Year: 2021
Type: dissertation
Abstract: Veroudering wordt gedefinieerd als een progressieve, structurele en functionele achteruitgang die leidt tot een verhoogde vatbaarheid en kwetsbaarheid voor ziektes, hetgeen uiteindelijk leidt tot de dood.Dit onverbiddelijke process is universeel aanwezig bij bijna alle levende organismen.Het begrijpen van dit proces blijft één van de grootste uitdagingen in de wetenschap.Doorheen de afgelopen decennia heeft het vakgebied van de gerontologie revoluties doorgemaakt door de ontdekking dat veroudering gemanipuleerd kan worden door verschillende genetische, farmacologische en omgevingsinterventies.Veel van onze kennis van het verouderingsproces is afkomstig van experimenteel werk in modelorganismen zoals bakkersgist (Saccharomyces cerevisiae), invertebraten (bv.de rondworm Caenorhabditis elegans en de fruitvlieg Drosophila melanogaster) en zoogdieren (bv.de muis Mus musculus).Hierin is C. elegans naar voor geschoven als prominent modelorganisme voor verouderingsonderzoek vanwege zijn korte levenduur, zijn volledig gesequeneerd en geannoteerd genoom en goed gekende biologie.C. elegans onderzoek heeft geleid tot de ontdekking van honderden genen die betrokken zijn in de regulering van de levensduur.Het meest bestudeerde en best gekende signaaltransductiepad met betrekking tot veroudering is het insulin/insulin-like growth factor 1 (IGF-1) signaaltransductiepad (IIS).IIS is een evolutionair geconserveerde fosforylatiecascade die de groei, het metabolisme en de reproductie reguleert als reactie op de aanwezigheid van nutriënten in alle eukaryoten.Een verlaging van IIS, vanwege een hypomorfe mutatie in daf-2 (receptor tyrosinekinase homoloog), verdubbelt de levensduur in volwassen C. elegans individuen en veroorzaakt een verhoogde resistentie aan vele vormen van stress.Dit effect is afhankelijk van de FOXO transcriptiefactor DAF-16.Ook in de natuur wordt DAF-16 geactiveerd vanwege een verlaging van IIS.Dit wordt veroorzaakt door een hoge populatiedensiteit, tekort aan voedsel of hoge omgevingstemperaturen en zet jonge C. elegans larven aan om te ontwikkelen in een gespecialiseerd, lang-levend en stressbestendig diapausestadium: de dauerlarven.daf-2 mutanten en dauerlarven bezitten zeer gelijkaardige genexpressiepatronen en ze ondergaan gelijkaardige grootschalige herstructureringen van hun metabolisme.De belangrijkste metabole veranderingen zijn een verlaging van het eiwitmetabolisme, accumulatie van koolstofrijke componenten (triglyceriden en koolhydraten), activatie van de glyoxylaatcyclus en het verschuiven van het stikstofmetabolisme in de richting van aminozuurkatabolisme en urinezuuraccumulatie. Deze herstructurering van het intermediair metabolisme is een evolutionair geconserveerde strategie van kleine organismen met beperkte mobiliteit (bv.gist, sommige planten en sommige invertebraten) om te overleven in een extreem veranderende omgeving.In deze thesis hebben we de relevantie onderzocht van de dauer-achtige metabole verschuiving voor de levensduur en stressbestendigheid in de C. elegans daf-2(e1370) mutant door te focussen op de rol van sterk geaccumuleerde metabole eindproducten: vet, koolhydraten en urinezuur.Accumulatie van grote hoeveelheden vet in de darm en hypodermis wordt verondersteld één van de meest prominente eigenschappen van de daf-2 mutant te zijn.Echter, in tegenstelling tot eerdere studies ontdekten wij dat daf-2 mutanten geen verhoging in de novo vetzuursynthese of vetaccumulatie vertonen in vergelijking met het wild type.Ondanks de afwezigheid van een duidelijk vetfenotype in voedselrijke condities, toonden