Stress / Ageing
Introduction
All organisms and cells experience stress and may react with adaptation or regeneration or with dysfunction and damage. The response to stress depends on the nature and strength of the stress signal and may contribute to either cell survival or cell death. So far, the molecular mechanisms underlying the different stress responses are inadequately understood. Similarly, it is not clear, which role stress and stress responses play in the context of ageing and age-related diseases. Thus, a major objective of studies performed in our institute is to enhance the knowledge of stress-induced signalling pathways and to identify targets through which stress responses can be affected. We are especially interested in the role of distinct signalling proteins (mTOR, AMP-activated kinase (AMPK), sodium-proton-exchanger 1 (NHE1)) and of proteolytic processes in stress protection. An important cellular model are vascular endothelial cells.
On a cellular level, oxidative, metabolic, osmotic and genotoxic stress can be discriminated. Oxidative stress represents an imbalance between reactive oxygen species (ROS) and antioxidative defence. ROS can oxidize proteins, which may result in their activation or inhibition. In addition, ROS may cause lipid peroxidation leading to alterations of membranes and elicit oxidation of DNA thereby inducing genotoxic effects. Metabolic stress is characterized by ATP depletion. It leads to the activation of metabolic sensors such as AMPK, which initiates a switch in energy metabolism including the stimulation of ATP-generating systems. Osmotic stress interferes with cell volume regulation and induces compensatory mechanisms aimed at restoring cell volume. In this context, the activation of ion transporters such as NHE1 is of major importance. Genotoxic stress induces DNA damage and the so denominated DNA damage response leading to cellular responses such as cell cycle control, DNA repair or apoptosis.
Although stress-initiated signalling pathways are known, details about the dose dependence of the respective stressors, the interconnection of the individual signalling pathways and protective or damaging effector systems are lacking. For instance, high mTOR activity due to mutation and loss of function of its regulator molecule TSC is associated with tumours of low malignity and high apoptosis, which may be due to a sensitizing effect of the mTOR pathway to DNA damage.
Proteolytic systems mediate the degradation of structurally modified proteins and thus play an essential role in stress adaptation and cell survival. The proteasome, a protein complex with peptidase function, is of central importance in this context but oxidized proteins and dysfunctional organelles are also degraded via autophagy. In this process, targeted cytoplasmic material is sequestered in vesicles, so-called autophagosomes, which fuse with lysosomes to ensure lysosomal degradation. A better understanding of these processes in stress protection and ageing is major aim of our projects.
Research projects:
DFG RTG 1715 - Regine Heller
1. AMP-activated protein kinase as mediator of stress-induced autophagy in endothelial cells
Die AMP-aktivierte Proteinkinase (AMPK), ein Sensor des zellulären Energiestatus, ist in die Regulation von zellulärer Homöostase und Signalübertragung einbezogen. Untersuchungen aus unserer Gruppe haben gezeigt, dass AMPK durch den Wachstumsfaktor VEGF (vascular endothelial cell growth factor) aktiviert wird und wesentlich zu dessen pro-angiogener Wirkung beiträgt. AMPK wird nicht nur nach metabolischem sondern auch nach oxidativem Stress aktiviert und hat antioxidative und antiinflammatorische Wirkungen. Zudem ist das Enzym in die Induktion und Regulation der Autophagie, eines wichtigen proteolytischen Prozesses, einbezogen. Autophagie hat eine essentielle homöostatische Funktion und wird als lebensverlängernder Prozess angesehen. Im Mittelpunkt des hier bearbeiteten Projektes steht die Untersuchung der AMPK-Autophagie-Achse unter Bedingungen der metabolisch bedingten Dysfunktionen des Endothels.
