Heme oxygenase expression and Nrf2 signaling during hibernation in ground squirrels

Mammalian hibernation is composed of long periods of deep torpor interspersed with brief periods of arousal in which the animals, fueled by high rates of oxygen-based thermogenesis in brown adipose tissue and skeletal muscle, power themselves back to euthermic (~37 °C) body temperatures. Strong antioxidant defences are important both for long-term cytoprotection during torpor and for coping with high rates of reactive oxygen species generated during arousal. The present study shows that the antioxidant enzyme heme oxygenase 1 (HO1) is strongly upregulated in selected organs of thirteen-lined ground squirrels (Spermophilus tridecemlineatus) during hibernation. Compared with euthermic controls, HO1 mRNA transcript levels were 1.4- to 3.8-fold higher in 5 organs of hibernating squirrels, whereas levels of the constitutive isozyme HO2 were unchanged. Similarly, HO1 protein levels increased by 1.5- to 2.0-fold in liver, kidney, heart, and brain during torpor. Strong increases in the levels of the Nrf2 transcription factor and its heterodimeric partner protein, MafG, in several tissues indicated the mechanism of activation of hibernation-responsive HO1 gene expression. Furthermore, subcellular distribution studies with liver showed increased nuclear translocation of both Nrf2 and MafG in torpid animals. The data are consistent with the suggestion that Nrf2-mediated upregulation of HO1 expression provides enhanced antioxidant defence to counter oxidative stress in hibernating squirrels during torpor and (or) arousal.

L’hibernation des mammifères se compose de longues périodes de léthargie profonde entrecoupées de brèves périodes de réveil pendant lesquelles les animaux retrouvent une température corporelle euthermique (~37 °C) par une thermogenèse active basée sur la consommation d’oxygène dans le tissu adipeux brun et le muscle squelettique. Des défenses antioxydantes solides sont nécessaires tant pour assurer une cytoprotection tout au long de la léthargie que pour faire face à la forte production d’espèces réactives de l’oxygène au cours des périodes de réveil. La présente étude montre que, durant l’hibernation, l’enzyme antioxydante, hème oxygénase 1 (HO1), augmente considérablement dans certains organes des spermophiles rayés (Spermophilus tridecemlineatus). Comparés aux taux observés chez les témoins euthermiques, les taux d’ARNm transcrits de HO1 ont été d’un facteur 1,4-3,8 plus élevés dans cinq organes des spermophiles hibernants, alors que les taux de l’isoenzyme constitutive HO2 sont demeurés stables. Par ailleurs, les taux de la protéine HO1 ont augmenté d’un facteur 1,5-2,0 dans le foie, le rein, le cœur et le cerveau durant la léthargie. De fortes augmentations des taux du facteur de transcription Nrf2 et de sa protéine partenaire hétérodimère, MafG, dans plusieurs tissus ont exprimé le mécanisme d’activation de l’expression du gène HO1 sensible à l’hibernation. De plus, des examens de la distribution subcellulaire dans le foie ont montré une augmentation de la translocation nucléaire de Nrf2 et de MafG chez les animaux en léthargie. Les résultats sont en accord avec l’hypothèse qui veut qu’une augmentation de l’expression de HO1 véhiculée Nrf2 fournit une défense antioxydante accrue contre le stress oxydatif dans les spermophiles hibernants durant les périodes de léthargie ou de réveil, ou durant les deux périodes.