Sinan David Kaya-Zeeb

• For all animals the cold represents a dreadful danger. In the event of severe heat loss, animals fall into a chill coma. If this state persists, it is inevitably followed by death. In poikilotherms (e.g. insects), the optimal temperature range is narrow compared to homeotherms (e.g. mammals), resulting in a critical core temperature being reached more quickly. As a consequence, poikilotherms either had to develop survival strategies, migrate or die. Unlike the majority of insects, the Western honeybee (Apis mellifera) is able to organizeFor all animals the cold represents a dreadful danger. In the event of severe heat loss, animals fall into a chill coma. If this state persists, it is inevitably followed by death. In poikilotherms (e.g. insects), the optimal temperature range is narrow compared to homeotherms (e.g. mammals), resulting in a critical core temperature being reached more quickly. As a consequence, poikilotherms either had to develop survival strategies, migrate or die. Unlike the majority of insects, the Western honeybee (Apis mellifera) is able to organize itself into a superorganism. In this process, worker bees warm and cool the colony by coordinated use of their flight muscles. This enables precise control of the core temperature in the hive, analogous to the core body temperature in homeothermic animals. However, to survive the harsh temperatures in the northern hemisphere, the thermogenic mechanism of honeybees must be in constant readiness. This mechanism is called shivering thermogenesis, in which honeybees generate heat using their flight muscles. My thesis presents the molecular and neurochemical background underlying shivering thermogenesis in worker honeybees. In this context, I investigated biogenic amine signaling. I found that the depletion of vesicular monoamines impairs thermogenesis, resulting in a decrease in thoracic temperature. Subsequent investigations involving various biogenic amines showed that octopamine can reverse this effect. This clearly indicates the involvement of the octopaminergic system. Proceeding from these results, the next step was to elucidate the honeybee thoracic octopaminergic system. This required a multidisciplinary approach to ultimately provide profound insights into the function and action of octopamine at the flight muscles. This led to the identification of octopaminergic flight muscle controlling neurons, which presumably transport octopamine to the flight muscle release sites. These neurons most likely innervate octopamine β receptors and their activation may stimulate intracellular glycolytic pathways, which ensure sufficient energy supply to the muscles. Next, I examined the response of the thoracic octopaminergic system to cold stress conditions. I found that the thoracic octopaminergic system tends towards an equilibrium, even though the initial stress response leads to fluctuations of octopamine signaling. My results indicate the importance of the neuro-muscular octopaminergic system and thus the need for its robustness. Moreover, cold sensitivity was observed for the expression of one transcript of the octopamine receptor gene AmOARβ2. Furthermore, I found that honeybees without colony context show a physiological disruption within the octopaminergic system. This disruption has profound effects on the honeybees protection against the cold. I could show how important the neuro-muscular octopaminergic system is for thermogenesis in honeybees. In this context, the previously unknown neurochemical modulation of the honeybee thorax has now been revealed. I also provide a broad basis to conduct further experiments regarding honeybee thermogenesis and muscle physiology.…
