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Influence of fructose on the insulin/IGF-1 signaling pathway and heat-stress resistance in Caenorhabditis elegans
Cornelia Zöchmeister
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Lebenswissenschaften
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Masterstudium Ernährungswissenschaften
Betreuer*in
Martina Ortbauer
DOI
10.25365/thesis.38068
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-30072.80654.872753-6
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Die hohe evolutionäre Konservierung des Insulin/IGF-1 Signalwegs (IIS) innerhalb der Eukaryoten ermöglicht es, Vergleiche bezüglich der Involvierung von IIS-Komponenten und Cofaktoren sowie des molekularen Mechanismus ziehen zu können. Der Insulin/IGF-1 Signalweg spielt eine fundamentale Rolle im Stoffwechsel bei der Verknüpfung von Nährstoff- und Nahrungsverfügbarkeit mit Wachstum, Entwicklung, Langlebigkeit und Altern. Die übermäßige Aufnahme von Fruktose über die Nahrung, insbesondere durch den Einsatz von High-Fructose Corn Syrup (HFCS), steht unter Verdacht, zur Entstehung und dem Verlauf des metabolischen Syndroms und der Entwicklung damit verbundener Krankheiten beizutragen. In der vorliegenden Arbeit wurde der Nematode Caenorhabditis elegans als Modellorganismus verwendet, um die Effekte der Fruktose auf Komponenten des Insulin/IGF-1 Signalwegs zu untersuchen. Der Schwerpunkt lag dabei auf der Bestimmung der Gen- und Protein-Expressionslevel der molekularen Komponenten dieses Stoffwechselweges nach Verabreichung von unterschiedlichen Zuckerarten (jeweils 5.4% w/v Glukose, Fruktose, Saccharose und eine Mischung aus Glukose und Fruktose (50/50)) im Vergleich zu einer Kontrollgruppe ohne Zuckergabe. Ein Hitzestress-Assay (zwei Stunden bei 37 °C) wurde durchgeführt, um Unterschiede in der Lebensspanne abhängig vom konsumierten Zuckertyp aufzuzeigen. Für die Bestimmung der relativen mRNA- und Proteinmenge wurden Real-Time quantitative PCR und Western Blot angewandt.
Nach dem Einwirken eines zweistündigen Hitzestresses bei 37 °C konnte gezeigt werden, dass die Fütterung mit der Glukose/Fruktose-Mischung (50/50) zu einer signifikanten Reduktion der Lebensspanne geführt hat, kombiniert mit einer erhöhten mRNA-Menge an heat-shock protein-1 (hsp-1). Dies könnte auf eine verminderte Resilienz gegenüber Hitzestress hindeuten. Die Gabe von Fruktose könnte bei kürzerem Hitzestress hormetische Effekte induziert haben. Die Expression des Transkriptionsfaktors und Effektors daf-16 resultiert in widersprüchlichen Einflüssen auf die Lebensspanne, möglicherweise bedingt durch post-translationale Modifikationen und der Beteiligung von Cofaktoren. In nicht-gestressten Würmern war der Insulinrezeptor DAF-2, trotz unterschiedlicher Stimulation, nach Glukose- und Fruktose-Gabe erhöht. Der DAF-16/FoxO Co-Regulator Sirtuin SIR-2.1 wurde bei Fütterung von Glukose, Fruktose und 50/50-Mischung hochreguliert, dessen Involvierung in Stressresistenz und Langlebigkeit könnte jedoch von der gleichzeitigen Aktivierung des Insulin/IGF-1 Signalwegs abhängig sein.
Zusammenfassend demonstriert diese Arbeit den – im Vergleich zu anderen Zuckerarten – unterschiedlichen Einfluss von Fruktose auf den Insulin/IGF-1 Signalweg, hierbei kommt dem Transkriptionsfaktor DAF-16/FoxO eine entscheidende Bedeutung zu. Der übermäßige Konsum von Fruktose mit der Nahrung, besonders durch High-Fructose Corn Syrup, sollte daher kritisch beurteilt werden. Die molekulare Verbindung des Insulin/IGF-1 Signalwegs (vor allem DAF-16/FoxO) mit der Hitzestressantwort (besonders heat-shock factor-1, HSF-1) scheint die Lebensspanne in Folge von Hitzestress zu beeinflussen.
