БИОХИМИЯ, 2022, том 87, вып. 12, с. 1985–1997

УДК 575.162

Ген shuttle craft влияет на продолжительность жизни Drosophila melanogaster, контролируя раннее развитие и модифицируя программу старения

© 2022 А.В. Симоненко 1, Н.В. Рощина 1,2, А.В. Кременцова 1,3, О.Ю. Рыбина 1,4, Е.Г. Пасюкова 1*egpas@rambler.ru

Институт молекулярной генетики Национального исследовательского центра «Курчатовский институт», 123182 Москва, Россия

Институт общей генетики имени Н.И. Вавилова РАН, 119991 Москва, Россия

Институт биохимической физики имени Н.М. Эмануэля РАН, 119334 Москва, Россия

ФГБОУ ВО «Московский педагогический государственный университет», 119991 Москва, Россия

Поступила в редакцию 12.10.2022
После доработки 08.11.2022
Принята к публикации 22.11.2022

DOI: 10.31857/S0320972522120156

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: Drosophila melanogaster, продолжительность жизни, старение, подвижность, эмбриональное развитие, нервная система, транскрипционные факторы, глутамат, эксайтотоксичность, феноптоз.

Аннотация

Принципиальные механизмы, лежащие в основе генетического контроля продолжительности жизни, интенсивно изучаются и обсуждаются в связи со все возрастающей важностью продления здоровой жизни человека. Ген stc модельного объекта Drosophila melanogaster кодирует транскрипционный фактор, гомолог транскрипционного фактора NF‑X1 человека, вовлеченный в контроль развития нейронов, а также контроль продолжительности жизни. В данной работе мы демонстрируем, что вызванный РНК-интерференцией нокдаун stc в эмбриональных и нервных клетках приводит к изменению продолжительности жизни, причем характер изменения зависит от типа клеток и пола особей. Основываясь на полученных результатах, мы предполагаем, что ген stc, участвуя в различных процессах на молекулярном, клеточном и организменном уровне на всех этапах жизни, в результате влияет и на сложный интегральный признак – продолжительность жизни. В то же время мы показываем, что уменьшение экспрессии stc в нейронах позволяет смягчить негативное влияние глутамата на продолжительность жизни, возможно, препятствуя развитию глутаматной эксайтотоксичности, модифицируя программу клеточной гибели и предотвращая смерть особей в результате феноптоза.

Сноски

* Адресат для корреспонденции.

Финансирование

Работа была поддержана государственным заданием НИЦ «Курчатовский институт» – ИМГ, регистрационный № 121030200227.

Благодарности

Авторы выражают благодарность Пороховнику Л.Н., обратившему их внимание на возможную роль глутамата в модуляции эффектов исследуемого гена. Авторы признательны Bloomington Drosophila Stock Center (США, https://bdsc.indiana.edu/index.html) и Vienna Drosophila Resource Center (Австрия, https://stockcenter.vdrc.at/control/main) за многолетнее содействие нашим исследованиям.

Вклад авторов

Симоненко А.В., Пасюкова Е.Г. – концепция работы; Симоненко А.В., Рощина Н.В., Рыбина О.Ю. – проведение экспериментов; Симоненко А.В., Рощина Н.В., Кременцова А.В., Рыбина О.Ю., Пасюкова Е.Г. – анализ данных и обсуждение результатов исследования; Симоненко А.В., Рыбина О.Ю., Пасюкова Е.Г. – написание текста; Рощина Н.В., Кременцова А.В. – редактирование текста статьи.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Соблюдение этических норм

Настоящая статья не содержит описания каких-либо исследований с участием людей или животных в качестве объектов.

Дополнительные материалы

Дополнительные материалы

Список литературы

1. Finch, C. E., and Tanzi, R. E. (1997) Genetics of aging, Science, 278, 407-411, doi: 10.1126/science.278.5337.407.

2. Melzer, D., Pilling, L. C., and Ferrucci, L. (2020) The genetics of human ageing, Nat. Rev. Genet., 21, 88-101, doi: 10.1038/s41576-019-0183-6.

3. Tacutu, R., Thornton, D., Johnson, E., Budovsky, A., Barardo, D., Craig, T., Diana, E., Lehmann, G., Toren, D., Wang, J., Fraifeld, V. E., and de Magalhaes, J. P. (2018) Human Ageing Genomic Resources: new and updated databases, Nucleic Acids Res., 46, D1083-D1090, doi: 10.1093/nar/gkx1042.

4. Bunu, G., Toren, D., Ion, C. F., Barardo, D., Sarghie, L., Grigore, L. G., de Magalhaes, J. P., Fraifeld, V. E., and Tacutu, R. (2020) SynergyAge, a curated database for synergistic and antagonistic interactions of longevity-associated genes, Sci. Data, 7, 366, doi: 10.1038/s41597-020-00710-z.

