Dokument: Der Zusammenhang zwischen Aneuploidie und Alterung im Modellsystem Hefe

Titel:	Der Zusammenhang zwischen Aneuploidie und Alterung im Modellsystem Hefe
Weiterer Titel:	The connection between aneuploidy and aging in the yeast model system
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=20556
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20120223-095629-9
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Deutsch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Dr. Langen, Markus [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 11,83 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 22.02.2012 / geändert 22.02.2012
Stichwörter:	Aneuploidie, Alterung, Hefe, S. cerevisiae, S. pombe, chronologische Alterung, replikative Alterung, YAC
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie
Beschreibungen:	Die Genauigkeit der Chromosomenweitergabe an die Folgezelle ist für das Überleben einer Zelle/eines Organismus essentiell und wird durch die präzise Regulation komplexer Prozesse des Chromosomenzyklus gewährleistet. Fehler bei der Duplikation und der Segregation genetischen Materials in proliferierenden Zellen führen häufig zu Aneuploidie, dem Zugewinn oder Verlust ganzer Chromosomen. Eine nachteilige Auswirkung von Aneuploidie wurde in zahlreichen Studien belegt: Sie wird mit einer Vielzahl von neurodegenerativen Erkrankungen wie Alzheimer und Krebsarten wie dem Gebärmutterhalskrebs in Verbindung gebracht. Aneuploide Zellen wurden ebenfalls vermehrt in den Organen alter Organismen nachgewiesen. Durch Aneuploidie kann zudem auf bisher nicht verstandene Weise der Alterungsprozess, beispielsweise bei der Trisomie 21, beschleunigt werden. Trotz des offensichtlichen Zusammenhangs von Alterung und Aneuploidie existierte bislang kein System, mit dem direkt der Anstieg von Fehlern in der Chromosomenweitergabe in alternden Zellen gezeigt werden konnte. Ich habe ein System entwickelt, mit dem der Verlust eines artifiziellen Chromosoms (YAC) in einem diploiden S. cerevisiae Hefestamm mit Hilfe eines YAC-kodierten Testsystems durch Änderung der Koloniefarbe sichtbar gemacht werden kann. Hefen wurden nach ihrem replikativen Alter, das die Anzahl durchgeführter Zellteilungen beschreibt, sortiert und das Segregationsverhalten des YACs in diesen Zellen analysiert. 5 von 104 jungen Zellen mit einem Alter von 1-3 Teilungen zeigten einen Fehler bei der Weitergabe des YACs. Bei sehr alten Zellen war dieser Wert um den Faktor 4 erhöht. Die Zunahme von Aneuploidie mit steigendem Alter war linear. Es gelang erstmals in vivo nachzuweisen, dass ein linearer Anstieg von Fehlern bei der Chromosomenweitergabe Aneuploidie im Alter verursacht. Als nächstes wurde untersucht, ob der Anstieg von Aneuploidie mit dem Alter auf den Funktionsverlust eines Prozesses im Chromosomenzyklus zurückzuführen ist. Dazu wurden mehrere diploide Hefestämme generiert, in denen jeweils ein Gen heteround/ oder homozygot deletiert wurde, dessen Genprodukt eine Funktion in der Replikation, Kohäsion, dem Spindelaufbau, der Kinetochor-Mikrotubulusverknüpfung oder dem Spindelkontrollpunkt innehat. Mit dem YAC-System wurde gezeigt, dass in den homozygot deletierten Stämmen eine um den Faktor 8 bis 28 erhöhte Aneuploidie gegenüber dem Wildtyp auftrat, am stärksten betroffen war der Stamm ohne das Mikrotubulus-bindende Protein Bim1. Der relative lineare Anstieg der Chromosomeninstabilität mit dem Alter unterschied sich jedoch in den generierten Stämmen nicht vom Wildtyp. Das deutet darauf hin, dass die Fehlfunktion eines einzelnen Prozesses diesen Anstieg nicht auslöst. Im zweiten Teil meiner Arbeit bin ich der Frage nachgegangen, ob die Anwesenheit eines zusätzlichen Chromosoms verkürzend auf die replikative Lebensspanne einer Hefezelle wirkt. Hierbei zeigte sich, dass die Anwesenheit eines YACs, das zu 97 % aus Human- DNA besteht, keinen negativen Einfluss auf die replikative Lebensspanne ausübt. Somit wirkt sich eine Erhöhung der Chromosomenzahl um bis zu 6 % nicht per se nachteilig auf die Lebensspanne aus. Allerdings konnte ich zeigen, dass bei Anwesenheit eines bestimmten Gens auf dem YAC, nämlich dem tRNATYR kodierenden Gen SUP11, die replikative Lebensspanne haploider, nicht jedoch diploider Hefezellen um 30 % reduziert wird. Ein durch ein YAC vermittelter Gendosiseffekt kann demnach die replikative Lebensspanne verkürzen. In diesem Zusammenhang wurde in der Spalthefe S. pombe der Effekt eines zusätzlichen Chromosoms mit 165 S. pombe Genen auf die Lebensspanne untersucht. Es stellte sich überraschenderweise heraus, dass durch dieses Chromosom die chronologische Lebensspanne, die das Überleben in einer sich nicht teilenden Kultur beschreibt, gegenüber einem euploiden Kontrollstamm reproduzierbar verdoppelt wurde. Durch 13 experimentell aufwendige Deletionsanalysen konnte ich einen 27 Kbp großen Bereich auf dem rechten Arm des Chromosoms kartieren, dessen Fehlen die lebensverlängernde Wirkung aufhebt. Dieser Bereich wurde auf einen Abschnitt mit drei Genen eingegrenzt, deren