Das Aggresom als molekulare Zielstruktur präventiver Wirkungen des Polyphenols Quercetin im Rahmen Glucose-induzierter Schädigungen im Nematoden Caenorhabditis elegans
Weltweit nimmt die durchschnittliche Lebenserwartung und damit auch die Häufigkeit von altersbedingten Gesundheitsstörungen wie Diabetes mellitus Typ 2 zu. Diabetische Spätfolgen sind dabei die Konsequenz längerfristiger Hyperglykämien. Neben der akkuraten Kontrolle des Blutzuckers bzw. der konventionellen Therapie sind auch adjuvante Behandlungsmöglichkeiten, wie die Applikation sekundärer Pflanzeninhaltsstoffe, zu denen die Polyphenole zählen, von besonderem Interesse. Zur Gruppe der Polyphenole gehört auch das am besten untersuchte Flavonol Quercetin aus Äpfeln und Zwiebeln.Studien am Modellorganismus Caenorhabditis elegans (C. elegans) zeigten bereits, dass die Inkubation mit Glucose die Lebensspanne der Nematoden verkürzt. Als einer der hierfür verantwortlichen Mechanismen wurde in der mev-1-Mutante, die durch erhöhte Konzentrationen von reaktiven Sauerstoffkonzentrationen (ROS) in den Mitochondrien gekennzeichnet ist, die Senkung der Aktivität des Proteasoms identifiziert. Durch zusätzliche Behandlung mit Quercetin konnte sowohl die Proteasomaktivität als auch die Überlebenszeit unter Hitzestress wieder auf den Wert der Kontrolle zurückgeführt werden, was mit einer Hemmung der Glucosetoxizität einhergeht. So war das Ziel der vorliegenden Arbeit die Bedeutung des Aggresoms als potentielle Zielstruktur von Quercetin im Rahmen der Glucose-induzierten Schädigungen in der mev-1-Mutante zu erforschen.Bei dem sogenannten Aggresom handelt es sich um ein Einschlusskörperchen, das bei einer Überlastung oder Störung des Ubiquitin-Proteasom-Systems aus aggregierten Proteinen zusammengesetzt wird, um deren toxischen Einfluss auf die Zellfunktionen zunächst durch Speicherung und schließlich durch Elimination via Autophagie zu verhindern. An der Bildung von Aggresomen sind verschiedene Adaptorproteine wie ubql-1 oder sqst-1 beteiligt, welche die polyubiquitinierten Proteine mithilfe des Dyneinmotorkomplexes, dessen wichtiger Bestandteil dnc-1 ist, zunächst entlang der Mikrotubuli in die Nähe des Zellkerns transportieren.Nach dem mittels RNA-Interferenz (RNAi) erzielten Knockdown der Aggresom-relevanten Gene ubql-1 bzw. dnc-1 kam es zu einer Erhöhung der Proteinaggregation und einer Verkürzung der Überlebenszeit unter Hitzestress bei 37 °C. Unter RNAi der beiden Gene führte Glucose nicht zu einer weiteren Verkürzung der Überlebenszeit, wobei Quercetin diese unter Glucoseexposition auch nicht mehr verlängern konnte. Dies weist darauf hin, dass Glucose durch Hemmung und Quercetin durch Aktivierung dieser Aggresom-relevanten Gene die Stressresistenz und die Überlebenszeit von mev-1 gegenteilig beeinflussen. Der Knockdown von sqst-1 hingegen hatte trotz der Verringerung der Autophagie keinen Effekt auf die Überlebenszeit der Nematoden, die Verkürzung der Überlebenszeit durch Glucose oder die Verlängerung der Überlebenszeit durch Quercetin in Gegenwart von Glucose. Demnach wurde sqst-1 im Gegensatz zu ubql-1 und dnc-1 nicht als Zielgen von Glucose und Quercetin ermittelt. Aufgrund des Anstiegs der Proteasomaktivität unter sqst-1 RNAi konnte das Proteasom als kompensatorischer Mechanismus für die reduzierte Aggresombildung identifiziert werden.Da die Mitochondrien unter hyperglykämischen Bedingungen durch die vermehrte ROS-Produktion an diabetischen Spätfolgen beteiligt sind, wurde noch die spezifische Elimination dieser Organellen durch die Mitophagie untersucht. Unter RNAi von Mitophagie-relevanten Genen (dct-1, drp-1, eat-3, fis-1, fzo1, glb-1, pink-1 und pgam-5) kam es nicht nur zu einer Verkürzung der Überlebenszeit von mev-1 bei 37 °C, sondern auch zur Verringerung der Proteasomaktivität, der Autophagie und der Bildung von Lysosomen, wohingegen die mitochondrialen ROS-Spiegel und die Proteinaggregation zunahmen. Nur in funktioneller Abwesenheit von PDR-1 blieben trotz des Anstiegs der ROS-Konzentration die Überlebenszeit der Nematoden, die spezifische Aktivität des Proteasoms sowie die Proteinaggregation im Vergleich zur Kontrolle unverändert. Dies liegt offenbar an der kompensatorischen Induktion der Mitophagie im Falle des Knockdowns von pdr-1.Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass die Zunahme der Proteinaggregation durch die Störung der Bestandteile des Proteostase-Netzwerkes die Überlebenszeit von C. elegans unter Stressbedingungen beim Fehlen von Kompensationsmechanismen beeinträchtigt. Diese fanden nur in funktioneller Abwesenheit von sqst-1 und pdr-1 statt. Somit besitzt neben der Degradation der Mitochondrien über Autophagosomen auch die Elimination von geschädigten Proteinen über die Aggresomen eine wesentliche Bedeutung für die Lebensspanne der Nematoden. Hierbei konnten in der mev-1-Mutante ubql-1 und dnc-1 als Aggresom-relevante Zielgene von Quercetin in Bezug auf die Verlängerung der Lebensspanne unter glucotoxischen Bedingungen identifiziert werden.
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