Ο ρόλος των παραγόντων μεταβολισμού των μηνυμάτων RNA (mRNA) που εντοπίζονται στα σωμάτια Π (P bodies) στη διαδικασία της γήρανσης

Abstract

In the last few years, it has been established that changes in protein synthesis rates can influence the lifespan of many model organisms. Protein synthesis control mainly takes place at the stage of translation initiation where phosphorylation of the eukaryotic translation Initiation Factor 2 (eIF2) plays a catalytic role in the reduction of general protein synthesis levels as well as the induction of specific genetic programs for the response under stressful conditions. Protein synthesis control can also be achieved through mRNA metabolism. Some messenger Ribonucleic acid-Protein granules (mRNP granules), such as Processing Bodies (PBs) or Stress Granules (SGs) seem to play a central role in mRNA metabolism control.In order to investigate the role of mRNA metabolism factors constituting the above granules in the aging process and the organismal stress response we used Caenorhabditis elegans as a powerful model organism appropriate for the aim of this study.In the first part, we monitored the dynamic formation of PBs and SGs, in somatic cells of adult worms, using fluorescently tagged protein markers of each complex. Both complexes were accumulated in response to various stress conditions, but distinct modes of SG formation were induced, depending on the insult. We also observed an age-dependent accumulation of PBs but not SGs. We further showed that direct alterations in PB-related genes, can influence aging and normal stress responses, beyond their developmental role. In addition, disruption of SG-related genes had diverse effects on development, fertility, lifespan and stress resistance of worms. Our work therefore underlines the important roles of mRNA metabolism factors in several vital cellular processes and provides insight into their diverse functions in a multicellular organismAs it has already been mentioned, protein synthesis control, especially under stressful conditions, is of vital importance for all organisms. So, apart from mRNA metabolism, we extended our research to the role of eIF2 phosphorylation from specific kinases in the process of aging and stress response of C. elegans. One such kinase is the general control non-derepressible 2 (GCN2) kinase which defines a nutrient-sensing pathway that responds to amino acids deficiency and induces a genetic program to effectively maintain cellular homeostasis. In the second part of this study, we established the conserved role of C. elegans GCN-2 under amino acid limitation as a translation initiation factor 2 (eIF2) kinase. Using a combination of genetic and molecular approaches we showed that GCN-2 kinase activity plays a central role in survival under nutrient stress and mediates lifespan extension conferred by dietary restriction (DR) or inhibition of the major nutrient-sensing pathway, the target of rapamycin (TOR). We also demonstrated that the GCN-2 and TOR signaling pathways converge on the PHA-4/FoxA transcription factor and its downstream target genes to ensure survival of the whole organism under a multitude of stress conditions, such as nutrient scarcity or environmental stresses.

