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Circadian entrainment and molecular mechanisms of protein aggregation
Circadian entrainment and molecular mechanisms of protein aggregation
Living organisms used zeitgebers to synchronize/entrain their biological clocks (Pittendrigh, 1993). This synchronization specifies expression of genes and proteins to specific times of a day. Disruption of circadian entrainment has been reported to increase susceptibility to several diseases including cardiovascular diseases, cancer, dementia-associated disorders, metabolic disorders, etc. (Ferrell and Chiang, 2015; Musiek, 2015; Stevens et al., 2014), possibly due to disruption of phase specific molecular expression patterns. In the present study, we investigated how temperature, a zeitgeber of the circadian clock, impacts a model of poly glutamine aggregation diseases. Clinical studies showed that patients with these diseases have a lower amplitude endogenous temperature rhythm (Pierangeli et al., 1997). Furthermore, endogenous temperature rhythms in healthy mice are sufficient to localize Heat Shock Factor-1 (HSF-1), a transcription factor that regulates expression of numerous heat shock genes, in the nucleus (Reinke et al., 2008). Heat shock proteins are suppressors of protein aggregation. We hypothesized that temperature entrainment might directly impact protein aggregation via heat shock protein expression. To test this hypothesis, a C. elegans strain carrying a transgene expression of 35 glutamines (polyQ) was incubated in either constant temperature or 24 h temperature cycles. The aggregation of polyQ was significantly reduced in temperature cycles compared to constant conditions. We further investigated the composition of protein aggregates in the two temperature conditions, revealing greater complexity of aggregates formed in temperature cycles. We also investigated the expression of a subset of genes encoding heat shock proteins. We found that heat shock genes encoding proteins that have chaperone function are rhythmically expressed in temperature cycles. Neurodegenerative pathologies can invoke metabolic stress. Unpublished data (Olmedo, Geibel, Merrow) shows that metabolic stress impedes development. We investigated the rate of development in poly glutamine transgenic worms. Our data suggests that developmental timing is delayed in polyQ worms at all temperature conditions. The major finding of this work is that zeitgebers of circadian clock can decrease the load of protein aggregates in poly-glutamine model, apparently by structuring the expression of their suppressors., Lebende Organismen brauchen Zeitgeber, um ihre innere Uhr zu synchronisieren (Pittendrigh, 1993). Diese Synchronisation konzentriert die Expression von Genen und Proteinen auf bestimmte Tageszeiten. Eine Störung des zirkadianen Entrainments erhöht die Anfälligkeit für etliche Krankheiten, unter anderem Herz-Kreislauferkrankungen, Krebs, Demenz-assoziierte Störungen, Stoffwechselkrank-heiten und viele weitere (Ferrell and Chiang, 2015; Musiek, 2015; Stevens et al., 2014). Ursache hierfür ist möglicherweise eine Störung des phasenspezifischen molekularen Expressionsmusters. Einer der bekannten Zeitgeber für die innere Uhr ist Temperatur. In der vorliegenden Studie haben wir untersucht, welchen Einfluss diese auf ein Modell für Polyglutamin-Aggregationserkrankungen hat. Klinische Studien haben gezeigt, dass der zirkadiane Körpertemperaturrhythmus von Patienten mit solchen Krankheiten eine niedrigere Amplitude hat (Pierangeli et al., 1997). Bei gesunden Mäusen reichen endogene Temperaturzyklen aus, um Heat Shock-Faktor 1 (HSF-1) in den Zellkern zu lokalisieren (Reinke et al., 2008). HSF-1 ist ein Transkriptionsfaktor, der eine Vielzahl von Hitzeschockgenen reguliert. Diese sind wiederum Suppressoren der Proteinaggregation. Wir nehmen an, dass das Entrainment mit Temperaturzyklen durch die Expression von Hitzeschockproteinen einen direkten Einfluss auf die Proteinaggregation hat. Um diese Hypothese zu untersuchen, wurde ein transgener Stamm des Fadenwurms C. elegans verwendet, welcher eine Mutation aufweist, die zur Expression von 35 Glutaminresten (PolyQ) führt. Die Würmer wurden entweder in konstanter Temperatur oder in Temperaturzyklen gehalten. Die PolyQ-Aggregation in Temperaturzyklen war im Vergleich zu konstanten Bedingungen signifikant geringer. Ferner untersuchten wir die Zusammensetzung der Aggregate in den beiden Temperaturregimes, wobei sich bei den Aggregaten aus den Temperaturzyklen eine deutlich größere Komplexität zeigte. Als Nächstes wurde die Expression einiger ausgewählter Gene untersucht, welche für Hitzeschockproteine kodieren. Dabei haben wir herausgefunden, dass die Hitzeschockgene, die für Proteine mit Chaperon-Funktion kodieren, in Temperaturzyklen rhythmisch exprimiert werden. Neurodegenerative Erkrankungen können zu metabolischer Belastung führen. Noch nicht veröffentlichte Daten aus unserem Labor (Olmedo, Geibel, Merrow) zeigen, dass dieser Stoffwechselstress die Entwicklung behindern kann. Wir haben daher die Geschwindigkeit der Entwicklung in transgenen PolyQ-Würmern untersucht. Unsere Daten deuten darauf hin, dass die Entwicklung dieser Tiere bei allen bisher untersuchten Temperaturen verzögert ist. Die Haupterkenntnis der vorliegenden Arbeit ist, dass physiologische Zeitgeberzyklen - scheinbar durch die zeitlich strukturierte Expression von Suppressoren - die Menge an Proteinaggregaten in einem Polyglutamin-Modell verringern können., Deutsche Übersetzung des Titels: Zirkadianes Entrainment und molekulare Mechanismen von Protein-Aggregation
Zeitgebers, Circadian Entrainment, Heat Shock Proteins, Protein Aggregation
Koritala, Bala Subrahmanya Chakravarthy
2016
English
Universitätsbibliothek der Ludwig-Maximilians-Universität München
Koritala, Bala Subrahmanya Chakravarthy (2016): Circadian entrainment and molecular mechanisms of protein aggregation. Dissertation, LMU München: Faculty of Medicine
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Abstract

