Title Role of protein and DNA damage in biological response to radiation and aging Title (croatian) Uloge oštećenja proteina i DNK u biološkom odgovoru na zračenje i starenje Author Mira Kuzmić Mentor Miroslav Radman (mentor)Mentor Sandrine Frelon Committee member Eduard Vrdoljak (predsjednik povjerenstva)Committee member Mladen Merćep (član povjerenstva)Committee member Tatijana Zemunik (član povjerenstva)Granter University of Split Defense date and country 2018, Croatia Scientific / art field, BIOMEDICINE AND HEALTHCARE Universal decimal classificationUDC ) 616 - Pathology. Clinical medicine Abstract All key biological macromolecules are susceptible to carbonylation – an
irreparable oxidative damage with deleterious biological consequences. Carbonyls in
proteins, lipids and DNA from cell extracts have been used as a biomarker of oxidative
stress and aging, but formation of insoluble aggregates by carbonylated proteins
sometimes precludes their quantification. Since carbonylated proteins can correlate with
morbidity and mortality, we have developed an in situ detection of total proteins, DNA,
RNA, lipids and carbonyl groups at the level of the whole organism of the nematode
C. elegans. The method enabled us to show that after UV irradiation, carbonylation
colocalizes mainly with proteins, and was applied to improve the knowledge of
mechanisms of E. coli cell death and C elegans aging.
There is a growing body of evidence that carbonylation could be the root cause
of cell death and aging. To explore this possibility, we have monitored in E. coli DNA
damage and protein carbonylation after UVC irradiation. A method that detects in real
time all emerging mutations, allows the exclusion of mutations as the leading cause of
UVC-induced cell death. The recovery process of DNA is nearly complete within two
hours after irradiation, while UVC-induced protein carbonylation remains doubled. Our
new method reveals that UVC induces also an increase in lipid levels and changes in
lipid pattern which could indicate membrane permeabilization. Since cell death by
membrane disintegration follows the increase in protein carbonylation, we have
concluded that cell function (proteome activity) is the primary target in cell death. This
is not surprising given the fact that all cellular structures and functions (e.g., DNA and
membrane integrity) depend on proteome activity.
Moreover, we applied this method to explore the effects of chronic ionizing
radiation of C. elegans on oxidative damage to its proteins. To follow the lifespan of
rapidly reproducing animals after irradiation we used a conditional sterile glp-1 mutant.
Our results confirmed that: (i) increase in protein carbonylation with C. elegans’ age
establishes carbonylation as a good biomarker of aging and (ii) low-dose chronic
ionizing radiation reduces the lifespan of sterile C. elegans whatever the dose/dose rate
tested. However, there is also a rather unexpected result of reduced carbonylation after
irradiation which could be explained by increased activity of proteasome in the germline
ablated glp-1 worms. In addition, radiations induced a decrease in lipid levels, whatever the dose or the dose rate. Fat composition and fat content together could induce a
beneficial or detrimental effect on longevity. All these findings are of particular
importance. These parameters could become predictive biomarkers of biological
consequences of radiation and aging.
In conclusion, our new procedure enables us to monitor carbonylation in E. coli
during death and in the nematode C. elegans during its life cycle, including the egg
stage, through all the stress and aging. That opens up a possibility that the method might
be applied for ex vivo diagnostic detection of oxidative carbonylation in the samples of
human biopsies.
Abstract (croatian) Biološke makromolekule su osjetljive na oksidaciju, na primjer karbonilaciju
proteina koja je nepopravljivo oštećenje s pogubnim biološkim posljedicama. Budući da
korelira s oksidativnim stresom i starenjem, upotrebljava se kao biomarker.