Involved people: Preetha Balakrishnan (PhD candidate), Elke Teuscher (Technician), Regine Heller (Project leader)
Cooperations: Sandor Nietzsche (Elektronenmikroskopisches Zentrum, Universitätsklinikum Jena), Andreas Koeberle (Institut für Pharmazie der Friedrich-Schiller-Universität Jena), Peter Hemmerich (Leibniz-Institut für Alternsforschung - Fritz-Lipmann-Institut Jena)
2. Metabolic adaptation as response to cellular stress in endothelial cells
Vaskuläre Endothelzellen sind verschiedenen Stressbedingungen (Entzündung, Hypoxie, Ischämie) ausgesetzt. Um die zellulären Funktionen aufrecht zu erhalten und das Überleben der Zelle zu sichern, ist die Induktion adaptiver und protektiver Prozesse essentiell. Im hier beschriebenen Projekt soll untersucht werden, welche metabolischen Veränderungen nach inflammatorischem oder hypoxischem Stress in Endothelzellen stattfinden. Dabei soll sowohl der zelluläre Stoffwechsel (Seahorse-Analysen, Fluxmessungen mit radioaktiv markierten Substraten (Glucose, Fettsäuren) und Metabolitbestimmungen) als auch die verantwortlichen molekularen Mechanismen (Prolylhydroxylasen, HIF and PGC1a als Transkriptionsfaktoren, AMPK, mTOR und SIRT1 als regulatorische Enzyme) untersucht werden. Ein wichtiger Schwerpunkt wird zudem sein, zelluläre Metaboliten (Acetyl-CoA, Lactat, Succinat) als Mediatoren beobachteter Veränderungen zu charakterisieren.
Involved people: Dennis Torkornoo (PhD candidate), Katrin Spengler (Research assistant), Regine Heller (Project leader)
Cooperations: Christian Marx, Zhao-Qi Wang (Leibniz-Institut für Alternsforschung Fritz-Lipmann-Institut Jena), Carsten Hoffmann (Institut für Molekulare Zellbiologie, Universitätsklinikum Jena), Benoit Viollet (Université Paris Descartes), David Carling (MRC Clinical Sciences Center, Cellular Stress Group, Imperial College, London)
Funding: DFG, GRK 1715 (SP 2), 2012-2021
DFG RTG 2155 - Regine Heller
1. Mechanisms and consequences of age-related AMPK modification in endothelial cells
Das Enzym AMP-aktivierte Proteinkinase (AMPK) kontrolliert den zellulären Energiestatus und reguliert wichtige homeostatische und zellprotektive Prozesse. Sowohl Hyperaktivität als auch verminderte Aktivität des Enzyms wurden bei Zellalterung beobachtet. AMPK wird durch Phosphorylierung am Threoninrest 172 reguliert. Daneben scheinen andere Proteinmodifikationen wie Acetylierung, Oxidation, Carbonylierung und O-GlcNacylierung eine Rolle zu spielen. Frühere Arbeiten unserer Gruppe haben gezeigt, dass AMPK durch Wachstumsfaktoren, die das Enzym Ca++/Calmodulin-abhängige Kinase Kinase 2 (CaMKK2) aktivieren, stimuliert wird und oxidativem und glykotoxischem Stress entgegenwirkt. Das vorliegende Projekt soll untersuchen, wie sich AMPK und AMPK-regulierende Proteine in seneszenten und in vivo gealterten Zellen verhalten und ob Proteinmodifikationen dabei eine Rolle spielen. Als Modell dienen humane junge und replikativ seneszente Endothelzellen aus Nabelschnurvenen sowie Endothelzellen, die aus jungen und alten Mäusen gewonnen werden (Wildtypmäuse oder Mäuse, denen die katalytische Untereinheit der AMPK fehlt). Der Nachweis der Modifikation erfolgt in immunpräzipitierten Proteinen mittels Massenspektrometrie.