Abstract
(Englisch)
The high evolutionary conservation of the insulin/IGF-1 signaling (IIS) pathway allows the comparison of its components, co-factors and molecular mechanisms between eukaryotes. The IIS pathway holds a fundamental role in metabolism, linking nutrient availability with growth, development, longevity and aging. Increasing consumption of fructose, especially through the use of high-fructose corn syrup (HFCS), is under suspicion of contributing to the onset and progression of the metabolic syndrome and related diseases. In the present thesis, Caenorhabditis elegans was applied as model organism to study the impact of fructose on the insulin/IGF-1 signaling pathway. Focus was laid on the examination of gene and protein expression levels of molecular components of this pathway upon the administration of various types of sugar (glucose, fructose, sucrose and glucose/fructose 50/50 – respectively 5.4% w/v) in comparison to no sugar administration (control group). A heat-stress assay (2 hours at 37 °C) was conducted in order to reveal differences in life span attributable to differing sugar consumption. Real-time quantitative PCR and Western Blot were used to determine relative mRNA and protein levels.
Heat-stressed worms that were fed a mixture of glucose/fructose (50/50) showed a significant reduction in life span, combined with elevated mRNA levels of heat-shock protein-1 (hsp-1), indicating that this group might have exhibited a reduced resilience to thermal stress. Fructose feeding might have induced hormetic effects after a shorter exposure to heat stress. Expression of daf-16, a forkhead box transcription factor and downstream effector of the IIS cascade, showed conflicting results on life-span extension, drawing attention to its post-translational modifications (particularly phosphorylation) and functional contribution of co-factors such as sirtuin SIR-2.1 and host cell factor-1 (HCF-1). In non-stressed worms, the insulin receptor DAF-2 was increasingly expressed with glucose and fructose feeding, though these protein levels presumably resulted from distinct stimulating effects on the IIS pathway. The NAD+-dependent deacetylase SIR-2.1, a positive nuclear regulator of DAF-16/FoxO, was found to be upregulated in glucose, fructose and 50/50 groups. Its involvement in longevity and stress resistance may depend on concurrent activation of the IIS pathway.
In conclusion, this thesis demonstrates that fructose differentially impacts and interferes with the insulin/IGF-1 signaling pathway, the transcription factor DAF-16/FoxO seems to be crucial. Thus, excessive dietary fructose consumption, notably by HFCS, should be assessed with caution. The connection of the IIS pathway (in particular DAF-16/FoxO) with the heat-shock response (in particular heat-shock factor-1, HSF-1) affects life span after heat-stress exposure.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
insulin/IGF-1 signaling pathway Caenorhabditis elegans heat-stress resistance life-span extension fructose high-fructose corn syrup sirtuin SIR-2.1 insulin receptor DAF-2 forkhead box transcription factor DAF-16
Schlagwörter
(Deutsch)
Insulin/IGF-1 Signalweg Caenorhabditis elegans Fruktose Hitzestressresistenz Insulinrezeptor DAF-2 Langlebigkeit Sirtuin SIR-2.1/ forkhead box Transkriptionsfaktor DAF-16 High-Fructose Corn Syrup
Autor*innen
Cornelia Zöchmeister
Haupttitel (Englisch)
Influence of fructose on the insulin/IGF-1 signaling pathway and heat-stress resistance in Caenorhabditis elegans
Paralleltitel (Deutsch)
Der Einfluss von Fruktose auf den Insulin/IGF-1 Signalweg und die Hitzestressresistenz in Caenorhabditis elegans
Publikationsjahr
2015
Umfangsangabe
92 S. : Ill., graph. Darst.
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Martina Ortbauer
Klassifikation
30 Naturwissenschaften allgemein > 30.00 Naturwissenschaften allgemein: Allgemeines
AC Nummer
AC12407846
Utheses ID
33746
Studienkennzahl
UA | 066 | 838 | |