The role of exercise, caloric restriction on protein stability and epigenetics: role of sirtuins  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
112810
Type K
Principal investigator Radák, Zsolt
Title in Hungarian A fizikai aktivitás és kalória megvonás szerepe a fehérje stabilitásra és epigenetikára: szirtuinok szerepe
Title in English The role of exercise, caloric restriction on protein stability and epigenetics: role of sirtuins
Keywords in Hungarian szirtuinok, edzés, redox jelátvitel, hiszton fehérjék, acetiláció/deacetiláció, ubiquitináció, karboniláció, proteaszóma
Keywords in English sirtuins, exercise, redox signalling, histone proteins, acetylation/deacetylation, ubiquitination, carbonylation, proteasome
Discipline
Analysis, modelling and simulation of biological systems (Council of Medical and Biological Sciences)40 %
Cell differentiation, physiology and dynamics (Council of Medical and Biological Sciences)30 %
General biochemistry and metabolism (Council of Medical and Biological Sciences)30 %
Ortelius classification: Molecular biology
Panel Cellular and Developmental Biology
Department or equivalent Research Institute of Sport Sciences (Hungarian University of Sports Science)
Participants Ábrahám, Dóra
Bori, Zoltán
Felszeghy, Klára
Koltai, Erika
Marton, Orsolya
Murlasits, Zsolt
Nyakas, Csaba
Pajk, Melitta
Rácz, Levente
Torma, Ferenc Gergely
Starting date 2015-01-01
Closing date 2019-12-31
Funding (in million HUF) 29.760
FTE (full time equivalent) 29.59
state closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A fehérjék lizin csoportjai acetilálódhatnak, ubiquitinálódhatnak, karbonilálódhatnak, mely változások jelentősen hatnak a fehérjék aktivitására és stabilitására. Jelenleg azonban nem világos, hogy van-e kapcsolat a fehérjék poszttranszlációs módosulásai között, és ebben milyen szerepet kapnak a szirtuinok, mint lizin deacetilázok. A testedzés és kalória visszafogás csökkentik a fehérjék élettartamát, befolyásolják az öregedés ütemét és okozhatnak epigenetikai változásokat is. Vizsgálatainkat fiatal, idős, kontroll, edzett, kalória visszafogott, SIRT1 gátolt és serkentett patkányokon végezzük el, majd a gastrocnemius izomból sejtkultúrát is készítünk. A sejtkultúráknál további manipulációkkal befolyásoljuk a poszttranszlációs változásokat, a fehérje stabilitást. Edzett és kalória visszafogott állatok utódainál megvizsgáljuk a hiszton fehérjék acetilációját, ubiquitinációját, karbonilálódását, agyi funkcióit és VO2max-át. Az agyból és vázizomból vett mintákból hisztokémiai, és molekuláris biológiai módszerekkel (RT-PCR, Western Blot, kromatin immunoprecipitáció, aktivitás és tömeg spektrofotometrias mérések) végezzük a méréseinket. Az eredmények ismeretében kiderülhet, hogy a poszttranszlációs változások között van-e kapcsolat, ez mennyiben manipulálható természetes és kémiai eszközökkel és milyen hatása van bizonyos élettani funkciókra és az öregedés folyamatára. Megtudhatjuk, hogy bizonyos életmód elemeink milyen hatással vannak utódainkra az epigenetikus változások miatt. Kiderülhet a testedzés és kalória visszafogás poszttranszlációs mechanizmusokon kifejtett hatása az öregedés folyamatában.

Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
A lizin láncok acetilációja, ubiquitinációja vagy karbonilálódása jelentősen befolyásolja a fehérjék aktivitását vagy stabilitását. Kimutattuk, hogy idős emberek vázizmában és idős állatok agyában nő a fehérjék acetilációs szintje, de ennek még nem tudott az élettani hatásmechanizmusa. Az is ismert, hogy az életkorral nő a karbonil kötések mennyisége a fehérjékben és azt gondoljuk, hogy az acetiláció megakadályozhatja a ubiquitinációt és így a lebontást, ami hosszabb fehérje élettartamot eredményezhet és így, nagyobb oxidatív sérülést tesz lehetővé, ami csökkenti az élettani funkciókat. Ez a folyamat még csak részleteiben ismert, tudott tény, hogy az acetiláció hat a stabilitásra, de ez valószínűleg fehérje specifikus folyamat.
Vizsgálataink segítségével természetes (testedzés és kalória visszafogás) és kémiai (rezveratrol, nicotinamide, H2O2 adagolás, stb) úton manipuláljuk a fehérjék acetilációs szintjét, a SIRT1 aktivitást és vizsgáljuk a fehérjék stabilitását. Megpróbáljuk feltárni, hogy a poszttranszlációs változások között van-e kapcsolat, illetve hogy miként változik a fehérjék stabilitása és mi az élettani hatása az emelkedett életkor-függő acetilációnak. Kapcsolódó méréseinkben azt vizsgáljuk, hogy a testedzés és kalória visszafogás a terhesség előtt és alatt okoz-e epigenetikai változásokat a hiszton fehérjéken az utód állatokban és lesz-e különbség az agyi és állóképességi tesztekben a kontroll és manipulált állatok között. Ez sokat mondhat az életmód utódokra gyakorolt hatásairól molekuláris biológiai módszerekkel megtámogatva.

Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
A vizsgálat várható eredményei segítenek megérteni a fehérjék poszttranszlációs módosulásainak jellegét, okait és következményeit a fehérjék stabilitására és az öregedési folyamatra. Ezen folyamatok ismeretében, lehetőség nyílhat olyan tervszerű, célzott manipulálásra, melyek kívánalmaink szerint módosíthatják a fehérjék reverzibilis változásait és így lehetőség nyílhat az öregedés ütemének esetleges befolyásolására, vagy bizonyos betegségek kezelésére is. Az epigenetikai vizsgálataink eredményei után megismerhetjük, hogy vajon a testedzés és kalória visszafogás hagy-e olyan nyomokat az utódok hiszton fehérjéin, melyeknek élettani hatásai vannak. Ha igen, az nagyban segíthet a rendszeres testedzés és a táplálkozás fontosságának tudatosításában, mely az utódokra is hathat. Ennek fontos társadalmi kihatásai lehetnek, hiszen jelentősen növelheti azok számát, akik az egészséges életmódot választják az utódaik miatt is, és így az életmód-függő betegségek előfordulása, és az azokra költött összegek is jelentősen csökkenhetnek.

