Defining Quercetin-, Caffeic acid- and Rosmarinic acid- mediated life extension in C. elegans
Creators: name: Pietsch, Kerstin
Publisher: name: Humboldt-Universität zu Berlin, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät I
Year: 2012
Subjects: subject: Hormesis
subject: Caenorhabditis elegans
subject: Antioxidantien
subject: Quercetin
subject: Kaffeesäure
subject: Rosmarinsäure
subject: DNA-Microarray
subject: hormesis
subject: antioxidants
subject: Caffeic acid
subject: Rosmarinic acid
subject: DNA-microarray
subject: 570 Biowissenschaften, Biologie
subject: 32 Biologie
subject: WD 5390

description: Die mittlere Lebenserwartung des Menschen ist über die letzten 200 Jahre kontinuierlich gestiegen. Da Langlebigkeit ohne Gesundheit wenig Wert besitzt, ist es ein zentrales Anliegen, das Auftreten altersbedingter Krankheiten zu mindern. Besonders pflanzliche Phytochemikalien, im speziellen Polyphenole (PPs), sollen erheblich an der Gesundheitsförderung mitwirken. Die exakten Mechanismen jedoch, welche die Wirkvielfalt erklären könnten, sind nicht im Detail bekannt. Diese Fragen können nur durch in vivo Studien an Modelorganismen beantwortet werden, die sowohl die Lebensdauer, sowie physiologische und genetische Parameter einschließen. In dieser Studie wurden drei PPs mit lebensverlängernden Eigenschaften in C. elegans identifiziert: Quercetin (Q), Kaffeesäure (CA) und Rosmarinsäure (RA). Für alle drei PPs wurden hormetische Konzentration-Wirkungs-Kurven gefunden, dennoch war die Hormetin-typische Aktivierung einer Stressantwort (gemessen als Geneexpressions-Level von Hitzeschock-Proteinen) auf Q und RA beschränkt. Eine Umverteilung von Ressourcen nach dem Prinzip der „Disposable Soma Theorie“ konnte anhand von Abweichungen in der Größe, verändertem Lipid-Metabolismus und verzögerter Reproduktion (bei gleichbleibender Anzahl der Nachkommen), für alle drei PPs gezeigt werden. Während direkte CR-Effekte ausgeschlossen wurden, ist dies nicht möglich für durch CA und RA ausgelöste indirekte CR-Effekte, da beide die Lebensspanne von sir-2.1 Mutanten nicht verlängern konnten. Alle drei PPs verlängerten die Lebensspanne von mev-1 Mutanten, jedoch wurde eine erhöhte TAC in vivo und eine reduzierte oxidative Schädigung, nur durch Q- und CA- Gabe erreicht. Die genetischen Wirkwege der PPs wurden durch Lebensdauer- und Thermotoleranztests mit in alters-relevanten Genen mutierten Nematoden definiert. Die gesundheitsfördernden Eigenschaften von CA und RA konnten so osr-1, sek-1, sir-2.1 and unc-43, sowie daf-16 im Falle von CA, zugeschrieben werden. Die Mechanismen von Q wurden in größerem Umfang, durch die Integration von durchgeführten Lebensdauertests und Microarray-Studien einerseits und einer umfassenden Meta-Analyse von veröffentlichten, alters-relevanten Genexpressions-Profilen andererseits, analysiert. Q wirkt vermutlich durch ein komplexes Zusammenspiel von konservierten genetischen Signalwegen, im Speziellen dem Insulin-ähnlichen (ILS), TGF-beta, p38 MAPK, CAMKII und möglicherweise auch über eine von der Keimbahn und somatischen Gonade ausgehenden Signalwirkung. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass sowohl in vivo antioxidative und prooxidative Eigenschaften, die Modulation auf Genebene, sowie eine Umverteilung von Ressourcen zu gewissen Teilen (abhängig vom PP) zur Lebensverlängerung beitragen.
description: The mean life expectancy of humans has increased continuously over the last 200 years. Since longevity is of little value in the absence of health, it is a central request to prevent the increasing burden of age-related diseases. It is suggested that phytochemicals in plants, specifically the polyphenols (PPs), are important factors to support the overall well-being. However, the precise mechanisms that can explain, in full, the magnitude of impact remains elusive. This knowledge gap can only be plugged by in vivo model organism approaches that integrate lifespan assays with physiological, and genetic parameters following the ingestion of PPs. In this study, three PPs with life-extending properties in C. elegans were identified: Quercetin (Q), Caffeic acid (CA) and Rosmarinic acid (RA). The underlying mechanisms were systematically studied by a broad spectrum of functional and genetic investigations. For all three compounds, life extension was characterized by hormetic concentration-response curves, but stress-response induction, a hallmark of hormetin action, was restricted to Q and RA, at least when assessed at the level of gene expression of heat shock proteins. A reallocation of resources in a disposable soma-like pattern could be shown for all three PPs, because the exposure to Q, CA and RA resulted in variations in body size, altered lipid-metabolism and a tendency towards a delay in reproductive timing. However, the total number of offspring was unaltered. While direct CR effects arising from reduced food uptake could be rejected, an indirect CR effect cannot be excluded for CA and RA, as these PPs failed to provoke longevity in sir-2.1 mutants. Furthermore, the in vitro versus in vivo antioxidative properties were evaluated. While all three PPs could prolong mev-1 lifespan, only Q and CA were shown to increase the TAC in vivo and reduce oxidative damage in the nematodes. To define the genetic pathways of PP action, lifespan and thermotolerance assays were performed in mutant animals devoid of aging-relevant genetic players. These experiments revealed that the health gaining properties of CA and RA both rely on osr-1, sek-1, sir-2.1 and unc-43, plus daf-16 in the case of CA. The mechanisms of Q action are partly distinct and were analyzed in more detail by integrating own mutant lifespan assays and microarray studies with an extensive meta-analysis of published gene expression profiles obtained under aging-relevant conditions. Quercetin is proposed to act through a complex interplay of conserved genetic pathways, for example Insulin-like signaling (ILS), TGF-beta signaling, p38 MAPK, CaMKII, and possibly also due to germline and somatic gonad signaling. Taken together, hormesis, in vivo antioxidative/prooxidative properties, modulation of genetic players, as well as the re-allocation of resources all contribute (to some extent and dependent on the polyphenol) to life extension. Summary 1