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Bitte verwenden Sie diesen Link, wenn Sie dieses Dokument zitieren oder verlinken wollen: https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:gbv:9-001317-7

The role of hydrogen peroxide in the lifespan of Caenorhabditis elegans

  • The leading hypothesis of why organisms age is the “Free Radical Theory of Aging”, which states that the accumulation of reactive oxygen species (ROS), such as superoxide (O2•-) and hydrogen peroxide (H2O2), causes protein, lipid and DNA damage and leads to the observed age-related decline of cells and tissues. A major obstacle in analyzing the role of oxidative stress in aging organisms is the inability to precisely localize and quantify the oxidants, to identify proteins and pathways that might be affected, and ultimately, to correlate changes in oxidant levels with the lifespan of the organism. To directly monitor the onset and extent of oxidative stress during the lifespan of Caenorhabditis elegans, we utilized the fluorescent H2O2 sensor protein HyPer, which enabled us to quantify endogenous peroxide levels in different tissues of living animals in real time. We made the surprising observation that wildtype C. elegans is exposed to very high peroxide levels during development. Peroxide levels drop rapidly as the animals mature, and low peroxide levels then prevail throughout the reproductive age, after which an age-accompanying increase of peroxide level is observed. These results were in excellent agreement with findings obtained by using the highly quantitative redox proteomic technique OxICAT, which monitors the oxidation status of redox-sensitive proteins as read-out for onset, localization, and protein targets of oxidative stress. By using OxICAT, we detected increased protein thiol oxidation during the development of C. elegans and in aging animals. Many processes in C. elegans might potentially contribute to the elevated peroxide levels observed during development, including cuticle formation, apoptosis, proliferation, gametogenesis, or ROS signaling. The finding that all investigated C. elegans mutants regardless of their lifespan are exposed to high developmental peroxide levels argues for ROS accumulation to be a universal and necessary event. Yet, recovery from the early oxidative boost might determine the subsequent adult lifespan, as we found that long-lived daf-2 mutants transition faster to reducing conditions than short-lived daf-16 mutants, which retain higher peroxide levels throughout their mature life. These results suggest that changes in the cellular oxidant homeostasis, encountered at a very early stage in life, might determine subsequent redox levels and potentially the lifespan of organisms. Manipulation of developmental oxidant levels using glucose restriction or a short bolus of superoxide caused a disruption in developmental growth, a delay in reproduction, and a shortened lifespan. These results suggest that developmental oxidant levels are fine-tuned and optimized. Future experiments are aimed to investigate the sources of developmental hydrogen peroxide, and to elucidate whether active down-regulation of antioxidant enzymes during the larval period might foster peroxide accumulation. Preliminary results indicate that this might indeed be the case for peroxiredoxin 2, whose expression was significantly lower during development than at later stages in life. Finally, we investigated whether the observed variances in the developmental peroxide levels of individual worms within a synchronized wildtype population might be responsible for the observed significant variances in lifespan, and hence could serve as a predictor for adult lifespan. Preliminary results revealed that neither too low nor too high peroxide levels during development are beneficial for the lifespan of wildtype worms, suggesting that ROS level during development might be optimized for maximized lifespan. Future experiments aim to reveal the processes that are affected by ROS and which might influence the individual’s lifespan early in life.