Involved people: Claudia Ender (PhD candidate), Darya Zibrova (Research assistant), Katrin Spengler (Research assistant), Elke Teuscher (Technician), Regine Heller (Project leader)
Cooperations: Benoit Viollet (Université Paris Descartes), David Carling (MRC Clinical Sciences Center, Cellular Stress Group, Imperial College, London), John W. Scott (St Vincent’s Institute of Medical Research, Melbourne, Australia), Andreas Simm (Klinik für Herz- und Thoraxchirurgie, Universitätsklinikum Halle (Saale)
2. Advanced Glycation End Products (AGEs) in endothelial cells
AGEs stellen eine heterogene Substanzgruppe dar, die durch nichtenzymatische Glykierung von Proteinen im Rahmen der Maillard-Reaktion entstehen. Sie können aufgrund nachlassender proteolytischer Kapazitäten in alternden Zellen akkumulieren und rezeptorabhängig oder unabhängig verschiedene Prozesse beeinflussen, die unter anderem zu vaskulären Erkrankungen führen. Das vorliegende Projekt soll die Bildung von AGEs in humanen Endothelzellen näher charakterisieren. Dabei sollen Proteine identifiziert werden, die einer Glykierung unterliegen, und die funktionelle Relevanz der Glykierung geklärt werden. Schwerpunkt soll die Charakterisierung metabolischer Proteine und Prozesse sein, wobei der AMPK-Signalweg besonders berücksichtigt wird. Die Bildung von AGEs wird durch Glyoxal induziert. Der Nachweise der Modifikation erfolgt im Westernblot und nach Antikörper-basierter Anreicherung in Massenspektrometrie-Analysen.
Involved people: Anja Leheis, Theresa Rändler, Elke Teuscher (Technician), Regine Heller (Project leader)
Cooperations: Alessandro Ori (Leibniz-Institut für Alternsforschung Fritz-Lipmann-Institut Jena), Lars-Oliver Klotz (Institut für Ernährungswissenschaften, Friedrich-Schiller-Universität Jena), Andreas Simm (Klinik für Herz- und Thoraxchirurgie, Universitätsklinikum Halle)
3. Metabolic alterations in senescent endothelial cells
Zelluläre Alterung ist mit einem Nachlassen zellulärer Funktionen verbunden, die unter anderem auf Veränderungen des zellulären Metabolismus beruhen können. Ziel dieses Projektes ist es, den Stoffwechsel seneszenter Endothelzellen zu charakterisieren und die molekularen Veränderungen, die dazu führen, zu identifizieren. Als Modell dienen junge und replikativ seneszente Endothelzellen aus Nabelschnurvenen sowie Endothelzellen, die aus jungen und alten Mäusen gewonnen werden. Neben Seahorse-Analysen werden Fluxmessungen mit radioaktiv markierten Substraten (Glucose, Fettsäuren) und Metabolitbestimmungen durchgeführt. Transcriptomics- und Proteomics-Analysen dienen zur Aufklärung von molekularen Mechanismen.
Involved people: Leonie Stabenow, Claudia Ender (PhD candidate), Elke Teuscher (Technician), Regine Heller (Project leader)
Cooperations: Alessandro Ori, Joanna Kirkpatrick, Christian Marx, Zhao-Qi Wang (Leibniz-Institut für Alternsforschung Fritz-Lipmann-Institut Jena)
Funding: GRK 2155 (SP13), 2016-2020
Jena graduate academy - Regine Heller
Role of AMPK-regulated metabolic processes in virus replication
Die systemische Verteilung von viralen Pathogenen erfordert häufig eine Interaktion mit vaskulären Endothelzellen. Bisher ist nicht bekannt, wie dieser Prozess reguliert ist und ob eine Verhinderung der Infektion von Endothelzellen Auswirkungen auf die systemische Infektion hat. Da die Virusreplikation vom Stoffwechsel der Wirtszelle abhängig ist, kann sie vermutlich durch Modulation metabolischer Regulatoren beeinflusst werden. Die AMP-aktivierte Proteinkinase (AMPK) stellt einen solchen Regulator dar und spielt eine wichtige Rolle in der Kontrolle von Proteinsynthese, Fettsäurestoffwechsel, Glykolyse und Autophagie. Im Projekt soll anhand ausgewählter Virusstämme untersucht werden, welche Bedeutung diese metabolischen Prozesse der Wirtszelle für die Replikation der Viren haben und ob und wie AMPK die Virusreplikation über diese Stoffwechselwege kontrollieren kann.
