Az autofág gének szerepe az öregedési folyamat szabályozásában a fonálféreg Caenorhabditis elegansban
Title in English
Coordinated regulation of ageing by autophagy genes in the nematode Caenorhabditis elegans
Keywords in Hungarian
élethossz, autofágia, Caenorhabditis elegans
Keywords in English
life span, autophagy, Caenorhabditis elegans
Discipline
Cell genetics (Council of Medical and Biological Sciences)
90 %
Cell biology and molecular transport mechanisms (Council of Medical and Biological Sciences)
10 %
Panel
Cellular and Developmental Biology
Department or equivalent
Department of Genetics (Eötvös Loránd University)
Starting date
2007-07-01
Closing date
2010-07-31
Funding (in million HUF)
8.400
FTE (full time equivalent)
1.19
state
closed project
Summary in Hungarian
Az állatok élethosszának szabályozásában az alábbi konzervált biológiai folyamatok vesznek részt: az inzulin/IGF-1 (insulin-like growth factor-1) jelátviteli rendszer, a TOR (target of rapamycin) kináz által közvetített genetikai útvonal, kalóriaszegény tápanyagfelvétel (caloric restriction), mitokondriális légzés és ATP termelés, csíravonal aktivitás, a „clock” genetikai útvonal, valamint a programozott sejthalál (apoptózis). Az, hogy vajon ezek a mechanizmusok elkülönülten vagy együtt hatnak az öregedési folyamat kontrollálásában a biológiai megismerésünk egyik alapvető és izgalmas kérdése. Az utóbbi évek kísérletes eredményei azt mutatják, hogy az autofágia, amely az eukarióta sejtek szabályozott önemésztő folyamata, a különböző élethossz útvonalak kivitelező (downstream) mechanizmusaként működik számos biológiai folyamat irányításában. Ez felveti annak lehetőségét, hogy az öregedést befolyásoló tényezők hatása az autofág génkaszkádon integrálódik. E pályázat keretében az öregedési folyamat autofág géneken keresztül történő koordinált szabályozásának megismerésére teszek javaslatot. Genetikai megközelítésem három pillérre támaszkodik: i, autofág gének inaktiválása elsődlegesen a fonalféreg Caenorhabditis elegansban, valamint a gyümölcslégy Drosophila melanogasterben, mutánsok izolálásával és géncsendesítéssel (RNS interferencia); ii, élethossz mérések és sejtöregedési folyamatok molekuláris jellemzése autofágia-defektív féreg és légy törzsekben; iii, episztatikus viszonyok és jelátviteli útvonal kapcsolatok (genetikai interakciók) meghatározása kettős mutáns törzsek klasszikus és molekuláris genetikai analízisével.
Summary
Life-span in divergent animal phyla is regulated by different processes including insulin/IGF-1 signalling, the TOR kinase-mediated signalling pathway, mitochondrial function, caloric restriction, germ-line activity, the clk pathway and programmed cell death (apoptosis). Whether these processes are distinct or act in a concerted manner in controlling ageing is a fundamental and fascinating issue in biology. Accumulating evidence suggests that autophagy, a regulated way of cellular degradation by which eukaryotic cells consume parts of their contents during development and to survive starvation, may integrate the different longevity signals and thus mediate senescence. Here I propose a 3-leg-based genetic approach to explore the role of autophagy genes in the ageing process of the nematode Caenorhabditis elegans: i, inactivation of autophagy genes primarily in C. elegans, but also in the fruit fly Drosophila melanogaster, through isolation of mutant alleles and gene silencing (RNA interference); ii, life span assays and molecular description of cellular senescence in autophagy deficient nematode and fly strains; iii, epistasis analysis and determination of genetic interactions (signalling cross-talks) by performing classical and molecular characterisation of double mutant strains.
