Abstract

Seasonal animal species utilize various adaptive mechanisms to survive in different environments and conditions. This thesis work examines metabolic regulation in two animal models with seasonal adaptations. The raccoon dog is a canid species originating from East Asia that has also been introduced to Europe and is rapidly dispersing. Genetic changes that have enabled the adaptation to new environments were evaluated by comparing the transcriptome profiles of raccoon dogs from the original habitation areas in South Korea and Japan to the more recent introduction area in Finland. The results revealed novel aspects on the history of the raccoon dog and on the genes that might have aided in the diversification process. During the cold winter season, the raccoon dog can enter a state of winter lethargy, characterized by reduced activity and modest body temperature reduction. The role of thermoregulation in the energy homeostasis was evaluated, and our results demonstrated a lack of BAT and UCP1-dependent thermogenesis in the adult raccoon dog, indicating resilience to cold weather. The reindeer is a semi-domesticated ruminant species that spends the winter actively ranging and foraging for food sources. The transcriptome profiles were compared along with metabolic and thermoregulatory markers from reindeer populations in Finland and Siberia at different seasons. Our results identified candidate genes involved in the immune response, fat deposition, and energy metabolism as well as the potential for UCP1-dependent thermogenesis in the adipose tissues, which have likely contributed to the adaptation to arctic environments. Raccoon dogs prepare for winter by seasonal hyperphagia and can survive long periods of fasting relying on the accumulated adipose tissues. These opposite conditions were studied, and the results revealed that the studied key central and peripheral regulatory peptides and plasma metabolic profiles remained similar after autumnal fattening and winter fasting. Also, no inflammatory response characteristic of human obesity was induced by the autumnal fattening. The adaptive changes in the physiology and metabolism make seasonally adaptive animal species promising targets for further studies on the mechanisms regulating metabolism and on the roles of adipose tissue.

Tiivistelmä

Vuodenaikaisvaihteluille altistuvat eläimet hyödyntävät erilaisia sopeutumismekanismeja selviytyäkseen vaativissa olosuhteissa. Tässä väitöskirjatutkimuksessa tarkasteltiin aineenvaihdunnan säätelyä kahdessa eläinmallissa, jotka altistuvat suurille vuodenaikaisvaihteluille. Supikoira on Itä-Aasiasta kotoisin oleva eläinlaji, jota esiintyy laajasti vieraslajina myös Euroopassa. Uusiin ympäristöihin sopeuttavia geneettisiä muutoksia arvioitiin vertaamalla alkuperäisten elinalueiden Etelä-Korean ja Japanin supikoirien, sekä Suomen supikoirien transkriptomi-profiileja. Tutkimuksesta saatiin uutta tietoa supikoiran historiasta ja geeneistä, jotka ovat mahdollisesti edistäneet uusiin ympäristöihin sopeutumista. Kylmän talvikauden aikana supikoiran tiedetään kykenevän kevyeen horrostilaan, jolloin aktiivisuus ja kehon lämpötila laskevat vain vähän. Tarkastelimme myös lämmönsäätelyn roolia supikoiralla ja havaitsimme, että aikuisilla supikoirilla ei ole lämpöä tuottavaa UCP1-riippuvaista ruskeaa rasvakudosta tai beigeä rasvaa. Poro on puolikesytetty märehtijä, joka viettää talven aktiivisesti liikkuen ja etsien ravintoa. Vertasimme Suomen ja Siperian poropopulaatioiden transkriptomi-profiileja sekä aineenvaihduntaan ja lämmönsäätelyyn vaikuttavia tekijöitä eri vuodenaikoina. Tutkimuksessa havaitsimme porojen rasvakudoksella olevan potentiaalia UCP1-riippuvaiseen lämmöntuotantoon sekä useita ehdokasgeenejä, jotka liittyvät immuunivasteeseen, rasvan kertymiseen ja energia-aineenvaihdunnan säätelyyn. Näiden tekijöiden vaihtelu vuodenaikojen välillä on voinut edistää poron sopeutumista arktisiin ympäristöihin. Supikoirat valmistautuvat talveen hyperfagian avulla ja selviävät pitkiäkin paastojaksoja kertyneen rasvakudoksen turvin. Näiden kahden ääri-ilmiön vaikutusta tutkittiin ravinnonoton ja aineenvaihdunnan säätelyssä supikoiralla. Tulosten mukaan analysoidut keskushermoston- ja perifeeriset säätelypeptidit sekä plasman aineenvaihduntaprofiilit pysyivät tasapainossa syksyn lihomiskauden ja talven paastojakson jälkeen. Syksyn lihomiskausi ei myöskään aiheuttanut ihmisen liikalihavuudelle ominaista tulehdusreaktiota. Vuodenaikaisvaihteluille altistuvien eläinlajien fysiologisten sopeutumien tutkiminen voi tuoda arvokasta lisätietoa aineenvaihdunnan säätelymekanismeista ja rasvakudoksen tehtävistä.

Osajulkaisut / Original papers

Osajulkaisut eivät sisälly väitöskirjan elektroniseen versioon. / Original papers are not included in the electronic version of the dissertation.

1. Schulz, I. E., Wietlisbach, X. A., Niiranen, L., Sakthikumar, S., Galimberti, M., Freedman, A. H., Berglund, J., Laine, V. N., Molak, M., Saeki, M., Hasan, S., Kimura, J., Eo, K. Y., Kauhala, K., Webster, M. T., Walkowiak, J., Saarela, S., Koepfli, K.-P., Thomassen, H. A., ... Thalmann, O. (2022). Deep divergence and corresponding adaptive evolution of Asian raccoon dogs (Nyctereutes procyonoides). Manuscript in preparation.

2. Niiranen, L., Mäkelä, K. A., Mutt, S. J., Viitanen, R., Kaisanlahti, A., Vicente, D., Noponen, T., Autio, A., Roivainen, A., Nuutila, P., Saarela, S., & Herzig, K.-H. (2021). Role of brown and beige adipose tissues in seasonal adaptation in the raccoon dog (Nyctereutes procyonoides). International Journal of Molecular Sciences, 22(17), 9623. https://doi.org/10.3390/ijms22179623

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

3. Weldenegodguad, M., Pokharel, K., Niiranen, L., Soppela, P., Ammosov, I., Honkatukia, M., Lindeberg, H., Peippo, J., Reilas, T., Mazzullo, N., Mäkelä, K. A., Nyman, T., Tervahauta, A., Herzig, K.-H., Stammler, F., & Kantanen, J. (2021). Adipose gene expression profiles reveal insights into the adaptation of northern Eurasian semi-domestic reindeer (Rangifer tarandus). Communications Biology, 4(1), 1170. https://doi.org/10.1038/s42003-021-02703-z

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

4. Niiranen, L., Mäkelä, K. A., Dona, A., Krumsiek, J., Karhu, T., Mäkinen, M. J., Thalmann, O., Saarela, S., & Herzig, K.-H. (2021). Seasonal regulation of metabolism: The effect of wintertime fasting and autumnal fattening on key central regulators of metabolism and the metabolic profile of the raccoon dog (Nyctereutes procyonoides). International Journal of Molecular Sciences, 22(9), 4965. https://doi.org/10.3390/ijms22094965

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version