Pure and modified humic substances exert mild stress and affect Caenorhabditis elegans life-span
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Untersuchungen am Nematoden Caenorhabditis elegans haben gezeigt, dass Huminstoffe einen chemischen Stress ausüben, welcher jedoch positive Auswirkungen auf den Organismus haben kann, wenn er nicht zu stark ist. Dabei konnten einzelne Huminstoffe sogar lebensverlängernd wirken, die ihnen ausgesetzten Tiere erwarben dabei multiple Stressresistenzen. Als Testsubstanz in diesem Projekt diente der Huminstoff HF, welcher durch eine alkalische Extraktion aus hoch oxidierter Braunkohle gewonnen wurde und reich an funktionellen Gruppen ist. Niedere bis moderate Konzentrationen (0,2 bis 2,0 mM DOC) erwiesen sich in der Lage, die mittlere Lebensspanne um bis zu 12% zu verlängern und auch die antioxidative Kapazität in behandelten Tieren zu erhöhen. Diese positiven Auswirkungen wurden jedoch von einer Reduktion der Körpergröße der Tiere begleitet, auch verschob sich der zeitliche Ablauf der reproduktiven Phasen nach hinten. Die chemische Anreicherung von HF mit Hydroxybenzengruppen, sowohl polyphenolischen als auch chinonischen Gruppen, verstärkte dessen Einfluss auf C. elegans, was sich insbesondere in einer bis zu 20%igen Steigerung der Lebensspanne und einer zusätzlich erworbenen signifikant erhöhten Thermotoleranz zeigte. Eine zusätzliche Kalorienreduktion hebt die Wirkung der Huminstoffe nicht auf, lässt ihre Wirkungsamplitude jedoch schwächer ausfallen. Ein weiterhin synthetisiertes künstliches Huminstoffpräparat als Produkt einer Polykondensationsreaktion von Hydrochinon hatte dabei ganz ähnliche Wirkungen auf C. elegans. Der Erfolg der chemischen Modifizierungen wurde durch eine Vielzahl von physikochemischen Messungen nachgewiesen, so durch Absorptions-, ESR- und NMR-Spektroskopie, Größenausschluss-Chromatographie sowie Elementanalysen und Messungen zu antioxidativen Kapazität. In anschließenden molekularbiologischen Untersuchungen zeigte sich, dass HF und ein Hydrochinon angereichertes HF-Präparat sehr ähnliche globale Transkriptionsprofile in C. elegans auslösten und diese wiederum verwandt zu solchen sind, wie sie Tanninsäure bzw. Quercetin behandelten Nematoden zeigten. Darüber hinaus wurde deutlich, dass jung-adulte Nematoden mehr durch Huminstoffe beeinflusst werden als ältere. Dabei wird die reproduktive Phase offensichtlich verlangsamt, was letztendlich zu Tieren führt, die für ihr Alter vergleichsweise jünger wirken, was sich auch an einer erhöhten Pharynxaktivität zeigte. Letztlich erwiesen sich für die Ausbildung der HF-bewirkten Langlebigkeit größtenteils dieselben Gene als verantwortlich, welche auch für die Wirkung von Polyphenolen benötigt werden. Im Zentrum stehen dabei sek-1 (eine MAP-Kinase Kinase des p38 MAP Kinase Signalweges), sir-2.1 (ein Histon- Deacetylase) und asah-1 (eine lysosomale Ceramidase). Aus der weiterhin fehlende HF-Wirkung auf einen Mutantenstamm mit erhöhtem internen oxidativen Stress (mev-1, Cytochrom b) lässt sich schließen, dass HF und Modifikationen als auch verschiedene Polyphenole in vivo nur bedingt antioxidativ aktiv werden können und diese Wirkungsweise damit nicht von zentraler Bedeutung ist. Alle Untersuchungsergebnisse weisen darauf hin, dass HF auf dieselbe Weise wie Polyphenol- Monomere agiert. Hydroxybenzene sind damit die effektiven Strukturen der Huminstoffe und insbesondere verantwortlich für die Verlängerung der Lebensspanne von C. elegans. Die Anreicherung von HF mit polyphenolischen Gruppen erwies sich dabei als leicht wirksamer als die mit Chinonen – in beiden Fällen geht die Exposition jedoch zumindest bei einer höheren Konzentrationen mit einer Reduktion des Körperwachstums einher. Die molekulare Wirkungsweise der Hydroxybenzene beruht vor allem auf der negativen Regulation der TGF(Transforming Growth Factor)-β und der ILS (Insulin-like signaling) Signalkaskaden als auch einer Aktivierung der lysosomalen Aktivität, was als Indiz für eine erhöhte Autophagie angesehen werden kann.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2009) Dissolved Humic Substances - Interactions with Organisms. In: Likens, G.E. (ed.). Encyclopedia of Inland Waters. Oxford: Elsevier, 747-753
Steinberg, C.E.W., Timofeyev, M.A., Menzel, R.
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(2009) Huminstoffe - totes Material höchst aktiv. Studien über lebenswichtige braune Geopolymere. 1. Wirbellose Tiere. Aquaristik Fachmagazin 205, 64-69
Steinberg, C.E.W., Menzel, R.
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(2011) Dissolved humic substances initiate DNA-methylation in cladocerans. Aquatic Toxicology 105, 640-642
Menzel, S., Bouchnak, R., Menzel, R., Steinberg, C.E.W.
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(2011) The enrichment of humic material with hydroxybenzene moieties intensifies its physiological effects on the nematode Caenorhabditis elegans. Environmental Science & Technology 45, 8707-8715
Menzel, R., Menzel, S., Tiedt, S., Kubsch, G., Stößer, R., Bährs, H., Putschew, A., Saul, N., Steinberg, C.E.W.
