Insights Into the Regulation of Aging DISSERTATION
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Insights Into The Regulation Of Aging DISSERTATION zur Erlangung des akademischen Grades doctor rerum naturalium (Dr. rer. nat.) vorgelegt vor dem Rat der Fakult¨at f¨ur Mathematik und Informatik der Friedrich-Schiller-Universit¨at Jena eingereicht von Emanuel Barth M. Sc. geboren am 10.04.1990 in Plauen January 19, 2019 Gutachter 1. Prof. Dr. Manuela (Manja) Marz, Friedrich Schiller University Jena, Germany 2. Prof. Dr. Steve Hoffmann, Fritz Lipmann Institute Jena, Germany 3. Prof. Dr. Peter Dittrich, Friedrich Schiller University Jena, Germany Tag der Verteidigung: 09.08.2019 i “In the fields of observation chance favours only the prepared mind.” — Louis Pasteur “Death is a disease. Its like any other. And there’s a cure and I will find it.” — Tom Creo, The Fountain ii Danksagung Zu aller erst m¨ochte ich meiner grandiosen Doktormutter Manja, danken, nicht nur f¨ur die spannenden und ereignisreichen letzten vier Jahre, sondern auch f¨ur das im- merw¨ahrende Vertrauen in mich und meine Arbeit und dass sie es mir erm¨oglicht hat, mich w¨ahrend meiner Doktorandenzeit v¨ollig frei zu entfalten. Es war ein langer und manchmal auch sehr anstrengender Weg bis hierhin, aber ich bin sehr froh das ich ihn mit dir gehen durfte, Manja! Ich m¨ochte mich auch von ganzem Herzen bei meinen Eltern bedanken, denn sie haben mich all die Jahre bedingungslos bei all meinen Unternehmungen unterst¨utzt und nie an mir und dem, was ich mache gezweifelt. Auch meinen Geschwistern Theresa, Julian und Benjamin danke ich, denn auch wenn sie vielleicht nicht immer ganz verstanden haben mit welchen biologischen oder mathematischen Problemen ich mich rumschlagen musste, so habe ich trotzdem immer mindestens ein offenes Ohr bei ihnen gefunden. Danke, ihr alle seid die wundervollste Familie, die man sich nur w¨unschen kann! Ganz besonderen Dank m¨ochte ich auch meinem Kindergartenfreund Martin ausspre- chen, f¨ur all die tollen und lustigen, langen Jahre, die wir uns nun schon kennen. Auf dass noch viele weitere kommen m¨ogen! Meinen guten Freunden und ehemaligen Kommilitonen Stefanie, Jan und Marco bin ich auch zu viel Dank verpflichtet, denn mit ihnen bin ich nicht nur w¨ahrend unseres gemeinsamen Studiums durch dick und d¨unn gegangen, sondern wir haben auch zusammen die Abenteuer der Promotion durchgestanden. Genauso muss ich meiner gesamten Arbeits(turm)crew danken. Die letzten Jahre mit euch waren einfach nur fantastisch und nicht ein einziger Tag mit euch zusammen im B¨uro, auf Konferenz oder bei allerlei Freizeitaktivit¨aten war iii ein verschwendeter Tag. Franzi, Nelly, Max, Sebastian, Kevin, Flo, Daria, Martin, Marie, Daniel, Lisa, Konrad, Celia, Adrian, Bashar, Akash, und Muriel ihr seid die besten Freunde und Kollegen, die man haben kann, danke! Danken m¨ochte ich auch meinem kleinen Kater Happy, denn er hat ein wunderbares Gesp¨ur daf¨ur, wann es Zeit ist sich einmal quer ¨uber die Tastatur zulegen und eine Pause von der vielen Schreiberei einzulegen. Zu guter Letzt geb¨uhrt der gr¨oßte Teil meines Dankes der besten und wundervollsten Frau der ganzen Welt. Danke, Sigrid, f¨ur all die Liebe, die du mir schenkst und all das Verst¨andnis, dass du mir entgegenbringst. Danke f¨ur die viele Motivation und Unterst¨utzung und all die anderen großen und kleinen Dinge, die du in mein Leben gebracht und um die du mich bereichert hast. Danke f¨ur einfach Alles! iv Abstract Aging is doubtlessly one of the most complex and multi-factorial biological processes we have encountered since the beginning of modern life sciences and the systematic study of human and animal biology. Despite many remarkable findings, aging re- mains an incompletely understood mechanism, causing several severe diseases, such as cardiovascular diseases, neurodegenerative diseases or cancer. It is associated with a progressive loss of cell functions that lead to a decline of tissue functions and finally resulting in death. Uncountable studies were performed over the last five decades to identify possible causes of how and why we age. Nevertheless, there is a still ongoing debate about the true molecular source of aging, giving rise to a variety of competing theories. Due to its highly complex nature, we have investigated aging from various perspec- tives, based on the gene expression of different species and tissues. We analyzed a huge set of RNA-Seq transcriptomic data to obtain new insights into the genetic regulation of aging and to identify conserved molecular processes that might be responsible for aging-related disorders. We found that each tissue shows its own dis- tinct pattern of gene expressional changes with age, because they have to respond to different types of stress over time, leading to differing sources of molecular