Universität zu Köln

Gadalla, Dennis Said ORCID: 0000-0002-3856-6566 (2023). Genomic responses to dietary restriction in ageing mice. PhD thesis, Universität zu Köln.

PDF PhD_Thesis_Dennis_Said_Gadalla_n.pdf Download (44MB)

Abstract

Ageing is the process of a more or less continuous functional decline in physiological processes over time, resulting in deteriorating of health and culminating in death. Dietary restriction (DR), i.e. reduced food intake without malnutrition, is one of the most prominent ageing interventions, extending health and life-span in several model organisms. The increasing availability of high-throughput sequencing datasets is enabling researchers to address open questions about how DR can bring about its age-ameliorating effects at the system level. In the first part of my PhD thesis, I asked how chronic DR and late-life dietary switches from and to DR alter the DNA methylation landscape of the mouse white adipose tissue (WAT). The DNA methylation landscape is known to be altered by ageing, for example in the liver and WAT. Furthermore, the methylome could be a potential source contributing to a recently discovered persistent transcriptional response ("transcriptional memory") of the WAT: late-onset ad libitum (AL) feeding following life-long DR altered the transcriptional profile in the WAT, but late-onset DR following life-long AL induced a more persistent AL-mediated transcriptional profile. I found that chronic DR induces differential methylation in the WAT at gene bodies and promoters and these changes are functionally associated with increased lipogenesis, reduced inflammation, and HoxA-mediated tissue differentiation. In response to late-life dietary switches, persistent DNA methylation marks rarely overlapped with the transcriptional memory and were thus insuffcient to explain it on a global scale. Instead, late-life dietary switches induced differential methylation that was broadly uncoupled from transcriptional changes. This could be due to different time scales on which DR affects transcription and methylation: DR induces more rapid transcriptional changes associated with metabolic programs, whereas delayed DNA methylation changes are associated with slower WAT re-composition. Persistent DNA methylation marks could thereby store prior feeding information, serving as a "information buffer" to quickly recover transcriptional programs prior to a feeding switch. In the second part of my PhD thesis, I investigated the effects of ageing and DR on the axis of gene expression correlation. The progressive functional decline of ageing leads to a continuous perturbation of organismal homeostasis, whereas perturbations in one tissue may also affect the functionality in others. For example, chronic inflammation, disruption of circadian rhythms, metabolic diseases or disturbed cellular differentiation processes all are consequences of ageing, but may also contribute to each other and to the ageing process itself. These systemic processes and their perturbations could be reflected at the level of gene expression correlations between tissues. To test this hypothesis, I examined gene-wise expression correlation by comparing the transcriptional profiles of 17 tissues always originating from the same mouse of the Tabula muris senis dataset. I found a bias towards positive expression correlation in most tissues, reflecting tight global regulation of circadian rhythm genes, protein folding in metabolically active tissues, and metabolic function in adipose tissues. Strikingly, this expression correlation profile declined with age. Top genes with with frequent loss of correlation are thereby novel targets genes for age-related perturbation of regulation across tissues and included Btaf1, Map3k6, Ide, and Cirbp. Both the positive expression correlation bias and its age-related decline were also present in the independent human GTEx dataset. DR improved global expression correlation as compared to AL, and protected against age-related correlation loss in the kidney and liver, especially for circadian genes. Furthermore, DR induced the correlated expression of key transcription factors of the FoxO-mediated insulin signalling regulation, which was absent in AL, but may be related to the systemic age-amending effects of DR in nutrient-sensing tissues. In conclusion, I shed further light on the complex dynamics of DR and its impact on ageing. DR specifically induced remodelling of the DNA methylation landscape associated with lipogenesis and reduced inflammation in the WAT, and ameliorated the maintenance of tight circadian rhythm regulation throughout life while establishing a novel coordinated expression profile of nutrient sensing key genes in the kidney and the liver.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language UNSPECIFIED German
