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Regulation of FBP1 expression and changes in glucose metabolism are crucial for an appropriate response to DNA damage and aging in S.cerevisiae

Kitanovic, Ana

German Title: Regulation der FBP1 Expression und Änderungen im Glukosestoffwechsel sind entscheidend für eine angepasste Antwort auf DNA-Schädigung und Altern in der Hefe S.cerevisiae

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Abstract

Exposure of living organisms to smaller amounts of toxic agents and other adverse effects may be more common in natural environments than direct impact of highly cytotoxic doses of the same agents. Occurring over various time spans or as the consequence of repeated exposures, the accumulation of mutations may be as critical for the organism as the immediate cytotoxic effect. Therefore, cellular response to the treatment with DNA-damaging substances at low concentrations which are genotoxic but do not have a strong cytotoxic effect are of special interest. Investigating the transcriptional response of S.cereveisiae to low doses of the alkylating agent methylmethane sulfonate (MMS) we observed that cellular sensitivity to MMS directly depends on their ability to immediately induce the basic, stereotypical stress response program called ESR. Modulation of basic metabolic pathways and induction of diauxic shift are factors that directly contributed to the increased resistance of the FF18984 strain to MMS. Metabolic adaptation and pre-induction of ESR resulting from nutrient deprivation helped this strain to cope better with the toxic effect of genotoxic agents applied later such as MMS. Our results showed that the major stimulus that triggers the adaptive response and the induction of ESR genes upon MMS treatment is an alteration in glucose utilization. These results point to an important correlation between metabolic pathways and the ability of living organisms to cope with adverse environmental conditions. Moreover, the induction of ESR seemed to be the most important prerequisite for a proper and fast cellular response to DNA damage. Expression of the key enzyme of gluconeogenesis fructose-1,6-bisphosphatase (FBP1) was clearly up-regulated by MMS in glucose-rich medium. Interestingly, deletion of FBP1 led to reduced sensitivity to MMS, but not to other DNA damaging agents such as 4-nitroquinoline (4-NQO) or phleomycin. The reduced sensitivity of the fbp1 mutant was the result of better recovery of this mutant after a long-term treatment with MMS. Reintroduction of FBP1 in the knockout strain restored the wild-type phenotype while overexpression increased MMS-sensitivity of wild-type. The connection between Fbp1p and one of the most important DNA damage signalling cascade that starts with the Mec1/Tel1 damage sensors was investigated with the RNR2-GFP reporter assay. These experiments revealed that the deletion of FBP1 had no effect on induction through the RNR2 promoter while overexpression of FBP1 significantly increased the activity of the RNR2 promoter. These results indicated that the increased intracellular level of Fbp1p after DNA damage caused by MMS probably acts as a signal that mediates cellular response to this toxic agent. Deletion of FBP1 reduced the production of reactive oxygen species (ROS) in response to MMS and in untreated aged cells. The mutant cells showed delayed production of ROS in the first fifteen days in aging culture what resulted in better viability in full medium. In minimal medium the lack of Fbp1p was no advantage for cellular survival. In these conditions aged fbp1 mutants survived even less and accumulated similar levels of ROS. Elevated amounts of Fbp1p shortened life-span, but did not have any influence on ROS accumulation. These results showed that Fbp1p is an important factor that modulates ROS production in response to MMS treatment and aging. However, in media with limited nutrients Fbp1p is a critical factor for cellular survival and its lack is rather a disadvantage. Based on the above observations, we concluded that FBP1 influences the connection between DNA damage, aging and oxidative stress either through direct signalling or an intricate adaptation in energy metabolism. In consequence, the tight regulation of FBP1 expression and age-associated changes in glucose metabolism are not only crucial for the control of gluconeogenesis but also for an appropriate response to aging and DNA damage.

Translation of abstract (German)