A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
Öregedéssel nő a fehérjék élettartama és az elszenvedett oxidatív sérülés nagysága, amely jelentősen csökkentheti a fehérjék, sejtek és szervek funkcióját is. A szirtuin fehérjék jelentősen befolyásolják az öregedés ütemét azzal, hogy elveszik a fehérjék lizin láncairól az acetil csoportot. Azt feltételezzük, hogy az acetil csoport léte befolyásolhatja a fehérjék lebontási ütemét és hathat a funkcióra és az élettartamra is. Azért vizsgáljuk majd a rendszeres testedzést és kalória visszafogást végzett állataink agy és izom szövetét, mert tudott, hogy ez a két intervenció növeli a laboratóriumi állatok élettartamát és csökkenti a fehérjék élettartamát. Fiatal és idős állatoknál serkentjük és gátoljuk a szirtuin fehérjéket és megvizsgáljuk élettani funkciójukat és a fehérjék lebomlási ütemét. Vázizmukból nyert sejtjeiken több manipulációs eljárással megvizsgáljuk, hogy a többféle fehérje módosulás között van-e kapcsolat, és hogy ebben milyen szerepet játszik az oxidatív stressz, a szirtuinok, az életkor, a testedzés és a kalória visszafogás. Kapcsolódó vizsgálatunkban pedig azt nézzük meg, hogy a terhesség alatti testedzés és kalória visszafogás milyen hatással bír az utódok agyi és állóképességi funkcióira patkányokon. A hiszton fehérjéken létrejövő reverzibilis változások, az acetil csoportok mennyisége és helye befolyásolhatja az életmóddal kapcsolatos bizonyos tulajdonságok epigenetikus „átörökítését”, tehát nyomot hagyhatnak az utódokon. Vizsgálataink segítségével fontos információkat kaphatunk arról, hogy a fehérjék reverzibilis változásai között van-e kapcsolat és hogy ez miként változik öregedés alatt, és mennyire változtatható természetes és kémiai eszközökkel.
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
The posttranslational changes on lysine residues, such as acetylation, ubiquitination, carbonylation strongly influence protein activity and stability. The possible cross talk between these translational modifications is not known and the role of sirtuins, which are powerful lysine deacetylases, is also vague. Regular exercise and caloric restriction decrease the half-life of proteins, enhance mean or maximal life-span, and result in epigenetic modifications. Our studies will be carried out on young, old, control, trained, caloric restricted, SIRT1 inhibited or induced rats. We will grow primary cell cultures from the gastrocnemius muscle of these rats. On the cell cultures, further manipulation to alter protein stability will be completed. The levels of histone acetylation, ubiquitination, carbonylation in the brain and skeletal muscle of the offspring animals of trained and caloric restricted rats will be investigated. Brain functions and VO2max of the mothers and offspring will also be assessed and brain and skeletal muscle using RT-PCR, Westen blots, activity assays, immunoprecipitation, chromatin immunoprecipitation and mass spectrophotometry will be assayed. It is expected that the results of these studies will enlighten us as to whether a relationship exists between posttranslational modifications and the extent to which these changes can be modulated by natural tools and chemical agents. Moreover, the physiological meaning of these modifications will be evaluated in the aging model as well. We expect to learn whether exercise and caloric restriction would result in epigenetical changes and whether exercise and caloric restriction affect the progress of aging.

What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
Acetylation, ubiquitination and carbonylation of lysine residues affect the activity and stability of protein. We have reported that aging increases the level of lysine acetylation in skeletal muscle of aged individuals and in the brain and skeletal muscle of aged rats. Aging also increases the level of protein carbonylation and we suggested that acetylation could prevent ubiquitination of the same residue and this leads to increased half-life of the proteins and results in increases in oxidative protein damage and impaired cell and organ function. This suggestion needs validation. We will manipulate the level of acetylation, SIRT1 activity and protein stability using natural tools (exercise and caloric restriction) and by chemical agents (resveratrol, nicotinamide, H2O2). We hope to understand the meaning of age-associated increases in lysine acetylation, and the possible cross talk between different types of posttranslational modifications. In a related study we will train and caloric restrict animals before and during pregnancy and study the posttranslational modifications of histone proteins in the brain and skeletal muscle samples of offspring animals. In addition, we will measure brain function and VO2max of mothers and offspring. We hope to better understand the impact on the life span of offspring.

What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
The results of these studies would allow us to better understanding the characteristics of posttranslational modification on protein stability and aging. These results could provide new strategies to manipulate protein stability affecting the progress of aging and a variety of diseases. The results of the epigenetical study would allow for a better understanding of the impact of exercise training and caloric restriction on some physiological and biochemical parameters of offspring. These results could significantly increase public awareness towards a healthy life style since the consequences could affect the next generation as well.

Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
As a result of aging, the half-life of proteins is significantly increased along with oxidative damage to proteins, leading to impaired physiological functions in cells and organs. Sirtuin proteins are important lysine deacetylases and are implicated in the aging process. We have suggested that lysine acetylation could decelerate the degradation of proteins. It is known that exercise and caloric restriction increase the life-span of laboratory animals and decrease the half-life of proteins. We intend to inhibit or activate sirtuins in young and old rats and will study the possible cross talk between posttranslational modifications and the role of sirtuins, aging, oxidative stress, exercise and caloric restriction, in brain and skeletal muscle. In our other study, the effects of exercise and caloric restriction, before and during pregnancy, will be investigated in brain as well as the endurance capacity of the offspring. Moreover, we will study some important changes in histone proteins, the level and site specific acetylation. Our results would provide important information on how the life style of parents could affect certain physiological functions in the offspring.




 

Final report

  
Results in Hungarian
Felismertük, hogy a NAM adagolás a különböző életkorban és táplálkozás alatt más és más mértékben hat a SIRT1 lizin deacetiláló enzim mennyiségére és aktivitásara. Így a NAM adminisztráció által indukált változások a SIRT1 által szabályozott sejti anyagcsere és jelzőfolyamatokre komplexek és nem uniformizálhatóak. Adatainkból az tűnik ki, hogy a NAM adagolásnak komplex hatásai vannak, amelynek jó része még ismeretlen. Az előzetes elvárásokkal szemben, csalódottunk a NAM adagolás hatásaiban, ugyanis azok nagyon vegyesek. Nem látszik tisztán a SIRT gátló hatás, sőt néha még serkent is a SIRT1-t. Több vizsgálat eredményeit igy nem is publikáltunk, mert adataink nagyon vegyesek, és esetlegesnek tűnnek. Több szervet is vizsgáltunk (agy, vázizom és máj), de sajnos egyik szerveben sem egyértelműek a hatások. A testedzés vagy a kalória visszafogás sem tette egyértelművé a NAM adagolás hatásmechanizmusát vizsgálataink szerint, holott mindkettő ismerten serkenti a SIRT1 mennyiségét és aktivitását. Ezen okok miatt viszonylag szerény az NAM adagolással kapcsolatos cikkünk száma (születik belőle PhD értekezés), de a SIRT1 és testedzés hatás mechanizmusaival foglalkozó cikkeinkben feltüntettük az OTKA támogatást és így összeségében publikációs oldalról sikeresen fejeztük be a jelen pályázatot.
Results in English
We have found that NAM administration affects the amount and activity of the lysine deacetylating enzyme SIRT1 to different degrees at different ages and diets. Thus, the changes induced by NAM administration to SIRT1-regulated cellular metabolism and signaling processes are complex and cannot be uniformized. It appears that NAM adminstration has complex effects, much of which is still unknown. In 2019, no substantive work was done, we only managed to publish some new papers. Contrary to previous expectations, we were disappointed with the effects of NAM administration, as they are very mixed. The inhibitory effect of SIRT is not clearly seen, and sometimes even stimulated SIRT1. Thus, we did not even publish the results of several studies because our data are very mixed and many times confusing. We examined several organs (brain, skeletal muscle and liver), but unfortunately the effects are not clear in any of the organs. Neither exercise nor calorie restriction clarified the mechanism of action of NAM administration at least in our studies, although both are known to stimulate the amount and activity of SIRT1. For these reasons, the number of our articles on NAM administration is relatively modest (however it results a PhD dissertation), but in our articles on SIRT1 and exercise mechanisms we indicated OTKA support and thus successfully completed the present application from a publication point of view.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=112810
Decision
Yes





 