daf-2 mutanten efficiëntere, dauer-achtige rantsoenering van hun vetreserve in voedselarme condities.Bovendien veroorzaakte de onderdrukking van verschillende genen die betrokken zijn in de novo lipogenese en lipolyse een gedeeltelijke vermindering van de stressresistentie en, in het geval van sommige genen, een levensduurverlenging in daf-2 mutanten, terwijl deze een minimaal tot geen effect hebben op algemene vetniveaus.Onze data suggereert dus vi dat het verhoogde vetgehalte in daf-2 niet vereist is om zijn levensduur en stressresistentie te ondersteunen.We toonden, overeenkomstig met eerdere studies, ook een sterke stijging aan in trehaloseniveaus bij daf-2 mutanten.Trehalose is een dissacharide van glucose waarvan reeds is aangetoond dat het deels de daf-2 levensduur en hittestressresistentie ondersteunt, en essentieel is voor de uitdrogingstolerantie bij dauerlarven.Onze experimentele data tonen dat hoge endogene trehaloseniveaus in daf-2 mutanten geen effect hebben op de levensduur, maar specifiek de daf-2 hyperosmotische stressresistentie ondersteunen, en in beperkte mate ook de thermotolerantie.Onze data suggereert ook dat dit laatstgenoemde fenotype afhankelijk zou kunnen zijn van het synergistische effect tussen trehalose enerzijds en het intrinsiek ongestructureerd eiwit LEA-1 anderzijds.LEA-1 is een stressbeschermend eiwit waarvan aangetoond werd dat dit opgereguleerd wordt in daf-2 mutanten.Echter, zoals we in onze studie ontdekt hebben, heeft deze opgeregulatie niet tot doel de levensduur te ondersteunen, maar verhoogt deze enkel de resistentie tegen hitte en osmotische stress.Bovendien hebben we bevestigd dat glycogeen, een meervoudig vertakt polysaccharide van glucose, zich opstapelt in grote hoeveelheden in daf-2 mutanten, maar dat dit suiker ook overbodig is voor de daf-2 levensduur en specifiek nodig is als bescherming tegen osmotische stress.Het exacte mechanisme waarmee glycogeen hyperosmotsiche stressresistentie veroorzaakt moet nog verder uitgeklaard worden.Het zou een eenvoudig toegankelijk glucosereservoir kunnen zijn voor de synthese van trehalose, en mogelijks glycerol, welke beide dienen als osmolyten.We hebben ook ontdekt dat grote glycogeenaccumulaties functioneren als vitale energiebronnen die snel kunnen gemobiliseerd worden in uitgehongerde daf-2 mutanten.Tot slot hebben we enkel een bescheiden stijging waargenomen van urinezuurniveaus in daf-2 mutanten, maar we toonden aan dat XDH-1 (xanthine dehydrogenase) een sleutelenzym is voor de urinezuursynthese in C. elegans.De gen-inactivatie van xdh-1 verlaagde daf-2 urinezuurniveaus in vergelijking met het wild type, maar het had geen effect op de levensduur.Echter, de inactivatie van xdh-1 verlaagde de daf-2 resistentie tegen osmotische stress drastisch.Dit effect is in het bijzonder intrigerend en zou gerelateerd kunnen zijn aan een metabole omschakeling van ammoniak naar urinezuur, als een vorm van stikstofexcretie.Dit moet echter nog experimenteel getest worden.Tot slot hebben we ontdekt dat een sterk opgereguleerd kandidaat glutamaat synthase (W07E11) geen effect heeft op de daf-2 levensduur, maar specifiek bescherming oplevert tegen UV stress door een nog onbekend mechanisme.Samenvattend kunnen we besluiten dat het gewijzigd metabolisme in daf-2 mutanten voornamelijk dient voor de verhoogde stressresistentie, en niet de levensduur.Hiermee sluiten we dus aan bij het groeiend aantal studies die deze twee fenotypes in langlevende mutanten ontkoppelen.
Author: Aleksandra Zečić
Language: English
Subfield: Aging
Domain: Life Sciences
Open Access status: green
OpenAlex ID: W3178523835