Final report
Results in Hungarian
Meghatároztuk az élesztő autofág gének nematóda ortológjait. Számos C. elegans autofág gén funkcióvesztéses mutáns alléljét izoláltuk és/vagy specifikus RNS intereferencia klónját állítottuk elő. Autofágia defektív C. elegans törzseket genetikailag jellemeztük. Három C. elegans autofág gén esetében transzlációs fúziós riporter konstrukciót hoztunk létre és jellemeztük a gének expressziós mintázatát. Megállapítottuk, hogy az autofágia deficiens nematódák rövidebb ideig élnek a vad típusnál. Ezek az állatok gyorsabban halmoztak fel öregedési pigmenteket és hamarabb váltak paralizálttá, mint a vad típusú kontroll állatok. Autofágia hiányában tehát az állatok gyorsabban öregednek. Ezzel összhangban az inzulin/IGF-1 és TOR kináz útvonal deficiens mutáns fonalférgek, a csökkent mitokondriális respirációjú mutánsok és a kalorikusan csökkent tápanyagfelvételű mutáns állatok hosszú élettartamát az autofágia blokkolása szuppresszálta (az autofág mutációk episztatikusan hatottak). Az élethosszt szabályozó genetikai útvonalak tehát az autofág génkaszkádon konvergálódnak (az autofágia az öregedési folyamat központi szabályozó mechanizmusa). Kimutattuk, hogy az autofág gének és az apoptotikus génkaszkád redundánsan hatnak az embrionális fejlődés szabályozásában. Végül meghatároztunk egy myotubularin-szerű foszfatázt, amely negatívan szabályozza az autofágiát: ennek gátlásával az autofág folyamatot hiperaktiváltuk, és ez növelte az élettartamot és neuroprotektív hatású volt.
Results in English
We identified the nematode orthologs of yeast autophagy genes. We then isolated loss-of-function mutations in some of these worm autophagy genes or generated their specific RNA interference clones. We performed a genetic analysis of autophagy deficient nematode strains. In the case of three autophagy genes, we also generated translational fusion reporter constructs to determine their developmental expression pattern. Nematodes defective for autophagy live significantly shorter than the wild-type. These mutants accumulate age pigments (lipofuscin) faster and become paralyzed earlier than normal animals. Thus, autophagy deficient nematodes are progeric as they exhibit an accelerated rate at which the cells and tissues age. Consistently, autophagy genes are required for lifespan extension in insulin/IGF-1 and TOR signaling mutants, in nematodes with decreased mitochondrial respiration and in calorically restricted worms; the corresponding double mutants are short-lived (autophagy mutations are epistatic to longevity mutations). Together, we can conclude that autophagy act as a central regulatory mechanism of animal aging. We also revealed that autophagy genes function redundantly with the apoptotic gene cascade to control embryonic development. Finally, we determined a myotubularin-like phosphatase that is able to downregulate the autophagic process. Inhibition of this phosphatase was capable of extending lifespan and protecting against neuronal damage.
Kovács AL, Pálfia Z, Réz G, Vellai T, Kovács J: Sequestration revisited. Integrating traditional electron microscopy, de novo assembly and new results., Autophagy 3(6): 655-662, 2007
Vellai T, Tóth ML, Kovács AL: Janus-faced autophagy. A dual role of cellular self-eating in neurodegeneration?, Autophagy 3(5): 461-463, 2007
Klionsky DJ, Abeliovich H, Agostinis P, Agrawal DK, ..., Vellai T, ..., Russell DL: Guidelines for the use and interpretation of assays for monitoring autophagy in higher eukaryotes., Autophagy 4(2): 151-175, 2008
Tóth ML, Sigmond T, Borsos É, Barna J, Erdélyi P, Takács-Vellai K, Orosz L, Kovács AL, Csikós G, Sass M, Vellai T: Longevity pathways converge on autophagy genes to regulate life span in Caenorhabditis elegans., Autophagy 4(3): 330-338, 2008
Vellai T, Bicsák B, Tóth ML, Takács-Vellai K, Kovács AL: Regulation of cell growth by autophagy., Autophagy 4(4): 507-509, 2008
Sigmond T, Barna J, Tóth ML, Takács-Vellai K, Pásti G, Kovács AL, Vellai T: Autophagy in Caenorhabditis elegans., Method Enzymol 451: 521-540, 2008
Sigmond T, Fehér J, Baksa A, Pásti G, Pálfia Z, Vellai-Takács K, Kovács J, Vellai T, Kovács AL: Qualitative and quantitative characterization of autophagy in Caenorhabditis elegans by electron microscopy., Method Enzymol 451: 467-491, 2008
Vellai T: Autophagy genes and ageing., Cell Death Differ 16(1): 94-102, 2009
Vellai T, Takács-Vellai K, Sass M, Klionsky DJ: The regulation of aging: does autophagy underlie longevity?, Trends Cell Biol 19(10): 487-494, 2009
Vellai T, Klionsky DJ: A second report from the EMBO conference on autophagy: mechanism, regulation and selectivity of autophagy., Autophagy 6(1): 197-198, 2010
Vellai T, Vellai-Takàcs K: Regulation of protein turnover by longevity pathways., In: Protein synthesis and aging. p69-80, Landes Bioscience-Springer, ed: Tavernarakis N., 2010
