Dokument: Auswirkung der pharmakologischen oder genetischen Inhibition der HMG-CoA-Reduktase auf altersabhängige und Stress-induzierbare Prozesse in C. elegans

Titel:	Auswirkung der pharmakologischen oder genetischen Inhibition der HMG-CoA-Reduktase auf altersabhängige und Stress-induzierbare Prozesse in C. elegans
Weiterer Titel:	Effect of pharmacological or genetic inhibition of HMG-CoA reductase on age-related and stress- inducible processes in C. elegans
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=54969
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20201215-113134-6
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Deutsch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Jahn, Andreas [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 3,94 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 06.12.2020 / geändert 06.12.2020
Beitragende:	Prof. Dr. Fritz, Gerhard [Gutachter] Jun.-Prof. Dr. Beller, Mathias [Gutachter]
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 540 Chemie
Beschreibungen:	Statine werden in der Klinik seit 1987 als Cholesterolsenker eingesetzt, wobei ihre Wirkung auf der kompetitiven Hemmung der HMG-CoA-Reduktase beruht. Diese Hemmung führt zu einer Depletion von Mevalonat, wodurch neben der Cholesterol-Synthese zusätzlich weitere Mevalonat-abhängige aber Cholesterol- unabhängige Prozesse beeinträchtigt werden. Dadurch können eine Reihe von weiteren protektiven Effekten von Statinen, sogenannte pleiotrope Effekte, ausgelöst werden. Insbesondere die Statin-bedingte Hemmung der Prenylierung von kleinen GTPasen wird für viele dieser Cholesterol-unabhängigen und vorteilhaften Statin-Wirkungen verantwortlich gemacht. Mit Blick auf die Alterung konnte kürzlich in einer Kohortenstudie gezeigt werden, dass eine Statin-Behandlung zu einer verringerten Sterblichkeitsrate bei Menschen zwischen 70 und 90 Jahren führt, welche jedoch unabhängig vom Cholesterolspiegel ist. Da C. elegans den Mevalonatweg beherbergt, aber nicht fähig ist, Cholesterol zu synthetisieren (Cholesterol-auxotroph), ist er ein sehr gut geeigneter Modellorganismus, um die Cholesterol-unabhängigen Wirkungen von Statinen zu untersuchen. Zusätzlich ist C. elegans ein sehr etablierter Modellorganismus in der Alternsforschung, mit dessen Hilfe bereits viele Ursachen für eine beschleunigte oder verlangsamte Alterung aufgeklärt werden konnten. Insgesamt leitet sich daraus die Arbeitshypothese ab, dass Statine in C. elegans über die Hemmung der Mevalonat-Synthese Einfluss auf Alters-assoziierte Signalwege nehmen und dadurch den Alterungsprozess verlangsamen. Um dies zu untersuchen, wurde die Lebensspanne und das physiologische Alter anhand von Biomarkern (Akkumulation der Alterspigmente, Abnahme der Beweglichkeit) sowohl im Wildtyp als auch in verschiedenen Alters-assoziierten Mutanten analysiert. Zusätzlich wurde der Einfluss von Statinen auf bestimmte Faktoren mit Hilfe von Reporterstämmen oder Real Time-RT-PCR überprüft. Die Abhängigkeit des Statin-Effekts von einer Mevalonat-Depletion oder einem der Mevalonat-abhängigen-Prozesse wurde mittels Knockdown- und Supplementationsexperimenten untersucht. Es konnte beobachtet werden, dass niedrig dosierte Statine (Lova- und Simvastatin) das Leben von C. elegans verlängern. Mit Hilfe von Biomarkern für das physiologische Alter konnte zudem gezeigt werden, dass die behandelten Individuen nicht nur länger lebten, sondern auch physiologisch jünger waren als die unbehandelten Nematoden. Daneben führte die Behandlung mit Simvastatin zu einer Reduktion der altersabhängigen Polyglutamin (PolyQ) Aggregation (Huntington Erkrankung) eines transgenen C. elegans Reporterstammes. Weiterhin wurde im Rahmen dieser Arbeit gezeigt, dass sowohl die Lebensverlängerung durch Lovastatin als auch die physiologische Verjüngung durch Lova- oder Simvastatin von der Mevalonat-Depletion abhängig waren. Diese physiologische Verjüngung konnte mit Hilfe eines moderaten RNAi-Knockdowns der HMG-CoA-Reduktase (HMGR-1), welcher über eine Verdünnung der dsRNA produzierenden Bakterien herbeigeführt wurde, imitiert werden. In Hinblick auf die Lebensspanne führte solch ein Knockdown jedoch zu einer Lebensverkürzung, wofür der selbstverstärkende Mechanismus der RNAi-Maschinerie in C. elegans ursächlich sein könnte. Die Frage, welche/r der Mevalonat-abhängigen Prozesse verantwortlich für die Verzögerung der Alterung durch Statine sind/ist, konnte in dieser Arbeit nicht geklärt werden. Unabhängig des Alterungsprozesses wurde allerdings mit Hilfe eines Prenylierungs-Reporterstamms gezeigt, dass die protektiven Konzentrationen von Lova- oder Simvastatin die Prenylierung hemmen. Auf molekularer Ebene konnte hier gezeigt werden, dass Lovastatin die Translokation des Transkriptionsfaktors DAF-16 (menschliches Homolog: FOXO3) in den Nukleus bewirkt und die Expression von DAF-16 Zielgenen DAF-16 spezifisch beeinflusst. Weiterhin führte Lovastatin in Abwesenheit von DAF-16 weder zu einer Lebensverlängerung noch zu einer physiologischen Verjüngung in C. elegans. Auch die physiologische Verjüngung durch Simvastatin war DAF-16 abhängig. Für die Verzögerung der Alterung durch Lovastatin wird neben DAF-16 auch noch der bekannte DAF-16 Aktivator JNK-1 (menschliches Homolog: JNK) benötigt. Dabei wurde JNK-1 durch die Lovastatin-Behandlung vermehrt exprimiert. In Abwesenheit von JNK-1 konnte Lovastatin die Alterung nicht mehr verzögern. Der Hauptregulator von DAF-16, DAF-2 (menschliches Homolog: IGF1R), scheint bei der Statin-bedingten Protektion keine Rolle zu spielen. Neben JNK-1 wurde auch die Expression von AAK-2 (AMPK), einem weiteren Aktivator von DAF-16, durch die Behandlung mit Lovastatin erhöht. Ob auch AAK-2 einen Einfluss auf die Lebensverlängerung und Verjüngung durch Statine hat, muss noch untersucht werden. Zusammenfassend legen die hier generierten Daten die Vermutung nahe, dass FOXO3 (DAF-16) ein Schlüsselmolekül für die Regulation von weiteren molekularen Mechanismen ist, welche der Cholesterol-unabhängigen aber Mevalonat-abhängigen anti-aging Wirkung von Statinen beim Menschen zugrunde liegen. Statins have been used in the clinic to lower cholesterol since 1987. Their competitive inhibition of the HMG-CoA reductase leads to a depletion of mevalonate. The depletion of mevalonate impairs, in addition to cholesterol biosynthesis, other mevalonate-dependent but cholesterol-independent processes. Thereby a number of further protective effects of statins (pleiotropic effects) can be triggered. In particular, the statin-related inhibition of the prenylation of small GTPases is held responsible for many of these cholesterol-independent and beneficial effects. With regard to aging, a cohort study recently showed that a decreased mortality rate in humans between age 78 – 90 correlates with statin treatment, but is independent of cholesterol levels. Since C. elegans harbours the mevalonate pathway, but the branch that leads to cholesterol synthesis is missing (cholesterol auxotrophic), it is a well-suited model organism for studying the cholesterol-independent effects of statins. In addition, C. elegans is a very established model organism in aging research, with the help of which many causes for accelerated or slowed aging have already been elucidated. This leads to the working hypothesis that statins influence aging-associated signaling pathways by inhibiting mevalonate synthesis and thereby slow down the aging process in C. elegans. To investigate this, the lifespan and physiological age (accumulation of age pigments, decrease in motility) of C. elegans were analyzed in the wild type and in various aging-associated mutants. In addition, the influence of statins on certain factors was checked using reporter strains or real-time RT-PCR. The dependence of the statin effect on a mevalonate depletion or one of the mevalonate-dependent processes was investigated using knockdown and supplementation experiments. Here we show that low-dose statins prolong the lifespan in C. elegans. In the present study a lifespan-prolonging effect for Lova- and Simva-statin could be demonstrated. With the help of Biomarkers for physiological age it was also shown that the treated individuals not only live longer, but are also physiologically younger than the untreated nematodes. In addition, treatment with simvastatin reduced the age-dependent polyglutamine (PolyQ) aggregation (Huntington's disease) of a transgenic C. elegans reporter strain. Furthermore, it could be shown here that the life extension by lovastatin and the physiological rejuvenation by Lova- or Simvastatin depend on the mevalonate depletion. This physiological rejuvenation could be imitated with the help of a moderate RNAi knockdown of HMG-CoA reductase (HMGR-1). This moderate Knockdown was accomplished by a dilution of the bacteria producing the dsRNA. In terms of lifespan, however, such a knockdown led to a shortening of life, which could be due to the self-reinforcing mechanism of the RNAi machinery in C. elegans. The question which of the mevalonate-dependent processes is/are responsible for delayed aging phenotype by statin treatment could not be conclusively answered in this work. But regardless of the aging process, it was shown here with the help of a prenylation reporter strain, that the protective concentrations of Lova- or Simvastatin inhibit prenylation. At a molecular level, it was shown that lovastatin causes a translocation of the transcription factor DAF-16 (human homolog: FOXO3) into the nucleus and influences the expression of DAF-16 target genes in a DAF-16 dependent manner. Furthermore, in the absence of DAF-16, lovastatin neither prolongs the lifespan nor leads to a physiologically rejuvenation in C. elegans. The physiological rejuvenation caused by simvastatin was also dependent on DAF-16. In addition to DAF-16, the well-known DAF-16 activator JNK-1 (human homolog: JNK) was required for the delayed aging process caused by lovastatin. Here, JNK-1 is increasingly expressed by lovastatin treatment. In the absence of JNK-1, lovastatin can no longer delay the aging-process. The main regulator of DAF-16, DAF-2 (human homolog: IGF1R) seems not to be important for the statin-related protection. In addition to JNK-1, the expression of AAK-2 (AMPK), another activator of DAF-16, was increased by treatment with lovastatin. Whether AAK-2 also has an impact on the life extension and rejuvenation by statins has still to be investigated. In conclusion, FOXO3 (DAF-16) is suggested to be a key molecule for the regulation of further molecular mechanisms underlying the cholesterol-independent but mevalonate-dependent anti aging effect of statins in humans.
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Fachbereich / Einrichtung:	Medizinische Fakultät » Institute » Institut für Toxikologie
Dokument erstellt am:	15.12.2020
Dateien geändert am:	15.12.2020
Promotionsantrag am:	23.06.2020
Datum der Promotion:	01.12.2020