5. The Tabula Muris Consortium (2020) A single-cell transcriptomic atlas characterizes ageing tissues in the mouse, Nature, 583, 590-595, doi: 10.1038/s41586-020-2496-1.

6. Kowald, A., and Kirkwood, T. B. L. (2016) Can aging be programmed? A critical literature review, Aging Cell, 15, 986-998, doi: 10.1111/acel.12510.

7. Weismann, A. (1889) Essays upon heredity and kindred biological problems, Science, ns-14, 237-238, doi: 10.1126/science.ns-14.348.237.b.

8. Skulachev, M. V., and Skulachev, V. P. (2018) in Apoptosis and Beyond: The Many Ways Cells Die (Radosevich, J., ed) Wiley, Hoboken, N. J., pp. 237-288.

9. Pozhitkov, A. E., Neme, R., Domazet-Loso, T., Leroux, B. G., Soni, S., Tautz, D., and Noble, P. A. (2017) Tracing the dynamics of gene transcripts after organismal death, Open Biol., 7, 160267, doi: 10.1098/rsob.160267.

10. Edwards, M. G., Anderson, R. M., Yuan, M., Kendziorski, C. M., Weindruch, R., and Prolla, T. A. (2007) Gene expression profiling of aging reveals activation of a p53-mediated transcriptional program, BMC Genomics, 8, 80, doi: 10.1186/1471-2164-8-80.

11. Isildak, U., Somel, M., Thornton, J. M., and Donertas, H. M. (2020) Temporal changes in the gene expression heterogeneity during brain development and aging, Sci. Rep., 10, 4080, doi: 10.1038/s41598-020-60998-0.

12. Roshina, N. V., Symonenko, A. V., Krementsova, A. V., Trostnikov, M. V., and Pasyukova, E. G. (2014) Embryonic expression of shuttle craft, a Drosophila gene involved in neuron development, is associated with adult lifespan, Aging (Albany NY), 6, 1076-1093, doi: 10.18632/aging.100712.

13. Symonenko, A. V., Roshina, N. V., Krementsova, A. V., and Pasyukova, E. G. (2018) Reduced neuronal transcription of escargot, the drosophila gene encoding a snail-type transcription factor, promotes longevity, Front. Genet., 9, 151, doi: 10.3389/fgene.2018.00151.

14. Rybina, O. Y., Schelkunov, M. I., Veselkina, E. R., Sarantseva, S. V., Krementsova, A. V., Vysokikh, M. Y., Melentev, P. A., Volodina, M. A., and Pasyukova, E. G. (2019) Knockdown of the neuronal gene Lim3 at the early stages of development affects mitochondrial function and lifespan in Drosophila, Mech. Ageing Dev., 181, 29-41, doi: 10.1016/j.mad.2019.111121.

15. Stroumbakis, N. D., Li, Z., and Tolias, P. P. (1996) A homolog of human transcription factor NF-X1 encoded by the Drosophila shuttle craft gene is required in the embryonic central nervous system, Mol. Cell. Biol., 16, 192-201, doi: 10.1128/MCB.16.1.192.

16. Peng, J. J., Lin, S. H., Liu, Y. T., Lin, H. C., Li, T. N., and Yao, C. K. (2019) A circuit-dependent ROS feedback loop mediates glutamate excitotoxicity to sculpt the Drosophila motor system, Elife, 8, e47372, doi: 10.7554/eLife.47372.

17. Schratt, G. M., Nigh, E. A., Chen, W. G., Hu, L., and Greenberg, M. E. (2004) BDNF regulates the translation of a select group of mRNAs by a mammalian target of rapamycin-phosphatidylinositol 3-kinase-dependent pathway during neuronal development, J. Neurosci., 24, 7366-7377, doi: 10.1523/JNEUROSCI.1739-04.2004.

18. McGraw, E. A., and O’Neill, S. L. (2004) Wolbachia pipientis: intracellular infection and pathogenesis in Drosophila, Curr. Opin. Microbiol., 7, 67-70, doi: 10.1016/j.mib.2003.12.003.

19. Wilmoth, J. R., and Horiuchi, S. (1999) Rectangularization revisited: variability of age at death within human populations, Demography, 4, 475-495, doi: 10.2307/2648085.

20. Carey, J. R. (2003) Longevity: The Biology and Demography of Life Span, Princeton University Press, Princeton.

21. Han, S. K., Lee, D., Lee, H., Kim, D., Son, H. G., Yang, J. S., Lee, S. V., and Kim, S. (2016) OASIS 2: online application for survival analysis 2 with features for the analysis of maximal lifespan and healthspan in aging research, Oncotarget, 7, 56147-56152, doi: 10.18632/oncotarget.11269.

