersuchungen ergaben eine ursprüngliche Verwandtschaft zwischen Neuroglobin und Globin X und deuten darauf hin, dass der letzte gemeinsame Vorfahre der Protostomia und Deuterostomia bereits zwei verschiedene Globintypen besessen hat. Im Zebrabärbling und im Goldfisch konnte ich eine Myoglobin-Expression neben dem Herzen auch in Hirn, Kieme, Leber und Niere nachweisen und somit zeigen, dass Myoglobin nicht nur im Muskelgewebe lokalisiert ist. Des Weiteren konnte eine hirnspezifische Myoglobin-Isoform im Goldfisch identifiziert werden, deren Funktion noch unklar ist und weiterer Untersuchungen bedarf. Das Vorhandensein der zweiten Isoform ist innerhalb der Cyprinidae (Karpfenfische) aufgrund einer Genomduplikation bei den Cyprininae (Kärpflinge) auf diese Unterfamilie beschränkt. Durch Hypoxieexperimente konnte gezeigt werden, dass die Expression der Globine von der Intensität des Sauerstoffmangels abhängig ist und gewebe- und artspezifisch erfolgt. Im Zebrabärbling wurde eine Abnahme der Hämoglobin- und Globin X-Konzentration beobachtet, während das Cytoglobin-Expressionsniveau nahezu unverändert blieb. Im Fall von Myoglobin und Neuroglobin konnte zum ersten Mal gezeigt werden, dass die hypoxieinduzierte Zunahme der mRNA-Menge auch mit einer verstärkten Expression des jeweiligen Proteins korreliert ist. Im Vergleich dazu war die Veränderung der Expression der meisten Globine im Goldfisch gering, lediglich Myoglobin wurde im Fischkörper auf mRNA-Ebene nach Hypoxie deutlich verstärkt exprimiert. Durch einen Vergleich der konstitutiven Neuroglobin-Expression beider Karpfenfische konnte in Auge und Hirn des hypoxietoleranten Goldfisches eine 3- bzw. 5-fach höhere Neuroglobin-Konzentration als im hypoxiesensitiven Zebrabärbling nachgewiesen werden. Meine Ergebnisse stützen somit die Hypothese, dass Neuroglobin eine myoglobinähnliche Funktion einnimmt und den aeroben Stoffwechsel im neuronalen Gewebe auch unter Sauerstoffmangel aufrechterhält.

In the presented thesis, I investigated the diversity of globins and their oxygen-dependent expression in cyprinids. A fifths globin type, globin X, was identified, which is only present in fish and amphibians. Globin X is expressed both on mRNA and protein level in various tissues. Additional studies will be needed to clarify the exact function of globin X. Phylogenetic studies confirm an ancient relationship of globin X with neuroglobin and suggest the existence of two distinct globin types in the last common ancestor of Protostomia and Deuterostomia. In zebrafish and goldfish I demonstrated the expression of myoglobin not only in the heart, but also in brain, gill, liver and kidney, proving that myoglobin is not only located in muscle tissue. Furthermore, a brain specific isoform of myoglobin in goldfish was identified, whose function is unknown and requires further studies. The existence of the second isoform is restricted to the subfamily of Cyprininae due to a genome duplication event. Hypoxia experiments revealed that globin expression depends on oxygen concentration and occurs tissue and species specific. In zebrafish a downregulation of hemoglobin and globin X mRNA was observed, while the cytoglobin level remained nearly constant. In the case of myoglobin and neuroglobin it was shown for the first time that the hypoxia induced upregulation of mRNA is correlated with a higher expression at the protein level. In contrast, only minor changes in globin expression were observed for the goldfish, except for a strong upregulation of myoglobin mRNA in the body. Constitutive neuroglobin expression in both cyprinids revealed a 3-fold, respectively 5-fold, higher neuroglobin concentration in the eye and brain of hypoxia tolerant goldfish, compared to hypoxia sensitive zebrafish. My results support the hypothesis that neuroglobin has a myoglobin-like function and thus sustains the aerobic metabolism in neuronal tissues even under oxygen deprivation.