List of publications

  
Zaaldini MM, Koltai E, Csende Z, Goto S, Boldogh I, Taylor AW, Radak Z.: Exercise training increases anabolic and attenuates catabolic and apoptotic processes in aged skeletal muscle of male rats., Experimental Gerontology, 2015
Radak Z, Suzuki K, Higuchi M, Balogh L, Boldogh I, Koltai E: Physical exercise, reactive oxygen species and neuroprotection., Free Radic Biol Med, 2016
3. Marton O, Koltai E, Takeda M, Mimura T, Pajk M, Abraham D, Koch LG, Britton SL, Higuchi M, Boldogh I, Radak Z.: The rate of training response to aerobic exercise affects brain function of rats, Neurochem. Int., 2016
Koltai E, Bori Z, Chabert C, Dubouchaud H, Naito H, Machida S, Davies KJ, Murlasits Z, Fry AC, Boldogh I, Radak Z.: SIRT1 may play a crucial role in overload-induced hypertrophy of skeletal muscle., J Physiol. 2017 Jun 1;595(11):3361-3376. doi: 10.1113/JP273774. Epub 2017 Apr 28., 2017
Radak Z, Ishihara K, Tekus E, Varga C, Posa A, Balogh L, Boldogh I, Koltai E.: Exercise, oxidants, and antioxidants change the shape of the bell-shaped hormesis curve., Redox Biol. 2017 Aug;12:285-290. doi: 10.1016/j.redox.2017.02.015., 2017
Pajk M, Cselko A, Varga C, Posa A, Tokodi M, Boldogh I, Goto S, Radak Z.: Exogenous nicotinamide supplementation and moderate physical exercise can attenuate the aging process in skeletal muscle of rats., Biogerontology. 2017 Aug;18(4):593-600. doi: 10.1007/s10522-017-9705-9., 2017
Radak Z, Torma F, Berkes I, Goto S, Mimura T, Posa A, Balogh L, Boldogh I, Suzuki K, Higuchi M, Koltai E.: Exercise effects on physiological function during aging., Free Radical Biology and Medicine, 2019
Abraham D, Feher J, Scuderi GL, Szabo D, Dobolyi A, Cservenak M, Juhasz J, Ligeti B, Pongor S, Gomez-Cabrera MC, Vina J, Higuchi M, Suzuki K, Boldogh I, Radak Z.: Exercise and probiotics attenuate the development of Alzheimer's disease in transgenic mice: Role of microbiome, Experimental Biology, 2019
Ferenc Torma , Zoltan Gombos , Marcell Fridvalszki , Gergely Langmar , Zsofia Tarcza , Bela Merkely , Hisashi Naito , Noriko Ichinoseki-Sekine , Masaki Takeda , Zsolt Murlasits , Peter Osvath, Zsolt Radak: Blood flow restriction in human skeletal muscle during rest periods after high-load resistance training down-regulates miR 206 and induces Pax7, Journal of Sport and Health Science, 2019
Ricardo A. Pinho, Aderbal S. Aguiar, Jr. and Zsolt Radák: Effects of Resistance Exercise on Cerebral Redox Regulation and Cognition: An Interplay Between Muscle and Brain, Antioxidants, 2019
Zsolt Radak , Katsuhiko Suzuki, Aniko Posa, Zita Petrovszky , Erika Koltai , Istvan Boldogh: The systemic role of SIRT1 in exercise mediated adaptation, Redox Biology, 2020
FerencTorma, Zoltan Gombos, Matyas Jokai Istvan Berkes, Masak Takeda, Tatsuya Mimura, Zsolt Radak, Ferenc Gyori: The roles of microRNA in redox metabolism and exercise-mediated adaptation, Journal of Sport and Health Science, 2020
Helong Quan, Erika Koltai, Katsuhiko Suzuki, Aderbal S Aguiar Jr, Ricardo Pinho, Istvan Boldogh, Istvan Berkes, Zsolt Radak: Exercise, redox system and neurodegenerative diseases, Biochemica Biophysica Acta, 2020
Tímea Téglás , Dóra Ábrahám , Mátyás Jókai, Saki Kondo, Rezieh Mohammadi, János Fehér, Dóra Szabó, Marta Wilhelm, Zsolt Radák: Exercise combined with a probiotics treatment alters the microbiome, but moderately affects signalling pathways in the liver of male APP/PS1 transgenic mice, Biogerontology, 2020



Back »