22. Vernace, V. A., Arnaud, L., Schmidt-Glenewinkel, T., and Figueiredo-Pereira, M. E. (2007) Aging perturbs 26S proteasome assembly in Drosophila melanogaster, FASEB J., 21, 2672-2682, doi: 10.1096/fj.06-6751com.

23. Brand, A. H., and Perrimon, N. (1993) Targeted gene expression as a means of altering cell fates and generating dominant phenotypes, Development, 118, 401-415, doi: 10.1242/dev.118.2.401.

24. Tolias, P. P., and Stroumbakis, N. D. (1998) The Drosophila zygotic lethal gene shuttle craft is required maternally for proper embryonic development, Dev. Genes Evol., 208, 274-282, doi: 10.1007/s004270050182.

25. Симоненко А. В., Рощина Н. В., Кременцова А. В., Пасюкова Е. Г. (2020) Структурно-функциональная изменчивость нейрональных генов в природных популяциях определяет продолжительность жизни дрозофилы в Дрозофила в генетике и медицине, НИЦ «Курчатовский институт», ПИЯФ, Гатчина, cтр. 94.

26. Jones, M. A., and Grotewiel, M. (2011) Drosophila as a model for age-related impairment in locomotor and other behaviors, Exp. Gerontol., 46, 320-325, doi: 10.1016/j.exger.2010.08.012.

27. Huang, S., Piao, C., Beuschel, C. B., Gotz, T., and Sigrist, S. J. (2020) Presynaptic active zone plasticity encodes sleep need in Drosophila, Curr. Biol., 30, 1077-1091 e1075, doi: 10.1016/j.cub.2020.01.019.

28. Bushey, D., Hughes, K. A., Tononi, G., and Cirelli, C. (2010) Sleep, aging, and lifespan in Drosophila, BMC Neurosci., 11, 56, doi: 10.1186/1471-2202-11-56.

29. Zullo, J. M., Drake, D., Aron, L., O’Hern, P., Dhamne, S. C., Davidsohn, N., Mao, C. A., Klein, W. H., Rotenberg, A., Bennett, D. A., Church, G. M., Colaiacovo, M. P., and Yankner, B. A. (2019) Regulation of lifespan by neural excitation and REST, Nature, 574, 359-364, doi: 10.1038/s41586-019-1647-8.

30. Bruce, A. W., Donaldson, I. J., Wood, I. C., Yerbury, S. A., Sadowski, M. I., Chapman, M., Gottgens, B., and Buckley, N. J. (2004) Genome-wide analysis of repressor element 1 silencing transcription factor/neuron-restrictive silencing factor (REST/NRSF) target genes, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 101, 10458-10463, doi: 10.1073/pnas.0401827101.

31. Yamasaki, Y., Lim, Y. M., Minami, R., and Tsuda, L. (2021) A splicing variant of Charlatan, a Drosophila REST-like molecule, preferentially localizes to axons, Biochem. Biophys. Res. Commun., 578, 35-41, doi: 10.1016/j.bbrc.2021.09.002.

32. Gramates, L. S., Agapite, J., Attrill, H., Calvi, B. R., Crosby, M. A., Dos Santos, G., Goodman, J. L., Goutte-Gattat, D., Jenkins, V. K., Kaufman, T., Larkin, A., Matthews, B. B., Millburn, G., Strelets, V. B., and the FlyBase Consortium (2022) Fly Base: a guided tour of highlighted features, Genetics, 220, iyac035, doi: 10.1093/genetics/iyac035.

33. Belov, K. D., Kriska, J., Tureckova, J., and Anderova, M. (2020) Ischemia-triggered glutamate excitotoxicity from the perspective of glial cells, Front. Cell Neurosci., 14, 51, doi: 10.3389/fncel.2020.00051.

34. Chang, S., Bray, S. M., Li, Z., Zarnescu, D. C., He, C., Jin, P., and Warren, S. T. (2008) Identification of small molecules rescuing fragile X syndrome phenotypes in Drosophila, Nat. Chem. Biol., 4, 256-263, doi: 10.1038/nchembio.78.

35. Zhou, X., Escala, W., Papapetropoulos, S., and Zhai, R. G. (2010) β-N-methylamino-L-alanine induces neurological deficits and shortened life span in Drosophila, Toxins (Basel), 2, 2663-2679, doi: 10.3390/toxins2112663.

36. Kasozi, K. I., Namubiru, S., Kiconco, O., Kinyi, H. W., Ssempijja, F., Ezeonwumelu, J. O. C., Ninsiima, H. I., and Okpanachi, A. O. (2018) Low concentrations of monosodium glutamate (MSG) are safe in male Drosophila melanogaster, BMC Res. Notes, 11, 670, doi: 10.1186/s13104-018-3775-x.