• Kälte stellt für alle Tiere eine lebensbedrohliche Situation dar. Erleiden sie einen schwerwiegenden Wärmeverlust, stellt sich der Zustand eines Kältekomas ein. Hält dieser Zustand über einen längeren Zeitraum an, folgt unweigerlich der Tod. Poikilotherme (z.B. Insekten) weisen ein schmaleres optimales Temperaturfenster als Homoiotherme (z.B. Säugetiere) auf, wodurch sie ihre kritische Körpertemperatur schneller erreichen. Dadurch waren Poikilotherme gezwungen entweder Überlebenstrategien zu entwickeln, abzuwandern oder zu sterben. ImKälte stellt für alle Tiere eine lebensbedrohliche Situation dar. Erleiden sie einen schwerwiegenden Wärmeverlust, stellt sich der Zustand eines Kältekomas ein. Hält dieser Zustand über einen längeren Zeitraum an, folgt unweigerlich der Tod. Poikilotherme (z.B. Insekten) weisen ein schmaleres optimales Temperaturfenster als Homoiotherme (z.B. Säugetiere) auf, wodurch sie ihre kritische Körpertemperatur schneller erreichen. Dadurch waren Poikilotherme gezwungen entweder Überlebenstrategien zu entwickeln, abzuwandern oder zu sterben. Im Gegensatz zu den meisten anderen Insektenarten, ist die Westliche Honigbiene Apis mellifera in der Lage einen Superorganismus zu bilden, in dem Arbeiterbienen durch den koordinierten Einsatz ihrer Flugmuskeln für Erwärmung oder Abkühlung sorgen. In Analogie zur Körpertemperatur von Homoiothermen, ermöglicht dies die exakte Kontrolle der Kerntemperatur des Bienenstocks. Um unter den rauen Bedingungen in der nördlichen Hemisphäre bestehen zu können, muss eine ununterbrochene Einsatzbereitschaft des thermogenen Mechanismus der Honigbiene garantiert werden. Dabei ist die Honigbiene in der Lage durch Zittern der Flugmuskulatur Wärme zu erzeugen. In dieser Dissertation stelle ich die molekularen und neurochemischen Grundlagen des thermogenen Muskelzitterns bei Honigbienenarbeiterinnen vor. In diesem Zusammenhang habe ich die Signalwege von verschiedenen biogenen Aminen untersucht und konnte demonstrieren, dass eine Erschöpfung vesikulärer Monoamine den Prozess der Thermogenese beeinflusst und zu einem Absinken der Thoraxtemperatur führt. Unter Einbeziehung veschiedener biogener Amine, konnten Folgeuntersuchungen zeigen, dass dieser Effekt durch Octopamin rückgängig gemacht werden kann. Dies weist eindeutig auf eine Beteiligung des octopaminergen Systems hin. Auf Basis dieser Erkenntnisse folgte die Erforschung des thorakalen octopaminergen Systems der Honigbiene. Dabei erforderte es einen multidisziplinären Ansatz, um weitere Einblicke in die Funktion und Wirkung von Octopamin in der Flugmuskulatur zu gewinnen. Im Zuge dessen, konnten flugmuskelinnervierende octopaminerge Neuronen identifiziert werden, die mutmaßlich die Flugmuskeln mit Octopamin versorgen. Es sind höchstwahrscheinlich diese Neuronen, die für eine Stimulation von Octopamin-β-Rezeptoren verantwortlich sind und wordurch intrazelluläre glykolytische Prozesse eine ausreichende Muskelversorgung gewährleisten. In den darauffolgenden Experimenten habe ich das Ansprechen des thorakalen octopaminergen Systems auf Kältestress untersucht und konnte zeigen, dass dieses System nach einem Gleichgewichtszustand strebt. Dies trifft selbst nach einer starken initialen Stressantwort zu. Meine Ergebnisse verdeutlichen die Bedeutsamkeit des neuromuskulären octopaminergen Systems und zeigen seine erforderliche Resilienz gegenüber exogenen Faktoren. Es konnte die Kälteempfindlichkeit eines Transkriptes des Octopaminrezeptorgens AmOARβ2 nachgewiesen werden. Zusätzlich konnte ich zeigen, dass Honigbienen ohne den sozialen Kontext der Kolonie eine starke physiologische Störung innerhalb des untersuchten Systems und damit auch in Bezug auf ihre Kälteresilienz aufweisen. Meine Dissertation verdeutlicht die enorme Bedeutung des neuromuskulären octopaminergen Systems im Kontext der Thermogenese im Organismus Honigbiene. In diesem Rahmen konnte die bisher unerforschte neurochemische Modulation des Honigbienenthorax aufgeklärt werden. Darüber hinaus bietet meine Arbeit eine Grundlage für künftige Experimente zur Thermogenese und Muskelphysiologie der Honigbiene.…