Έχει αποδειχθεί, πως αλλαγές στα επίπεδα πρωτεϊνοσύνθεσης, είναι δυνατό να επηρεάσουν τη διάρκεια της ζωής πολλών οργανισμών. Η ρύθμιση της πρωτεϊνοσύνθεσης πραγματοποιείται κατά βάση στο στάδιο της έναρξης της μετάφρασης, όπου η φωσφορυλίωση του παράγοντα έναρξης της μετάφρασης 2 (eukaryotic translation Initiation Factor 2, eIF2) διαδραματίζει καταλυτικό ρόλο τόσο στη μείωση των επιπέδων της συνολικής πρωτεϊνοσύνθεσης, όσο και στην επαγωγή ειδικών γενετικών προγραμμάτων απόκρισης σε ειδικές καταστάσεις. Βέβαια, ο έλεγχος του ρυθμού πρωτεϊνοσύνθεσης είναι δυνατόν να επιτευχθεί και μέσω του μεταβολισμού των μηνυμάτων RNA (mRNA). Κεντρικό ρόλο στη συγκεκριμένη διαδικασία φαίνεται να διαδραματίζουν κάποια αγγελιοφόρα ριβονουκλεοπρωτεϊνικά κοκκία (messenger Ribonucleic acid- Protein granules, mRNP granules), που καλούνται σωμάτια Π (P-bodies, PBs) ή σωμάτια GW σε ανθρώπινα κύτταρα (GW bodies), αλλά και άλλοι τύποι mRNP κοκκίων, όπως είναι τα κοκκία στρες (Stress Granules, SG).Προκειμένου να μελετήσουμε τον ρόλο των παραγόντων μεταβολισμού, που απαρτίζουν τα παραπάνω κοκκία, στη διαδικασία της γήρανσης, αλλά και της απόκρισης σε στρες, χρησιμοποιήσαμε το νηματώδη Caenorhabditis elegans, καθώς είναι ένας πανίσχυρος οργανισμός-μοντέλο, που ενδείκνυται για το σκοπό της μελέτης μας.Στο πρώτο μέρος, καταγράφηκε η δυναμική συγκρότηση των PBs και των SGs σε σωματικά κύτταρα ενήλικων νηματωδών χρησιμοποιώντας πρωτεϊνικούς μάρτυρες των συγκεκριμένων δομών συντηγμένους με φθορίζουσες πρωτεΐνες. Κάτω από στρεσογόνες συνθήκες παρατηρήθηκε ο σχηματισμός και των δύο αυτών τύπων συσσωματωμάτων, με τα SGs όμως να παρουσιάζουν διαφορές ανάλογα με το ερέθισμα. Επίσης, διαπιστώθηκε ο σχηματισμός περισσότερων και μεγαλύτερων PBs με την πάροδο της ηλικίας. Κάτι τέτοιο, όμως, δεν έγινε αντιληπτό στην περίπτωση των SGs. Ακόμα, καταγράφηκε πως αλλαγές σε γονίδια που κωδικοποιούν για συστατικά των PBs είναι δυνατό να επηρεάσουν τη γήρανση και τη φυσιολογική απόκριση σε στρες, πέρα από το ρόλο τους στην αναπτυξιακή διαδικασία του νηματώδη. Επιπρόσθετα, παρατηρήθηκε πως η έλλειψη γονιδίων που κωδικοποιούν για συστατικά των SGs είχε διαφορετικές συνέπειες στην ανάπτυξη, τη γονιμότητα, τη μακροβιότητα και την απόκριση σε στρες του νηματώδη.Πέρα από το μεταβολισμό του mRNA, θελήσαμε να επεκτείνουμε τη μελέτη μας στο ρόλο που διαδραματίζει η φωσφορυλίωση του eIF2, από την κινάση GCN2, στη γήρανση και την απόκριση σε στρες, του C. elegans. Έτσι, στο δεύτερο μέρος αρχικά αποδείχθηκε ο εξελικτικά συντηρημένος ρόλος της GCN-2 του C. elegans ως κινάση του eIF2, κάτω από συνθήκες στέρησης αμινοξέων. Χρησιμοποιήθηκε ένας συνδυασμός γενετικών και μοριακών προσεγγίσεων και διαπιστώθηκε πως η GCN-2 διαδραματίζει κεντρικό ρόλο στην επιβίωση σε συνθήκες έλλειψης θρεπτικών. Επίσης, διαμεσολαβεί την αύξηση της διάρκειας της ζωής που προκαλεί ο διαιτητικός περιορισμός (Dietary Restriction, DR) και η παρεμπόδιση του κύριου σηματοδοτικού μονοπατιού απόκρισης στη διαθεσιμότητα θρεπτικών, που δεν είναι άλλο, από το μονοπάτι TOR (Target Of Rapamycin). Επιπλέον, δείχθηκε η σύγκλιση της σηματοδοσίας των μονοπατιών της GCN-2 και της TOR στο μεταγραφικό παράγοντα PHA-4/FoxA και τους καταρροϊκούς γονιδιακούς στόχους του, ώστε να διασφαλιστεί η επιβίωση του οργανισμού κάτω από πολλές διαφορετικές στρεσογόνες συνθήκες, όπως είναι η ανεπάρκεια θρεπτικών και το περιβαλλοντικό στρες.