Aktivierung der Proteostase durch Quercetin als molekularer Mechanismus der Prävention Glukose-induzierter Schädigungen : Untersuchungen an der mev-1 Mutante des Nematoden Caenorhabditis elegans
Die chronische Hyperglykämie ist ein grundlegendes Charakteristikum des Diabetes mellitus. Sie gilt als Hauptursache für die Entstehung diabetischer Komplikationen und wird mit dem frühzeitigen Tod von Individuen assoziiert. Proteine vermitteln den Hauptteil zellulärer Funktionen und sind gleichzeitig die Makromoleküle mit der höchsten Sensitivität gegenüber zellulären Stresskonditionen aller Art. Die Aufrechterhaltung der Proteinhomöostase, der Proteostase, ist folglich unabdingbar für die Funktionalität der Zelle. Umgekehrt begünstigen Schädigungen von Elementen des Proteostase-Netzwerks die Pathogenese und Progression verschiedener Erkrankungen. In der vorliegenden Arbeit wurde der Stamm TK22 des Nematoden C. elegans als Modellorganismus herangezogen, um Glukose-induzierte Schädigungen sowie deren Prävention durch das Polyphenol Quercetin auf molekularer Ebene zu untersuchen.Die durch Glukose-induzierte Verkürzung der Überlebenszeit von TK22 konnte durch die zusätzliche Gabe von mikromolaren Quercetin-Konzentrationen verhindert werden. Um Proteostase-relevante Gene zu identifizieren, deren Funktionalität Voraussetzung für die präventive Wirkung des Quercetins ist, wurde die Expression entsprechender Gene mittels RNA-Interferenz (RNAi) vermindert. Dabei stellte sich heraus, dass die fehlende Aktivität von zentralen Genen der Unfolded Protein Response im Mitochondrium (UPRmt), wie hsp 60 und atfs-1, die Überlebenszeit von TK22 verkürzte und die Verlängerung der Überlebenszeit unter Glukoseexposition durch Quercetin verhinderte. Glukose führte zwar zu einer Stressantwort, wie anhand der Steigerung der Expression des Mitochondrien-spezifischen Chaperons hsp-60 gezeigt wurde. Diese reichte jedoch nicht aus um die Glukosetoxizität zu verhindern. Die RNAi des zentralen Transkriptionsfaktors XBP-1 der Unfolded Protein Response im ER (UPRER) führte ebenfalls zur Ineffektivität des Quercetins. Interessanterweise bewirkte die zusätzliche RNAi des für die Aktivierung von XBP-1 notwendigen Gens ire-1 keine zusätzliche Verkürzung der Überlebenszeit von mit xbp-1 RNAi behandelten Nematoden, sondern eine Verlängerung. Als ursächlich hierfür wurde die Aktivität der Proteinkinase PEK 1 identifiziert, die offenbar innerhalb eines zum IRE-1/XBP-1 parallelen Signalwegs dessen Ausfälle überkompensiert.Des Weiteren wurde die Bedeutung der beiden zentralen Abbauwege für geschädigte Proteine, der Autophagie und des proteasomalen Abbaus, im Hinblick auf die Glukosetoxizität verhindernden Effekte des Quercetins untersucht. Während die Effektivität des Quercetins durch eine Hemmung des Proteasoms mittels pbs-4 RNAi vollständig unterdrückt wurde, konnte die Glukosetoxizität durch Hemmung der Makroautophagie sowie der Chaperon-vermittelten Autophagie mittels RNAi von lgg-2 bzw. lmp-2 vollständig verhindert werden. Die Hemmung der Autophagie führte dabei zu einer Steigerung der proteasomalen Aktivität, die sich als essentiell für die Verhinderung der Glukosetoxizität erwies und auch als der durch Quercetin aktivierte Mechanismus identifiziert wurde. Auch die Kompensationsmechanismen unter ire-1 und xbp-1 Doppel-RNAi waren abhängig von einer erhöhten Proteasomaktivität und wurden durch die zusätzliche pek-1 RNAi verhindert. Zusammenfassend ist festzustellen, dass Quercetin eine Glukosetoxizität in C. elegans TK22 in Abhängigkeit verschiedener Faktoren der UPR vollständig verhindert. Sowohl Quercetin, als auch die Hemmung zentraler Elemente der UPR und der Autophagie resultierten in einer Aktivierung des Proteasoms, das dementsprechend als entscheidendes zu aktivierendes Element im Hinblick auf die Prävention durch Glukose verursachter Schädigungen identifiziert werden konnte.
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