kodierte Genprodukte, zu denen das im Zellzyklus benötigte Zyklin Cig1p zählt, lebensverlängernd wirken könnten. Es wurde zum ersten Mal gezeigt, dass Aneuploidie einen Überlebensvorteil bewirken kann. Mit dieser Arbeit wurde gezeigt, dass (i) ein linearer Zusammenhang zwischen Aneuploidie und replikativer Alterung besteht, (ii) Aneuploidie die replikative Alterung gendosisabhängig beschleunigen und (iii) die chronologische Alterung verlangsamen kann. The fidelity of chromosome transmission from one generation to the next is essential for the survival of a cell/an organism and is assured by the precise regulation of the chromosome cycle. In proliferating cells, mistakes during the replication and the segregation of the genetic material can result in aneuploidy, which is defined as the gain or loss of whole chromosomes. The consequences of aneuploidy are manifold: aneuploidy is linked to a large number of neurodegenerative diseases and cancers such as Alzheimer´s disease and cervical carcinomas, respectively. An increased number of aneuploid cells is also present in the organs of aged organisms. Furthermore, aneuploidy appears to cause an acceleration of the aging process by mechanisms which are not well understood. For example patients with trisomy 21 show premature aging phenotypes such as vascular diseases or cataracts. Despite the obvious connection between aneuploidy and aging, no system existed which could quantify chromosome transmission fidelity in aging cells. I have used a system which allows to visualize the loss of a yeast artificial chromosome (YAC) in a diploid S. cerevisiae yeast strain by changes in the colony color. Cells carrying such a YAC were sorted according to their replicative age, which describes the number of divisions a cell has undergone. The segregation behavior of the YAC was then analyzed in these cells. 5 out of 104 young cells with an age of 1-3 divisions showed a failure in YAC transmission. In very old cells, this value was 4 times higher. The increase of aneuploidy with growing age was linear. I was thus able to show for the first time in vivo that a linear increase of chromosome transmission infidelity causes age-related aneuploidy. Next, I analyzed whether the increase of aneuploidy with age is due to a loss of the function of a specific process in the chromosome cycle. Therefore, several diploid yeast strains were generated in which single genes encoding proteins involved in replication, cohesion, spindle assembly, kinetochore function, the kinetochore-microtubule attachment or the spindle assembly checkpoint, were deleted hetero- or homozygously. With the aid of the YAC-system I showed that in the homozygous deletion strains aneuploidy was increased by the factor of 8 to 28 in comparison to the wildtype strain. The strongest effect was observed in the strain lacking the microtubule-binding protein Bim1p. However, the relative linear increase of chromosomal instability of all mutant strains was comparable to the wildtype strain. This indicates that the increase in chromosome instability with age is not due to the malfunction of a single process. The second part of my work deals with the question whether the presence of an additional chromosome has an effect on the lifespan of a yeast cells. I showed that the presence of a YAC, which consists of 97 % human DNA, has no effect on the replicative lifespan implying that the increase in chromosome number by 6 % has no adverse effect on lifespan per se. However, a specific gene present on the YAC, namely the tRNATYR coding gene SUP11, shortens the replicative lifespan exclusively in haploid yeast cells by 30 %. Hence, a YAC mediated gene dosage effect can shorten the replicative lifespan. In this context, I also analyzed the effect of an additional chromosome on the lifespan of the fission yeast S. pombe. This chromosome called Ch16 carries 165 S. pombe genes. Surprisingly, the chronological lifespan, which describes the survival of a cell in a nondividing state, was doubled in the Ch16 carrying strain in comparison to a euploid control strain. By performing 13 extensive deletion analyses, I identified a 27 kbp region on the right arm of the Ch16 chromosome which mediates the life prolonging effect. The life prolonging region was further narrowed down to a segment containing three genes. One of the encoded gene products, namely the cell cycle cyclin Cig1p, promotes an extension of the lifespan. Thus, aneuploidy can be beneficial for cell survival. In summary the results obtained show that (i) there is a linear connection between an increase in aneuploidy and replicative age, (ii) aneuploidy can accelerate replicative aging via a gene dosage effect and (iii) aneuploidy can also decelerate chronological aging via a gene dosage effect.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Biologie » Funktionelle Genomforschung der Mikroorganismen
Dokument erstellt am:	23.02.2012
Dateien geändert am:	23.02.2012
Promotionsantrag am:	01.12.2011
Datum der Promotion:	20.01.2012