Involved people : Heena Doshi, Regine Heller (Projektleiter)
Cooperations: Andreas Henke (Sektion Experimentelle Virologie des Instituts für Medizinische Mikrobiologie, Universitätsklinikum Jena)
Funding: Jenaer Graduiertenakademie, Landesgraduiertenstipendium, 2017-2020
FSU - Career re-entry scholarship - Darya Zibrova
Regulation of hexosamine biosynthesis pathway via AMPK consequences for the vascular dysfunction in type 2 diabetes
Die AMP-aktivierte Proteinkinase (AMPK), ein Schlüsselenzym des zellulären Metabolismus, schützt Endothelzellen vor Dysfunktion und reguliert Angiogenese. In vorhergehenden Untersuchungen wurde die Glutamin-Fruktose-6-Phosphat-Amidotransferase 1 (GFAT1), das geschwindigkeitsbestimmende Enzym des Hexosamin-Weges, als neues AMPK-Substrat identifiziert. Der Hexosamin-Weg wird durch hohe Glukose-Spiegel stimuliert und führt zur Bildung von N-Acetylglucosamin (GlcNAc), welches als Substrat für posttranslationale O-GlcNAcylierungen von Proteinen dient. Letztere tragen vermutlich zu vaskulären Komplikationen des Diabetes bei. In Übereinstimmung damit haben wir nachgewiesen, dass der Hexosamin-Weg die VEGF-induzierte Angiogenese hemmt. Das vorliegende Projekt soll relevante O-GlcNAcylierte Proteine identifizieren, ihre funktionelle Rolle charakterisieren und untersuchen, wie eine Modulation der AMPK-GFAT-Achse ihre Funktion verändert. Insbesondere soll untersucht werden, ob und wie die durch hohe Glucosespiegel induzierte endotheliale Dysfunktion über eine Beeinflussung der AMPK-GFAT-Achse verhindert oder vermindert werden kann.
Involved people: Daria Zibrova, Regine Heller (Mentor)
Cooperations: Benoit Viollet (Université Paris Descartes), David Carling (MRC Clinical Sciences Center, Cellular Stress Group, Imperial College, London)
Funding: Jenaer Graduiertenakademie, Landesgraduiertenstipendium, 2018-2019
Else-Kröner-Forschungskolleg - Regine Heller
Autophagy insufficiency as mechanism of vascular ageing
Autophagie gehört zu den Mechanismen der molekularen und zellulären Qualitätskontrolle und ist für die Aufrechterhaltung der zellulären Homöostase verantwortlich. Daten der Arbeitsgruppe zeigen, dass vaskuläre Endothelzellen für ihre Funktionsfähigkeit hohe basale Autophagie-Raten benötigen und dass Autophagie in seneszenten humanen und in in-vivo gealterten Maus-Endothelzellen abnimmt. Das vorgelegte Projekt hat das Ziel, die Funktion der Autophagie in Endothelzellen weiter zu charakterisieren und einen kausalen Zusammenhang zwischen Abnahme der Autophagie und Altern der Zellen nachzuweisen. Insbesondere soll die Rolle der Mitophagie charakterisiert werden. Die Daten, die in kultivierten Zellen erhoben wurden, sollen in Mausmodellen überprüft werden. Wir erwarten neue Erkenntnisse zu Targeting-Strategien, mit deren Hilfe über eine Verhinderung der altersbedingten Autophagie-Hemmung endotheliale Funktionen erhalten und kardiovaskuläre Erkrankungen vermindert werden können.
Involved people: Nadja Wystub, Claudia Ender, Leonie Stabenow, Elke Teuscher, Regine Heller (Projektleiter)
Cooperations: Hans-Michael Tautenhahn (Klinik für Allgemein-, Viszeral- und Gefäßchirurgie)
Funding: Else-Kröner-Forschungskolleg AntiAge , 2017-2020