Osjetljivost proteina na oksidaciju i posljedice na fenotip stanice

doctoral thesis

• Title (english): Protein susceptibility to oxidation and cell phenotype alterations
• Author: Anita Lovrić
• Mentor: Miroslav Radman (mentor); MBZ: 288662
• Committee member: Ksenija Zahradka (član povjerenstva)
• Committee member: Dušica Vujaklija (član povjerenstva)
• Committee member: Ivana Ivančić Baće (član povjerenstva); MBZ: 217264
• Granter: University of Zagreb; Faculty of Science; (Department of Biology); Zagreb
• Defense date and country: 2016, Croatia
• Scientific / art field, discipline and subdiscipline: NATURAL SCIENCES; Biology
• Universal decimal classification (UDC): 576 - Cellular and subcellular biology. Cytology

Abstract

Poznato je da karbonilacija proteina ugrožava vitalne stanične funkcije. Zbog toga, invazivne patogene bakterije moraju izdržati štetu koju uzrokuje domaćin reaktivnim kisikovim vrstama prilikom obrane. Koristeći komparativnu genomiku i druge eksperimentalne pristupe, pokazali smo da su proteini iz patogenih bakterija stekli otpornost na oksidacijski stres povećanjem strukturne stabilnosti staničnih proteina. Reprezentativni patogeni su pokazali veću otpornost na inhibiciju HSP90 šaperona, kao i proteom manje sklon oksidaciji. Zajednička karakterizacija 46 proteoma patogenih bakterija obuhvatila je 14 fizikalno-kemijskih svojstava koji imaju utjecaj na povećanu strukturnu stabilnost. Pročišćavanjem 10 reprezentativnih proteina, pokazali smo in vitro da su proteini s karakteristikama specifičnim za proteine patogenih bakterija, otporniji na oksidativni stres uslijed povećane stabilnosti strukture. Karakterističan sastav proteoma patogena omogućio je dizajniranje sintetičkih peptida koji su otporniji na odmatanje i na proteinsku karbonilaciju, čime je potvrđena uzročno-posljedična veza između strukturne stabilnosti i otpornosti na oksidaciju, s mogućnošću primjene u sintetskoj biologiji i antimikrobnim strategijama. Karbonilacija proteina nije povezana samo sa svojstvima proteina i staničnim propadanjem tijekom oksidacijskog stresa već i sa brojnim dobno povezanim poremećajima i starenjem. Uloga proteinskih šaperona u starenju je intrigantna i njihov potencijalni doprinos je do sada bio dodijeljen samo njihovoj središnjoj ulozi u proteostazi. Ovdje smo pokazali kako 4 proteinska šaperona iz različitih staničnih odjeljaka produljuju replikativni životni vijek (RŽV) pupajućem kvascu, zajedničkim mehanizmom koji je sličan odgovoru na kalorijsku restrikciju. Produljenje RŽV-a rezultat je povećane aktivacije kinaze Snf1 pomoću šaperona Hsp90, koja omogućava zaobilaženje signala o razini glukoze u okolini. Produljenje RŽV-a pomoću šaperona prati tzv. razdvajanje (engl. uncoupling) respiratornog lanca. Sekvenciranje genoma potvrdilo je represiju glikolize i translacije te aktivaciju glukoneogeneze i oksidacije masnih kiselina. Naši rezultati postavljaju novu paradigmu za ulogu proteinskih šaperona: moduliranjem razine ekspresije šaperona moguće je utjecati na metabolizam stanice te posljedično na životni vijek. Očekujemo da će opisani mehanizam otvoriti nove mogućnosti za istraživanje starenja i bolesti vezanih uz starenje.

Abstract (english)

Protein oxidation is known to compromise vital cellular functions. Therefore, invading pathogenic bacteria must resist damage inflicted by host defenses via reactive oxygen species. Using comparative genomics and experimental approaches, we provide multiple lines of evidence that proteins from pathogenic bacteria have acquired resistance to oxidative stress by an increased conformational stability. Representative pathogens exhibited higher survival upon HSP90 inhibition and a less-oxidationprone proteome. A proteome signature of the 46 pathogenic bacteria encompasses 14 physicochemical features related to increasing protein conformational stability. By purifying ten representative proteins, we demonstrate in vitro that proteins with a pathogen-like signature are more resistant to oxidative stress as a consequence of their increased conformational stability. A compositional signature of the pathogens’ proteomes allowed the design of protein fragments more resilient to both unfolding and carbonylation, validating the relationship between conformational stability and oxidability with implications for synthetic biology and antimicrobial strategies. Protein carbonylation has been associated not only with protein quality and cellular deterioration but also with a large number of age–related disorders and senescence. The involvement of protein chaperones in aging is intriguing and their potential contribution has, so far, been attributed solely to their central role in proteostasis. Here we show that four protein chaperones from different cellular compartments extend replicative lifespan (RLS) in budding yeast by a common mechanism akin to caloric restriction. The RLS extension relies on the increased direct activation of Snf1 kinase by Hsp90, thereby bypassing the signal on the environmental glucose level. The chaperone-related RLS extension is accompanied by the respiratory chain uncoupling. A genomic approach confirmed the repression of glycolysis and translation, as well as activation of gluconeogenesis and fatty acid oxidation. Our results set a novel paradigm for the role of protein chaperones: by modulation of the chaperone expression level one can affect cellular metabolic features, and consequently, modify lifespan. We expect the described mechanism to open new avenues for research in aging and age-related diseases.

• Keywords: karbonilacija proteina; oksidacijski stres; konformacijska stabilnost; replikativni životni vijek; šaperoni
• Keywords (english): protein carbonylation; oxidative stress; conformational stability; replicative lifespan; chaperones
• Language: croatian
• URN:NBN: urn:nbn:hr:217:279946
• Study programme: Title: Biology; Study programme type: university; Study level: postgraduate; Academic / professional title: doktor/doktorica znanosti, područje prirodnih znanosti, polje biologija (doktor/doktorica znanosti, područje prirodnih znanosti, polje biologija)
• Type of resource: Text
• File origin: Born digital
• Access conditions: Open access
• Created on: 2017-05-16 09:30:28