damage and subsequent stress responses. In particular, we could show this for four well- studied aging-related processes: cellular senescence, inflammation, oxidative stress response and circadian rhythms. In addition, we could show that alternative splicing (i.e., the generation of multiple mRNA isoforms from single genes) is in general only slightly affected by aging and probably plays a secondary role in the overall aging process. In contrast, we found microRNAs (very small regulatory RNA molecules) to be important modulators of aging in all investigated species and tissues. Concluding, the results presented in this thesis describe aging as a stochastic pro- cess, leading to an accumulation of different kinds of molecular damage and the respective cellular stress responses. We have identified several genetic factors that could serve as potential diagnostic markers or even therapeutic targets, that could help in the future to slow down the progression of age-associated disorders or pre- venting them. Nevertheless, the subject of aging remains a challenging research field and many open questions still wait to be answered. v Zusammenfassung Das Altern ist zweifellos einer der komplexesten und faktorenreichsten biologischen Prozesse, dem wir seit Beginn der modernen Lebenswissenschaften und der system- atischen Erforschung der Human- und Tierbiologie begegnet sind. Trotz vieler be- merkenswerter Erkenntnisse bleibt das Altern ein unvollst¨andig verstandener Mecha- nismus, der mit vielen schweren Krankheiten assoziert ist, wie etwa Herz-Kreislauf- Erkrankungen, neurodegenerative Erkrankungen oder Krebs. Es geht mit einem fortschreitenden Verlust von Zellfunktionen einher, der zu einer Abnahme der Or- ganfunktionen und schließlich zum Tod f¨uhrt. In den letzten f¨unf Jahrzehnten wur- den unz¨ahlige Studien durchgef¨uhrt, um m¨ogliche Quellen zu finden, wie und warum wir altern. Auch heutzutage wird noch intensiv ¨uber die eigentliche molekulare Ur- sache des Alterns gestritten, was zu einer Vielzahl konkurrierender Theorien f¨uhrt. Aufgrund seiner hohen Komplexit¨at haben wir in der vorliegenden Arbeit das Al- tern aus verschiedenen Perspektiven untersucht, basierend auf der Genexpression verschiedener Spezies und Gewebstypen. Wir haben eine Vielzahl an RNA-Seq Transkriptomdaten analysiert, um neue Einblicke in die genetische Regulation des Alterns zu erhalten und um konservierte molekulare Prozesse zu identifizieren, die m¨oglicherweise f¨ur altersbedingte Gebrechen und Krankheiten verantwortlich sind. Wir fanden heraus, dass jedes Gewebe mit dem Alter ein eigenes Muster von Gen- expressions¨anderungen aufweist, da es im Laufe der Zeit auf verschiedene Arten von Stress reagieren muss, was zu unterschiedlichen Ursachen f¨ur molekulare Sch¨aden und nachfolgende Stressreaktionen f¨uhrt. Insbesondere konnten wir dies f¨ur vier gut untersuchte, altersbedingte Prozesse zeigen: zellul¨are Seneszenz, Entz¨undungs- reaktionen, oxidative Stressreaktion und zirkadiane Rhythmen. Außerdem konnte gezeigt werden, dass alternatives Spleißen (d.H., die Erzeugung mehrerer mRNA- Isoformen aus einzelnen Genen) im Allgemeinen nur geringf¨ugig vom Altern betrof- fen ist und wahrscheinlich eine untergeordnete Rolle im gesamten Alterungsprozess spielt. Im Gegensatz dazu haben wir festgestellt, dass microRNAs (sehr kleine regulatorische RNA-Molek¨ule) in allen untersuchten Spezies und Geweben wichtige Alterungsmodulatoren sind. Abschließend beschreiben die in dieser Arbeit vorgestellten Ergebnisse das Altern als einen stochastischen Prozess, der zu einer Anh¨aufung verschiedener Arten von molekularen Sch¨aden und den jeweiligen zellul¨aren Stressreaktionen f¨uhrt. Wir haben mehrere genetische Faktoren identifiziert, die als potenzielle diagnostische Marker oder sogar als therapeutische Ziele dienen k¨onnten, die in Zukunft dazu beitragen k¨onnten, das Fortschreiten altersbedingter Erkrankungen zu verlangsamen oder zu verhindern. Trotzdem bleibt das Thema Altern weiterhin ein herausfordern- des Forschungsfeld und viele offene Fragen warten noch auf ihre Beantwortung. vi This thesis is first and foremost based on the following publications: 1. Mario BaumgartΩ, Emanuel BarthΩ, Aurora Savino, Marco Groth, Philipp Koch, Andreas Petzold, Ivan Arisi, Matthias Platzer, Manja Marz, Alessandro Cellerino. ”A miRNA catalogue and ncRNA annotation of the short-living fish Nothobranchius furzeri“. In: BMC Genomics, 18 (693), 2017. 2. Akash SrivastavaΩ, Emanuel BarthΩ, Maria A. Ermolaeva, Madlen Guen- ther, Christiane Frahm, Manja Marz and Otto W. Witte. ”Tissue-specific gene expression changes are associated with aging in mice.“ In: Genomics, Proteomics & Bioinformatics (accepted). 3. Emanuel BarthΩ, Mario BaumgartΩ, Luca Dolfi, Marco Groth, Roberto Ripa, Aurora Savino, Matthias Platzer, Manja Marz, Alessandro Cellerino.