Molecular principles and control of cellular stress responses upon temperature and oxygen stress in Daphnia
Final Report Abstract
Als Grundlage des aeroben Energiestoffwechsels müssen die Zufuhr von Sauerstoff und Nährstoffen an die jeweiligen Umweltbedingungen angepasst werden. Wir konnten zeigen, dass bei Daphnien (D. pulex) – ähnlich wie bei der Umweltanpassung des Sauerstofftransports in der Blutbahn – die Umweltanpassung der Verdauung als Primärprozess der Nährstoffzufuhr auf einer Expression von Proteinisoformen unterschiedlicher Funktionalität (Sauerstofftransport: Hämoglobine; Verdauung: Trypsine/Chymotrypsine) und nicht auf einer Modulation vorhandener Proteinisoformen beruht. Im Mittelpunkt des Forschungsprojekts standen aber die stressinduzierten Signalgebungsprozesse und Genexpressionsereignisse auf Transkript- und Proteinebene bei D. pulex, wobei die generelle Fokussierung auf D. pulex mit der bei dieser Daphnienart verfügbaren genomischen Information zu tun hatte. Nachdem Becker et al. (2011) die Beziehungen zwischen Temperatur- und Sauerstoffstress, ROS und dem Glutathion-Redoxsystem sowie der Expression HIF-1-induzierbarer Gene (Hämoglobingene) bei D. magna untersucht hatten, zeigten wir bei D. pulex u.a. wie ROS vor allem über den Transkriptionsfaktor HIF-1 die frühe Expression von Stressgenen (molekulare Chaperone) vor dem Eintreten von Proteinschäden induziert, während eingetretene Schädigungen über eine Aktivierung von HSF-1 zu einer späteren Induktion von Reparaturmechanismen führt. Weiterhin wurde gezeigt, dass die stressor-induzierten Primärsignale (d.h. ROS-Signale) in ihrem Zeitverlauf von der Intensität der ROS-Produktion und der Stärke des Glutathion-Redoxpuffersystems abhängen. Dies führt beispielsweise zu Unterschieden im Zeitverlauf zwischen D. magna und D. pulex oder zu Unterschieden je nach Ernährungsbedingung. Wir führten transkriptomische und proteomische Analysen der Genexpression von D. pulex bei Veränderungen in den Temperatur- und Ernährungsbedingungen durch. Unter statischen Temperaturbedingungen und bei dynamischen Temperaturveränderungen ergaben sich grundlegende Unterschiede in der Genexpression. Chronische Anpassung an sehr warme Temperaturen führte zu einer Hochregulation speziell von Hydrolasegenen für die Verdauung und einer Runterregulation von Genen für biosynthetische Prozesse (Translation) mit dem Ziel höheren Energiegewinns und geringeren Energieverbrauchs. Die akute Antwort auf Hitzestress beinhaltete ein Umschalten von der Expression metabolischer Standardgene hin zu einer Expression von Stressgenen. Ein Vergleich zweier D. pulex-Klone aus Habitaten mit unterschiedlicher Umweltvariabilität zeigte, dass höhere Stressbelastung zu einer höheren Stresstoleranz führt, mit der Folge einer komplexeren und deutlich intensiveren proteomischen Antwort unter unterschiedlichen Stressbedingungen (Hitze, Hunger). Eine abschließende Arbeit, bei der noch einige transkriptomische Analysen ausstehen, zeigt verschiedene physiologische Anpassungen von D. pulex an längerfristige Hungerbedingungen, wobei die wahrscheinliche Beteiligung von HIF-1 bei den Genexpressionen zur Anpassung des Energiestoffwechsels an die Hungersituation von besonderem Interesse ist. HIF-1 wäre somit ein, wenn nicht sogar der Schlüsselfaktor für die auf Genexpression beruhenden Umweltanpassungen des Energiestoffwechsels und seiner Zentralkomponenten (Hämoglobine und katabolische Enzyme) oder der Schutz- und Reparaturmechanismen (Chaperone) bei starken Umweltveränderungen.
Publications
-
(2013) Hypoxia-inducible haemoglobins of Daphnia pulex and their role in the response to acute and chronic temperature increase. Biochim Biophys Acta 1834, 1704-1710
Zeis B, Becker D, Gerke P, Koch M, Paul RJ
-
(2016) Adjustments of serine proteases of Daphnia pulex in response to temperature changes. Comp Biochem Physiol B 194-195, 1-10
Dölling R, Becker D, Hawat S, Koch M, Schwarzenberger A, Zeis B
-
(2017) Reactive oxygen species (ROS) and the heat stress response of Daphnia pulex: ROS-mediated activation of hypoxia-inducible factor 1 (HIF-1) and heat shock factor 1 (HSF-1) and the clustered expression of stress genes. Biol Cell 109, 39-64
Klumpen E, Hoffschröer N, Zeis B, Gigengack U, Dohmen E, Paul RJ
-
(2018) The transcriptomic and proteomic responses of Daphnia pulex to changes in temperature and food supply comprise environment-specific and clonespecific elements. BMC Genomics 19, 376 (30 Seiten)
Becker D, Reydelet Y, Lopez JA, Jackson C, Colbourne JK, Hawat S, Hippler M, Zeis B, Paul RJ