Living organisms used zeitgebers to synchronize/entrain their biological clocks (Pittendrigh, 1993). This synchronization specifies expression of genes and proteins to specific times of a day. Disruption of circadian entrainment has been reported to increase susceptibility to several diseases including cardiovascular diseases, cancer, dementia-associated disorders, metabolic disorders, etc. (Ferrell and Chiang, 2015; Musiek, 2015; Stevens et al., 2014), possibly due to disruption of phase specific molecular expression patterns. In the present study, we investigated how temperature, a zeitgeber of the circadian clock, impacts a model of poly glutamine aggregation diseases. Clinical studies showed that patients with these diseases have a lower amplitude endogenous temperature rhythm (Pierangeli et al., 1997). Furthermore, endogenous temperature rhythms in healthy mice are sufficient to localize Heat Shock Factor-1 (HSF-1), a transcription factor that regulates expression of numerous heat shock genes, in the nucleus (Reinke et al., 2008). Heat shock proteins are suppressors of protein aggregation. We hypothesized that temperature entrainment might directly impact protein aggregation via heat shock protein expression. To test this hypothesis, a C. elegans strain carrying a transgene expression of 35 glutamines (polyQ) was incubated in either constant temperature or 24 h temperature cycles. The aggregation of polyQ was significantly reduced in temperature cycles compared to constant conditions. We further investigated the composition of protein aggregates in the two temperature conditions, revealing greater complexity of aggregates formed in temperature cycles. We also investigated the expression of a subset of genes encoding heat shock proteins. We found that heat shock genes encoding proteins that have chaperone function are rhythmically expressed in temperature cycles. Neurodegenerative pathologies can invoke metabolic stress. Unpublished data (Olmedo, Geibel, Merrow) shows that metabolic stress impedes development. We investigated the rate of development in poly glutamine transgenic worms. Our data suggests that developmental timing is delayed in polyQ worms at all temperature conditions. The major finding of this work is that zeitgebers of circadian clock can decrease the load of protein aggregates in poly-glutamine model, apparently by structuring the expression of their suppressors.