In einer natürlichen Umgebung ist zu vermuten, dass lebende Organismen kleineren Mengen toxischer Agenzien ausgesetzt sind, die nicht direkt zum Zelltod führen. Die Akkumulation von Mutationen, die durch die Einwirkung des toxischen Agens auf die Zellen über längere Zeitspannen oder durch eine wiederholte Exposition zustande kommen, kann für den Organismus genauso kritisch sein, als ein sofortiger zytotoxischer Effekt. Deshalb ist die zelluläre Antwort auf die Behandlung mit DNA schädigenden Substanzen in niedrigen Konzentrationen, in denen sie einen genotoxischen, jedoch keinen stark zytoxischen Effekt besitzen, von besonderem Interesse. Bei der Untersuchung der transkriptionalen Antwort von S. cereveisiae auf kleine Dosen des alkylierenden Agens Methylmethansulfonat (MMS) haben wir beobachtet, dass die Empfindlichkeit der Zellen gegenüber MMS direkt von ihrer Fähigkeit abhängt, unmittelbar die grundlegende allgemeine Stressantwort (ESR) einzuleiten.. Die Anpassung der grundlegenden Metabolismuswege und die Induktion des „Diauxic Shifts“ sind weitere Faktoren, die direkt an der gesteigerten Widerstandskraft des Stammes FF18984 gegenüber MMS beteiligt sind. Die durch eine Entziehung von Nährstoffen vermittelte Induktion der ESR und die damit verbundene metabolische Anpassung ermöglicht es den Zellen mit toxischen Effekten genotoxischer Agenzien, die wie MMS später zugefügt werden, zurechtzukommen. Unsere Ergebnisse zeigen, dass der wichtigste Stimulus für eine angepasste Antwort und die Induktion der ESR Gene auf eine MMS Behandlung, eine Änderung in der Glukosenutzung ist. Diese Ergebnisse führen zu einer wichtigen Beziehung zwischen den metabolischen Signalwegen und der Fähigkeit lebender Organismen mit ungünstigen Umweltbedingungen umzugehen. Des Weiteren scheint die Induktion der ESR die wichtigste Bedingung für eine korrekte und schnelle zelluläre Antwort auf DNA Schäden zu sein. Die Expression des Schlüsselenzyms der Glukoneogenese Fructose-1,6-bisphosphatase (FBP1) wird durch eine Behandlung mit MMS in glukosereichem Medium hochreguliert. Interessanter Weise führt das Fehlen von FBP1 zu einer Verringerung der Sensitivität gegenüber MMS, nicht aber gegenüber anderen DNA schädigenden Substanzen, wie 4-Nitroquinolin (4-NQO) oder Phleomycin. Die verringerte Sensitivität des fbp1 Mutanten ist das Ergebnis einer besseren Erholung dieses Mutanten nach einer Langzeitbehandlung mit MMS. Das Wiedereinführen von FBP1 in einen Knockoutstamm stellt den Phenotyp des Wildtyps wieder her, wohingegen die Überexpression von FBP1 zu einer gesteigerten MMS Sensitivität des Wildtyps führt. Die Verbindung zwischen Fbp1p und einer der wichtigsten Signalkaskaden bei DNA Schäden, die mit den Mec1/Tel1 Sensoren beginnt, wurde mit Hilfe des RNR2-GFP Reporterassays untersucht. Diese Experimente offenbaren, dass die Deletion von FBP1 keinen Einfluss auf die Induktion des RNR2 Promotor hat, während eine Überexpression von FBP1 zu einem signifikanten Anstieg der Aktivität des RNR2 Promotors führt. Dieses Ergebnis deutet auf die Schlussfolgerung hin, dass der ansteigende zelluläre Fbp1p Spiegel nach einer DNA- Schädigung, durch MMS möglicher Weise als ein Signal fungiert, das die Antwort der Zelle auf dieses toxische Agens vermittelt. Die Deletion von FBP1 vermindert die Bildung von Reaktiven Sauerstoff Spezies (ROS) als Antwort auf MMS oder in gealterten unbehandelten Zellen. In Vollmedium zeigten Mutanten eine verzögerte ROS Produktion in den ersten fünfzehn Tagen einer alternden Kultur, was zu einer besseren Lebensfähigkeit führte. In Minimalmedium ist das Fehlen vom Fbp1p kein Vorteil für das Überleben der Zellen. Unter diesen Bedingungen überlebten sogar weniger fbp1 Mutanten und sie akkumulierten ähnliche ROS Spiegel. Erhöhte Mengen Fbp1p verkürzten die Lebenszeit, hatten jedoch keinen Einfluss auf die Ansammlung von ROS. Diese Ergebnisse zeigen, dass Fbp1p ein bedeutender Faktor ist, der die Produktion von ROS als Antwort auf eine MMS Behandlung und das Altern moduliert. In Medien mit eingeschränktem Nährstoffangebot ist Fbp1p jedoch ein kritischer Faktor für das Überleben der Zellen und sein Fehlen ist eher ein Nachteil. Auf Grundlage dieser Beobachtungen kommen wir zu dem Schluss, dass FBP1 die Verbindung zwischen der Schädigung der DNA, dem Altern und oxidativem Stress, entweder über einen direkten Signalweg oder durch eine komplexe Anpassung im Energiemetabolismus, beeinflusst. Als Folge sind die enge Regulation der FBP1 Expression und die mit dem Alter verknüpften Veränderungen im Glukosestoffwechsel nicht nur für die Kontrolle der Gukoneogenese, sondern auch für eine passende Reaktion auf das Altern und die Schädigung von DNA entscheidend.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Wölfl, Dr. Stefan Proff.
Date of thesis defense: 25. July 2006
Date Deposited: 10. Aug 2006 10:59
Date: 2006
Faculties / Institutes: The Faculty of Bio Sciences > Institute of Pharmacy and Molecular Biotechnology
Subjects: 570 Life sciences
Controlled Keywords: Apoptosis, Altern, DNS-Schädigung, Genregulation
Uncontrolled Keywords: FBP1 , GlukosestoffwechselFBP1 , glucose metabolism
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