  • Die führende Hypothese, um zu erklären warum Organismen altern, ist die “Free Radical Theory of Aging”. Sie postuliert, dass sich reaktive Sauerstoffspezies (Reactive Oxygen Species, ROS), wie beispielsweise Hyperoxid-Anion (O2•-) und Wasserstoffperoxid (H2O2), über die Zeit anhäufen und Schäden an Proteinen, Lipiden und DNA verursachen, die zu der beobachteten altersbedingten Degeneration von Zellen und Geweben führt. Die Analyse der Rolle von oxidativem Stress in alternden Organismen wird behindert durch 1) die Unfähigkeit, die Sauerstoffspezies genau zu lokalisieren und zu quantifizieren, 2) Proteine und Signalwege, die betroffen sein können, zu identifizieren und 3) Fluktuationen von oxidativen Stress mit der Lebensdauer von Organismen zu korrelieren. Um den Beginn und den Umfang des oxidativen Stresses über die Lebensspanne von Caenorhabditis elegans zu studieren, wurde das fluoreszierende Sensorprotein HyPer verwendet, welches endogene H2O2-Spiegel in spezifischen Geweben nachweist. Zu unserer Überraschung fanden wir, dass Wildtyp Nematoden schon während ihrer Entwicklung sehr hohen Peroxidspiegeln ausgesetzt sind, die sehr schnell sinken, sobald die Würmer ihr fruchtbares Alter erreichen. Eine erneute Erhöhung von Peroxidspiegeln wurde beobachtet, sobald die Tiere Alterungserscheinungen zeigten. Diese Ergebnisse passten hervorragend zu den Erkenntnissen, die wir mit Hilfe von OxICAT, einer quantitativen Redox-Proteomik-Technik, gewonnen haben. OxICAT bestimmt den Oxidationsstatus von vielen redox-sensitiven Cysteinen, und erlaubt dadurch Rückschlüsse auf die Sauerstoffspezies, das betroffene Protein sowie den Zeitpunkt des Einsetzens der Oxidation. Wir fanden, dass C. elegans während der Entwicklung und im Alter eine erhöhte Oxidation der Protein-Thiol-Gruppen aufwies. Viele physiologische Prozesse in C. elegans, wie zum Beispiel die Bildung der Kutikula, Apoptose, Gametogenese, Proliferation, oder ROS-regulierte Signalwege, tragen möglicherweise zur Erhöhung der Peroxidspiegel während der Entwicklung bei. Dass alle untersuchten C. elegans-Mutanten unabhängig von ihrer Lebensdauer hohe Peroxidspiegel während ihrer Entwicklung zeigten, spricht dafür, dass die Akkumulation von ROS universell und notwendig sein könnte. Die Fähigkeit zur Erholung von diesem frühen oxidativen Stress könnte dagegen noch auf die spätere Lebenserwartung von erwachsenen Nematoden Einfluss haben. Wir fanden beispielsweise, dass die langlebigen daf-2-Mutanten Peroxidspiegel schneller reduzieren als kurzlebige daf-16-Mutanten, welche höhere Peroxidspiegel in der (noch) verbleibenden Lebenszeit aufwiesen. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass sich Änderungen in der zellulären Redox-Homöostase, welche sich in einem frühen Entwicklungsstadium abspielen, auf die Redox-Spiegel im Erwachsenenalter auswirken und damit womöglich die Lebensdauer der Organismen beeinflussen können. Die Manipulation von Peroxidspiegeln, beispielweise durch Restriktion der Glukosezufuhr oder kurzzeitigem superoxidativen Stress, führte zu negativen Effekten in der Entwicklung, Fortpflanzung und Lebensdauer. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Redox-Homöostase im Larvenstadium genau reguliert und optimiert ist. Zukünftige Experimente sollen den Ursprung der Wasserstoffperoxidbildung in der Entwicklung untersuchen und aufzeigen, ob beispielsweise die Aktivität und/ oder die Expression antioxidativer Enzyme im Larvenstadium verändert sein könnte. Vorläufige Ergebnisse deuten darauf hin, dass dies für die Peroxidase Peroxiredoxin 2 tatsächlich zutreffen könnte. Die Expression von Peroxiredoxin 2 ist während der Entwicklung wesentlich niedriger als in späteren Entwicklungsstufen. Schließlich untersuchten wir, ob die beobachteten Fluktuationen in den Peroxidspiegeln individueller Würmer während des Larvenstadiums möglicherweise mit der Lebensdauer der Nematoden zusammenhängen könnte. Erste Ergebnisse weisen darauf hin, dass weder erniedrigte noch erhöhte Peroxidspiegel während der Entwicklung die Lebensdauer der Würmer positiv beeinflussen. Dies könnte bedeuten, dass eine optimierte Dosierung von Sauerstoffspezies im Larvenstadium zu einer Maximierung der Lebenserwartung beiträgt. Zukünftige Experimente sollen zeigen, welche Prozesse von ROS beeinflusst werden, und ob die individuelle Lebensdauer eines Organismus möglicherweise schon sehr früh im Leben festgelegt wird.

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Metadaten
Author: Daniela Knoefler
URN:urn:nbn:de:gbv:9-001317-7
Title Additional (German):Die Rolle des Wasserstoffperoxids über die Lebensspanne von Caenorhabditis elegans
Advisor:Prof. Dr. Hans-Joachim Schüller
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2012/10/15
Granting Institution:Ernst-Moritz-Arndt-Universität, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät (bis 31.05.2018)
Date of final exam:2012/10/10
Release Date:2012/10/15
Tag:C. elegans, aging, hydrogen peroxide, oxidative stress
GND Keyword:Altern, Caenorhabditis elegans, Wasserstoffperoxid
Faculties:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Mikrobiologie - Abteilung für Genetik & Biochemie
DDC class:500 Naturwissenschaften und Mathematik / 570 Biowissenschaften; Biologie