Abstract

Lebende Organismen brauchen Zeitgeber, um ihre innere Uhr zu synchronisieren (Pittendrigh, 1993). Diese Synchronisation konzentriert die Expression von Genen und Proteinen auf bestimmte Tageszeiten. Eine Störung des zirkadianen Entrainments erhöht die Anfälligkeit für etliche Krankheiten, unter anderem Herz-Kreislauferkrankungen, Krebs, Demenz-assoziierte Störungen, Stoffwechselkrank-heiten und viele weitere (Ferrell and Chiang, 2015; Musiek, 2015; Stevens et al., 2014). Ursache hierfür ist möglicherweise eine Störung des phasenspezifischen molekularen Expressionsmusters. Einer der bekannten Zeitgeber für die innere Uhr ist Temperatur. In der vorliegenden Studie haben wir untersucht, welchen Einfluss diese auf ein Modell für Polyglutamin-Aggregationserkrankungen hat. Klinische Studien haben gezeigt, dass der zirkadiane Körpertemperaturrhythmus von Patienten mit solchen Krankheiten eine niedrigere Amplitude hat (Pierangeli et al., 1997). Bei gesunden Mäusen reichen endogene Temperaturzyklen aus, um Heat Shock-Faktor 1 (HSF-1) in den Zellkern zu lokalisieren (Reinke et al., 2008). HSF-1 ist ein Transkriptionsfaktor, der eine Vielzahl von Hitzeschockgenen reguliert. Diese sind wiederum Suppressoren der Proteinaggregation. Wir nehmen an, dass das Entrainment mit Temperaturzyklen durch die Expression von Hitzeschockproteinen einen direkten Einfluss auf die Proteinaggregation hat. Um diese Hypothese zu untersuchen, wurde ein transgener Stamm des Fadenwurms C. elegans verwendet, welcher eine Mutation aufweist, die zur Expression von 35 Glutaminresten (PolyQ) führt. Die Würmer wurden entweder in konstanter Temperatur oder in Temperaturzyklen gehalten. Die PolyQ-Aggregation in Temperaturzyklen war im Vergleich zu konstanten Bedingungen signifikant geringer. Ferner untersuchten wir die Zusammensetzung der Aggregate in den beiden Temperaturregimes, wobei sich bei den Aggregaten aus den Temperaturzyklen eine deutlich größere Komplexität zeigte. Als Nächstes wurde die Expression einiger ausgewählter Gene untersucht, welche für Hitzeschockproteine kodieren. Dabei haben wir herausgefunden, dass die Hitzeschockgene, die für Proteine mit Chaperon-Funktion kodieren, in Temperaturzyklen rhythmisch exprimiert werden. Neurodegenerative Erkrankungen können zu metabolischer Belastung führen. Noch nicht veröffentlichte Daten aus unserem Labor (Olmedo, Geibel, Merrow) zeigen, dass dieser Stoffwechselstress die Entwicklung behindern kann. Wir haben daher die Geschwindigkeit der Entwicklung in transgenen PolyQ-Würmern untersucht. Unsere Daten deuten darauf hin, dass die Entwicklung dieser Tiere bei allen bisher untersuchten Temperaturen verzögert ist. Die Haupterkenntnis der vorliegenden Arbeit ist, dass physiologische Zeitgeberzyklen - scheinbar durch die zeitlich strukturierte Expression von Suppressoren - die Menge an Proteinaggregaten in einem Polyglutamin-Modell verringern können.

Abstract

Deutsche Übersetzung des Titels: Zirkadianes Entrainment und molekulare Mechanismen von Protein-Aggregation