Karbonilacija se događa i na ostalim biološkim makromolekulama, a osim toga
karbonilirani proteini stvaraju unutarstanične agregate, što pridonosi otežanoj
kvantifikaciji karboniliranih proteina. Također, svi postupci koji uključuju ekstrakciju
proteina mogu prouzročiti gubitak karboniliranih proteina. Budući da postoji jasna
povezanost između karboniliranih proteina, staničnog morbiditeta i smrti te da su
karbonilirani proteini mogući uzrok navedenog, pojavila se potreba za vjernom
kvantifikacijom i lokalizacijom na nivou stanica i tkiva. Zato smo, koristeći
odgovarajuće fluorescentne molekule, razvili metodu in situ detekcije ukupnih proteina,
DNK, RNK, lipida i karbonilnih skupina na razini cijelog organizma nematode
C. elegans. Pokazali smo da nakon UV zračenja karbonilacija kolokalizira uglavnom s
proteinima, a ova metoda je također primijenjena za poboljšanje znanja o mehanizmu
smrti kod bakterije E. coli i starenju nematode C. elegans.
Postoji sve veći broj dokaza da bi karbonilacija tokođer mogla biti i uzrok
stanične smrti. Da bismo istražili ovu mogućnost, pratili smo oštećenje DNK i
karbonilaciju proteina kod bakterije E. coli nakon UV zračenja. Metoda koja u realnom
vremenu otkriva sve nove mutacije i oštećenja DNK, omogućuje isključivanje mutacija
kao vodećeg uzroka stanične smrti izazvane UV zračenjem. Proces oporavka DNK je
završen unutar dva sata nakon zračenja, dok se razina karbonilacije proteina inducirana
zračenjem udvostruči. Naša nova metoda kod ozračenih bakterija također otkriva
povećanje razine lipida i promjene u njihovom uzorku koje bi mogle ukazivati na
povećanu propusnost membrane. Budući da stanična smrt prati porast karbonilacije,
zaključujemo da je stanična funkcija (aktivnost proteoma) primarna meta smrti stanica.
Ova spoznaja ne iznenađuje budući da stanične strukture i funkcije (kao što su npr.
integritet genoma i membrana) ovise isključivo o aktivnosti proteina.
Naša metoda je također korištena za istraživanje učinaka kroničnog ionizirajućeg
zračenja na životni vijek nematode C. elegans. Za praćenje životnog vijeka nematoda
poslije zračenja smo koristili uvjetni sterilni glp-1 mutant. Naši rezultati potvrđuju
sljedeće: (i) karbonilacija je opravdan biomarker starenja budući da stare nematode pokazuju višu razinu karbonilacije od mladih, što je očekivano i sukladno brojnim
ranijim istraživanjima starenja, te (ii) kronično ionizirajuće zračenje niskim dozama
smanjuje životni vijek sterilnih nematoda bez obzira na ispitivanu dozu/stopu doze.
Međutim, kronično zračenje pokazalo je neočekivano smanjenje razine karbonilacije
koje se može objasniti povećanom aktivnošću djelovanja proteasoma kod sterilnih
nematoda. Zračenje je također izazvalo povećanje razine lipida kao odgovor na starenje
te lipidni katabolizam kao odgovor na zračenje (također bez obzira na dozu). Konačno,
sadržaj lipida i njihov udio mogu izazvati blagotvorno ili štetno djelovanje na
dugovječnost. Ovi parametri mogu postati prediktivni biomarkeri bioloških posljedica
zračenja i starenja.
U konačnici, ova metoda omogućuje praćenje karbonilacije u pojedinačnim
stanicama te prilikom stresa, starenja i bolesti tijekom cijelog životnog ciklusa
nematode C. elegans, uključujući i stadij jajeta. Navedeno otvara put primjeni metode
na ex vivo modelu odnosno na mogućnosti dijagnostike oksidativne karbonilacije na
uzorcima ljudskih tkiva.
Keywords
Protein Carbonylation
Caenorhabditis elegans Proteins
DNA Damage
Cellular Senescence
Cell Death
Ultraviolet Rays
Gamma Rays
Radiation Dose-Response Relationship
Caenorhabditis elegans
Escherichia coli
Keywords (croatian)
Karbonilacija proteina
Caenorhabditis elegans Proteini
Oštećenje DNK
Stanično starenje
Stanična smrt
Ultraljubičaste zrake
Gama zrake
Odnos doza zračenja-odgovor
Caenorhabditis elegans
Escherichia coli
Language english URN:NBN urn:nbn:hr:171:601235 Study programme Title: Biology of Neoplasms Type of resource Text File origin Born digital Access conditions Open access Terms of use Repository MEFST Repository Created on 2023-05-12 07:56:22
