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Die Bedeutung Östrogen-responsiver Vitellogenine für die angeborene Immunität des Nematoden Caenorhabditis elegans und ihre Beeinflussung durch Phytoöstrogene

Fischer, Malaika


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Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:hebis:26-opus-84616
URL: http://geb.uni-giessen.de/geb/volltexte/2011/8461/

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Freie Schlagwörter (Deutsch): C. elegans , Vitellogenin , angeborene Immunität , Östrogen , Phytoöstrogen
Freie Schlagwörter (Englisch): C. elegans , vitellogenin , innate immunity , estrogen , phytoestrogen
Universität Justus-Liebig-Universität Gießen
Institut: Professur für Molekulare Ernährungsforschung
Fachgebiet: Biologie
DDC-Sachgruppe: Naturwissenschaften
Dokumentart: Dissertation
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 22.11.2011
Erstellungsjahr: 2011
Publikationsdatum: 29.11.2011
Kurzfassung auf Deutsch: Vitellogenine (VITs) sind eine Klasse Cholesterol-transportierender Eidotter-Proteine, deren Homolog im Menschen das Apolipoprotein B-100 ist und die im Zusammenhang mit der Langlebigkeit diskutiert werden. In der vorliegenden Arbeit wurde der Fadenwurm Caenorhabditis elegans als Modellorganismus verwendet, um Einflüsse der Vitellogenine auf Stressresistenz und Lebensspanne zu untersuchen. Als Stressfaktoren wurden die Exposition gegenüber dem Nematoden-pathogenen Bakterium Photorhabdus luminescens, sowie ein Knock-down der Zinkmetalloprotease-2 (ZMP-2) verwendet.
Es konnte gezeigt werden, dass beide Stressoren die Lebensspanne von C. elegans signifikant reduzierten. Eine durch RNA-Interferenz (RNAi) bewirkte verminderte Expression der VITs erhöhte hierbei die Sensitivität gegenüber P. luminescens. Während die meisten für die angeborene Immunität des Nematoden wichtigen Signalwege als unbedeutend für eine Resistenz gegenüber P. luminescens beschrieben werden konnten, erwies sich der im Insulin-IGF-Signalweg lokalisierte Transkriptionsfaktor DAF-16 und seine cytosolische Lokalisation auf intestinaler Ebene als essentiell für den Vitellogenin-vermittelten Schutz. Darüber hinaus konnte erstmals ein Einfluss des durch Cholesterolmetabolite aktivierten Steroid-Signalweges identifiziert werden, indem seine Mitglieder DAF-9 und DAF-12 als entscheidend für die Vitellogenin-verursachte Lebenzeitverlängerung in Gegenwart der pathogenen Bakterien charakterisiert wurden. Dem immun-stimulatorischen Einfluss des Steroid-Signalweges entsprechend, führte ein Cholesterol-Mangel zur Reduktion der Lebensspanne unter P. luminescens-Exposition. Die erhöhte Gabe von Cholesterol bedingte zwar ebenfalls eine reduzierte Lebensspanne, dies war jedoch auf die unter diesen Bedingungen deutlich verminderte Expression der VITs zurückzuführen. Aufgrund der nachgewiesenen starken Östrogen-Responsivität der VIT Expression verursachte 17β Östradiol eine erhöhte Resistenz gegenüber P. luminescens, die unter vit-RNAi nicht mehr beobachtet werden konnte. Eine Beteiligung des NHR-14, einem als Östrogen-Rezeptor postulierten nukleären Hormonrezeptors in C. elegans, an den durch 17β-Östradiol induzierten protektiven Mechanismen konnte ausgeschlossen werden. Das Phytoöstrogen Genistein verursachte im Gegensatz zum 17β-Östradiol eine Verkürzung der Lebensdauer in Gegenwart von P. luminescens, die mit reduzierter Expression der VITs in Verbindung zu bringen war und anti-östrogene Wirkungen des Genisteins in C. elegans belegt.
Im Hinblick auf den durch zmp-2-RNAi verursachten Stress erwiesen sich die VITs interessanterweise gegenteilig wirksam als in bakteriell gestressten Nematoden. Ein Knock-down der VITs führte zum vollständigen Ausbleiben der durch zmp-2-RNAi bewirkten Lebenszeitverkürzung. Nachgewiesen werden konnte eine erhöhte Akkumulation oxidativ veränderter Proteine in C. elegans, die darauf schließen lässt, dass sich unter zmp-2-RNAi extrazellulär oxidierte Lipoproteinaggregate ansammeln, die in Abwesenheit von VITs nicht mehr internalisiert werden können. Bestätigt wurde diese Vermutung in der rme-2-Mutante, die einen Defekt der Rezeptor-vermittelten Endozytose von Vitellogeninen aufweist und unter zmp-2-Defizienz keine Lebenszeitverkürzung zeigte. Allerdings erwies sich eine marginale Cholesterolversorgung in Abhängigkeit des Steroid-Signalweges als Lebensspanne-verlängernd, was durch eine Verkürzung der Lebensspanne durch Cholesterolmangel unter zmp-2-RNAi belegt werden konnte. DAF-16 konnte unter zmp-2-Defizienz erstmals auch als ein die Lebensspanne vermindernder Faktor identifiziert werden, dessen Wirkungen über eine Rückkopplungshemmung der die Lebensspanne erhöhenden Faktoren DAF-9 und DAF 12 erklärbar wurden. Während Genistein, über seine anti-östrogenen Wirkungen, die Lebenspanne in Nematoden mit verminderter ZMP-2 Funktion erhöhte, ließen sich die Lebenszeit-verlängernden Aktivitäten des 17β-Östradiols unter diesen Bedingungen nicht über die beeinflusste Funktionalität der VITs erklären. Die Schutzwirkungen des Östrogens in zmp-2-RNAi behandelten Würmern schien vielmehr durch dessen antioxidativen Wirkungen und einer damit einhergehenden verminderten Entstehung oxidativ modifizierter Lipoproteinaggregate ableitbar.
