Universität zu Köln

Srivastava, Anchal (2016). Functional analysis of the role of GCN2 kinase in longevity and amino acid homeostasis in Drosophila melanogaster. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

The eIF2α kinase, General Control Non-derepressible-2 (GCN2), senses amino acid starvation and coordinates cellular translation with amino acid availability allowing cells to cope with the nutritional stress. Accumulating evidence shows an important role of amino acids in modulation of longevity and healthspan in diverse species, however the underlying mechanisms remain elusive. With its function as an evolutionarily conserved amino acid starvation sensor, GCN2 kinase is a potential candidate to be involved in regulation of amino-acid-dependent physiological responses. In the first part of this study, I have analyzed the in vivo functions of GCN2 kinase under deprivation of each of the 10 essential amino acids (EAAs) using a Drosophila Gcn2 null mutant and a fully defined chemical diet. The present study shows that GCN2 function is essential for ensuring fly development and survival under deprivation of individual EAAs. Furthermore, this study suggests that GCN2 induces a compensatory feeding response in flies under long-term nutritional deprivation of an EAA, leading to increased lipid level, which is probably causal for the increased resistance of flies under full starvation. Interestingly, Gcn2 null mutant and wild-type control flies exhibit similar physiological responses upon methionine deprivation, suggesting that methionine is the only EAA whose deprivation is sensed by a GCN2-independent mechanism. Furthermore, I tested whether enhanced expression of the downstream effector of GCN2 kinase, activating transcription factor-4 (ATF4), in the absence of GCN2 is sufficient to rescue the phenotypes of Gcn2 null mutant under starvation of different EAAs. The present study shows that ATF4 activation partially rescues GCN2 mediated functions under deprivation of specific EAAs and that the rescue efficiency upon ATF4 activation depends on which EAA is being deprived from the diet. Another important finding of this study is that an EAA starvation is different from full amino acid starvation and probably sensed by GCN2-independent mechanisms. In addition, this study shows that in contrast to worms, GCN2 function in flies is not essential for lifespan extension conferred by rapamycin-mediated Target of Rapamycin (TOR) inhibition. In the second part of this study, I have analyzed the role of GCN2 kinase in dietary restriction (DR) and the transsulfuration pathway (TSP). Amino acids, particularly methionine and cysteine, play an important role in mediating longevity and health benefits of DR. Recently, it has been suggested that the TSP, responsible for methionine and cysteine metabolism, controls DR-mediated longevity through one of its metabolite, H2S. An increase in the TSP-mediated H2S production was seen in yeast, worm, fruit fly, and rodent models of DR. Interestingly, the present study shows that DR- and methionine and/or cysteine restriction (M/C-R)- induced longevity is GCN2-independent in flies but TSP-mediated H2S production, at least in parts, is dependent on GCN2. I, therefore re-examined the connection between DR-induced longevity and TSP-mediated H2S production and surprisingly found that increased lifespan do not correlate with increased H2S production capacity in flies.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Die eIF2α-Kinase General Control Non-derepressible 2 (GCN2) detektiert die Abwesenheit von Aminosäuren und koordiniert die Translation mit der Verfügbarkeit der Aminosäuren, wodurch die Zellen den Stress durch Nahrungsmangel bewältigen. Es gibt zunehmende Anzeichen dafür, dass Aminosäuren eine wichtige Rolle in der Modulierung von Langlebigkeit und Gesundheit in diversen Spezies spielen, die zugrundeliegenden Mechanismen bleiben jedoch unklar. GCN2 ist ein evolutionär konservierter Sensor für den Mangel an Aminosäuren und ein potentieller Kandidat für die Regulierung von Aminosäure-abhängigen physiologischen Reaktionen. Im ersten Teil dieser Studie habe ich die in vivo-Funktionen der GCN2-Kinase unter Entzug jeder der 10 essentiellen Aminosäuren (EAS) untersucht, wobei ich eine Drosophila Gcn2 Null-Mutante und eine vollständig definierte chemische Nahrung verwendet habe. Die vorliegende Studie zeigt, dass die Funktion von GCN2 für die Fliegenentwicklung und das Überleben unter Entzug individueller EAS essenziell ist. Des Weiteren könnte GCN2 bei längerem Entzug einer EAS eine kompensatorische Nahrungsaufnahme induzieren, die zu erhöhten Fettleveln führt. Diese Fettreserven sind wahrscheinlich ursächlich für die erhöhte Resistenz der Fliegen unter vollständigem Nahrungsentzug. Interessanterweise zeigen die Gcn2 Null-Mutanten und Wildtyp-Fliegen ähnliche physiologische Reaktionen unter Methionin-Entzug, was impliziert, dass einzig der Entzug von Methionin durch einen GCN2-unabhängigen Mechanismus detektiert wird. Außerdem habe ich ermittelt, ob erhöhte Expression von Activating Transcription Factor 4 (ATF4), welcher der GCN2-Kinase nachgeordnet ist, ausreichend ist, um die Phänotypen der GCN2 Null-Mutante unter Mangel verschiedener EAS zum Wildtyp-Phänotypen wiederherzustellen. Die Überexpression von ATF4 kann die GCN2-abhängigen Funktionen unter Mangel spezifischer EAS teilweise wiederherstellen, und die Effizienz der Wiederherstellung hängt davon ab, welche EAS in der Nahrung fehlt. Ein weiterer wichtiger Fund dieser Studie ist, dass ein vollständiger Entzug von Aminosäuren sich von dem Entzug einzelner EAS unterscheidet und wahrscheinlich unabhängig von GCN2 detektiert wird. Ich habe außerdem gezeigt, dass die Funktion von GCN2 in Fliegen, im Gegensatz zu Nematoden, für eine Verlängerung der Lebensspanne durch Rapamycin-induzierte Inhibition von Target Of Rapamycin (TOR) nicht essenziell ist. Im zweiten Teil dieser Studie habe ich die Rolle der GCN2-Kinase während reduzierter Nährstoffaufnahme (RN) und im Transsulfurierungs-Stoffwechselweg (TSW) analysiert. Aminosäuren, insbesondere Methionin und Cystein, spielen eine wichtige Rolle für Lebensspannen- und Gesundheits-Vorteile durch RN. Der TSW ist für den Stoffwechsel von Methionin und Cystein verantwortlich und kontrolliert möglicherweise die RN-induzierte Langlebigkeit durch H2S, welches ein Metabolit des TSW ist. Ein Anstieg in der Produktion von H2S während RN wurde in Hefe, Nematoden, Fruchtfliegen und Nagetier-Modellen beobachtet. Interessanterweise zeigt die vorliegende Studie, dass die durch RN und Methionin- und/oder Cystein-Restriktion induzierte Langlebigkeit in Fliegen unabhängig von GCN2 ist, aber dass die Produktion von H2S zumindest teilweise von GCN2 abhängig ist. Daher habe ich den Zusammenhang zwischen RN-induzierter Langlebigkeit und der Produktion von H2S erneut untersucht und fand überraschenderweise, dass eine erhöhte Lebensspanne nicht mit erhöhter Kapazität für die Produktion von H2S korreliert. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Srivastava, Anchal anchal.srivastava0304@gmail.com UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-78079
Date:	5 September 2016
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Biology > Institute for Genetics
Subjects:	Life sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language GCN2, Ageing, Nutrition, Drosophila, Amino acids, Transsulfuration pathway English
Date of oral exam:	24 October 2016
Referee:	Name Academic Title Partridge, Linda Prof. Dr. Trifunovic, Aleksandra Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/7807