Translated abstract:	Abstract Language Altern zeichnet such durch den funktionellen Rückgang physiologischer Prozesse mit der Zeit aus, der zu einer Verschlechterung des Gesundheitszustands und schließlich zum Tod führt. Diätetische Restriktion (DR), die reduzierte Nahrungsaufnahme ohne Mangelernährung, ist eine der bekanntesten Alters-Interventionen, die sowohl Gesundheitsspanne als auch Lebensdauer verlängert. Die zunehmende Verfügbarkeit von Hochdurchsatz-Sequenzierungsdatensätzen ermöglicht eine bessere und detailliertere Charakterisierung der DR und ihres Einflusses auf den Alterunsprozess auf systematischer Ebene. Im ersten Teil meiner Doktorarbeit untersuche ich, wie chronische DR sowie eine späte Ernährungsumstellung von und auf DR die DNA-Methylierung im weißen Fettgewebe (WAT) der Maus verändern. Es ist bekannt, dass sich die DNA-Methylierung mit zunehmendem Alter verändert, z.B. in der Leber und im WAT. Obwohl sich das WAT auch als Schlüsselgewebe bei der Vermittlung von DR-Reaktionen erwiesen hat, ist weitgehend unklar, wie DR das Methylom des WAT beeinflusst. Zusätzlich könnte das Methylom eine Quelle für das kürzlich entdeckte persistente Transkriptionsmusters ("Transkriptions- Gedächtnis") des WAT sein, bei welchem eine spät angesetzte ad libitum (AL)-Ernährung nach lebenslanger DR das Transkriptionsprofil im WAT schnell verändert, während eine spät angesetzte DR nach lebenslanger AL nur wenig Einfluss auf das AL-induzierte Transkriptionsprofil hat. Ich fand heraus, dass chronische DR das Methylierungsmuster des WAT vor allem an Genen und deren Promotern veränderte, die funktionell mit erhöhter Lipogenese, reduzierter Gewebe-Entzündung und HoxA-vermittelter Gewebedifferenzierung assoziiert waren. Eine späte Ernährungsumstellung in alten Tieren konnte das transkriptionelle Gedächtnis im WAT nicht erklären, da nur wenige persistente DNA-Methylierungen mit diesem Gedächtnis assoziiert waren. Darüber hinaus waren differentielle Methylierungen, die durch eine spätere Ernährungsumstellung induziert wurden, generell selten mit transkriptionellen Veränderungen assoziiert. Hypothetisch könnte dies auf unterschiedliche Zeitskalen zurückzuführen sein, auf denen DR wirkt. Transkriptionsänderungen stehen im Zusammenhang mit Stoffwechselprogrammen und könnten deswegen früher und schneller ablaufen. Spätere, langsamere DNA-Methylierungsänderungen stehen dahingegend im Zusammenhang mit der Umstrukturierung des WAT. Persistente DNA-Methylierung könnten als "regulativer Puffer" Informationen über vergangene Ernährungsweisen speichern, um vergangene regulative Prozesse schnell wieder ansetzen zu können. Im zweiten Teil meiner Dissertation untersuche ich die Auswirkungen des Alterns und von DR auf die Korrelation der Genexpression. Der kontinuierliche funktionelle Abbau während des Alterns führt zu einer kontinuierlichen Störung der Homöostase eines Organismus, wobei Beeinträchtigungen in einem Gewebe auch die Funktionalität anderer Gewebe beeinträchtigen können. So sind z. B. chronische Entzündungen, Störungen des zirkadianen Rhythmus, Stoffwechselkrankheiten oder fehlerhafte zelluläre Differenzierungsprozesse Folgen des Alterns, können aber auch einander beschleunigen und zum Altern selbst beitragen. Solche systemischen Prozesse und deren altersbedingte Verschlechterung könnten sich auf der Ebene der Korrelation der Genexpression zwischen den Geweben widerspiegeln. Um diese Hypothese zu testen, habe ich die Korrelation der Genexpression untersucht, indem ich die Transkriptionsprofile von 17 Geweben der jeweils selben Maus aus dem Tabula muris senis Datensatz verglichen habe. Ich fand eine überwiegend positiven Expressionskorrelation in den meisten Geweben, die eine globale Regulierung von Genen für den zirkadianen Rhythmus, die Proteinfaltung in stoffwechselaktiven Geweben und die Stoffwechselfunktion in Fettgeweben widerspiegelt. Auffallend ist, dass dieses Expressionskorrelationsprofil mit zunehmendem Alter abnimmt. In diesem Zusammenhang habe ich Gene mit häufigem Korrelationsverlust zwischen Geweben aufgedeckt, die neue Zielgene für altersbedingte Störungen der Regulierung in allen Geweben sind, darunter Btaf1, Map3k6, Ide und Cirbp. Sowohl die Präsenz der Expressionskorrelation als auch ihr altersbedingter Rückgang waren auch in dem unabhängigen menschlichen GTEx-Datensatz zu beobachten. DR verbesserte die globale Expressionskorrelation der Niere und Leber im Vergleich zu AL und schützte vor altersbedingtem Korrelationsverlust, insbesondere bei zirkadianen Genen. Darüber hinaus induzierte DR, anders als AL, eine korrelierte Expression von Schlüsseltranskriptionsfaktoren der FoxO-vermittelten Insulinsignalregulation, die mit den systemischen altersverbessernden Effekten von DR in nährstoffsensiblen Geweben in Verbindung stehen könnte. Zusammenfassend habe ich zu der Beantwortung offener Fragen bezüglich der komplexen Dynamik der DR und ihrer Auswirkungen auf das Altern beigetragen. Ich habe gezeigt, dass DR im WAT zur Veränderung der DNA-Methylierungslandschaft beiträgt, die mit der Lipogenese und der Verringerung von Entzündungen verbunden ist. Außerdem verbessert DR die Aufrechterhaltung einer stabilen Regulierung des zirkadianen Rhythmusregulierung und aktiviert neue, zwischen Leber und Niere koordinierte Expressionsprofile, welche mit bekannten altersassoziierten Stoffwechselwegen in Verbindung stehen. UNSPECIFIED
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Gadalla, Dennis Said d.gadalla@uni-koeln.de orcid.org/0000-0002-3856-6566 UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-747119
Date:	2023
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Außeruniversitäre Forschungseinrichtungen > MPI for Biology of Ageing
Subjects:	Generalities, Science Natural sciences and mathematics Life sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language ageing, aging, mouse, mus musculus, dietary restriction, ad libitum, DR, AL, health span, omics, genetics, DNA methylation, transcription, correlation, inter-tissue, crosstalk, white adipose tissue, liver, kidney English Altern, Maus, Mus musculus, Diät, Diätrestriktion, Ad libitum, DR, AL, Gesundheitsspanne, omics, Genetik, DNA-Methylierung, Transkription, Korrelation, Gewebekkordination, weißes Fettgewebe, Leber, Niere German
Date of oral exam:	21 September 2023
Referee:	Name Academic Title Partridge, Linda Prof. Dr. Gehring, Niels Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/74711