Zusammenfassend lässt sich eine erstmals nachgewiesene, bedeutsame Rolle der VITs im Rahmen von Resistenzmechanismen gegenüber unterschiedlichen Stressoren beschreiben. Hierbei sind DAF-9 und DAF-12, Mitglieder des Steroid-Signalwegs, entscheidend für eine Lebensverlängerung, während DAF-16 in Abhängigkeit des Stressors divergente Effekte erzielt. Die Aktivierung von Schutzmechanismen gegenüber P. luminescens bedingen VITs, indem sie über den Steroid-Signalweg ihre eigene Synthese veranlassen und somit verstärkt antioxidativ wirksam werden können. Liegen allerdings extrazellulär vermehrt oxidierte Lipoproteinaggregate vor, wie unter funktioneller Einschränkung von ZMP-2, wirken VITs über den Transport der oxidierten Verbindungen Lebenszeit-verkürzend.
Kurzfassung auf Englisch: Vitellogenins (VITs) are a class of cholesterol transporting yolk proteins, which are homolog to human apolipoprotein B-100, and are discussed in the context of longevity. In the present study, the nematode Caenorhabditis elegans was used as model organism to investigate the influence of VITs on stress resistance and lifespan, whereby exposure to nematodic bacterium Photorhabdus luminescens and knockdown of zinc metalloproteinase-2 (ZMP-2) were used as stress factors.
It could be shown that both stressors significantly reduce the lifespan of C. elegans. RNA-interference (RNAi) induced down-regulation of VIT resulted in enhanced sensitivity against P. luminescens. However, most key signaling pathways of the innate immunity in C. elegans only played a minor role regarding resistance against P. luminescens. Nevertheless, the transcription factor DAF-16, which is located in the insulin-IGF-signaling pathway, and its cytosolic localization in the intestine were shown to be essential for the VIT mediated protection. Furthermore, DAF-9 and DAF-12 were crucial for the VIT induced lifespan prolongation in presence of the pathogenic bacteria, presenting an influence of cholesterol metabolite activated steroid signaling for the first time. In accordance to the immunostimulatory influence of steroid signaling a depletion of cholesterol induced a reduction in lifespan during P. luminescens infection. However, application of elevated cholesterol dosages also caused reduced stress resistance against P. luminescens This might be due to the observed reduction in VIT expression under these conditions. In concordance with the proven estrogen responsiveness of VITs, increased VIT expression by 17β-estradiol enhanced resistance against P. luminescens. This increased stress resistance only occurred in presence of VIT, because it was no longer observable during vit-RNAi. An influence of the nuclear hormone receptor NHR-14, a postulated estrogen receptor in C. elegans, could be excluded in the estrogenic protective mechanisms. In contrast, phytoestrogen genistein caused a reduced lifespan in P. luminescens infected animals, which was associated with decreased VIT expression, thus underlining the anti-estrogenic mode of action of genistein in C. elegans.
Interestingly, with regard to the zmp-2 deficiency induced stress the VITs evidenced to be contrary to the bacterial infected nematodes. Knockdown of VITs compensated for the zmp 2-RNAi induced lifespan reduction, demonstrating a variability of the VIT functions depending on the stressor. Based on our observations, an increased accumulation of oxidative modified proteins occurred in C. elegans. Oxidized lipoprotein aggregates accumulate extracellular during zmp-2-RNAi, which are not taken up in absence of VITs. These observations were confirmed with rme-2-mutants, which exhibit a defect in the receptor-mediated endocytosis and did not show a lifespan reduction by zmp-2 deficiency. However, marginal cholesterol maintenance is essential for lifespan prolongation considering steroid signalling, which was shown by a reduced lifespan of animals lacking cholesterol and zmp-2. For the first time DAF 16 could be identified as a lifespan reducing factor during zmp-2-RNAi. Its effectiveness became explainable by a feedback inhibition of the two lifespan increasing factors DAF-9 and DAF-12. Due to its anti-estrogenic effects genistein increased the lifespan in nematodes with reduced ZMP-2 functions. On the contrary, the lifespan-prolonging activities of 17β-estradiol in zmp-2 deficient nematodes could not be explained by functionality of VITs. The protective effect of the estrogen in zmp-2-RNAi fed worms seemed to be explicable by its antioxidative impact and the associated reduced incidence of oxidative modified lipoprotein aggregates.
In summary, for the first time an important role of VITs in stress resistance against different stressors could be described. In this context, members of steroid signalling - DAF-9 and DAF 12 - are of great importance in lifespan prolongation, since DAF-16 achieves divergent effects depending on the stressors. VITs are able to enhance activation of protection mechanisms against P. luminescens by inducing its own synthesis and therefore acting as antioxidants. However, in presence of increased extracellular oxidized lipoprotein aggregates, as during ZMP-2 deficiency, VITs induce a shortened lifespan through the transport of oxidized compounds.
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