Aging cellular networks: chaperones as major participants

We increasingly rely on the network approach to understand the complexity of cellular functions. Chaperones (heat shock proteins) are key "networkers", which have among their functions to sequester and repair damaged protein. In order to link the network approach and chaperones with the aging process, we first summarize the properties of aging networks suggesting a "weak link theory of aging". This theory suggests that age-related random damage primarily affects the overwhelming majority of the low affinity, transient interactions (weak links) in cellular networks leading to increased noise, destabilization and diversity. These processes may be further amplified by age-specific network remodelling and by the sequestration of weakly linked cellular proteins to protein aggregates of aging cells. Chaperones are weakly linked hubs [i.e., network elements with a large number of connections] and inter-modular bridge elements of protein-protein interaction, signalling and mitochondrial networks. As aging proceeds, the increased overload of damaged proteins is an especially important element contributing to cellular disintegration and destabilization. Additionally, chaperone overload may contribute to the increase of "noise" in aging cells, which leads to an increased stochastic resonance resulting in a deficient discrimination between signals and noise. Chaperone- and other multi-target therapies, which restore the missing weak links in aging cellular networks, may emerge as important anti-aging interventions.Comment: 7 pages, 4 figure

Hősokk és metabolikus stressz pályák kölcsönhatásai az öregedésben = Heat-shock and metabolic stress responses in aging

Az öregedés egyik oka a stresszválaszok, így az immunválasz gyengülése. A kalória csökkentés és a -mimetikus resveratrol élettartam-növelő hatását számos tanulmány kimutatta. A kalória csökkentés és a resveratrol aktiválja a szirtuin Sir2-t, a HSF1 hősokkválasz és az Nrf2 oxidatív stresszválasz regulátorokat, azonban háttérben meghúzódó molekuláris mechanizmusok és a különféle stresszpályák közötti kapcsolatok jórészt feltáratlanok. Pályázatunk a következő megfigyelésekhez vezetett: (1) a resveratrol-indukált élettartam-növekedés és hőstressztolerancia mind a SIR-2.1, mind a HSF1 ortológot, a kalória megvonás kizárólag a HSF1-et igényli C. elegans-ban (2) korábbi megfigyelésekkel ellentétben a SIR-2.1 túltermelés nem növeli meg a fonálférgek élettartamát (3) az emlős SIRT1 túltermelése deacetiláz aktivitásától függetlenül megvéd a denaturált fehérjék citotoxikus hatásától (4) a SIRT1 a Hsp90 chaperont igényli funkciójához (5) az oxidatív stressz gátolja a hőstressz-adaptációt és a hősokk választ (6) az antioxidatív regulátor SKN-1 szükséges a C. elegans természetes immunitásához. Munkánk hozzájárul a nemzeti öregedés- és C. elegans-kutatás fejlődéséhez. Eredményeink elősegítik a resveratrol és a Sir2 élettartamra és stresszadaptációra gyakorolt hatásának és az Nrf2/SKN-1 immunitásban betöltött szerepének megértését, valamint számos kapcsolatot azonosítanak a proteosztázis, oxidatív stressz, kalória csökkentés és immunitás élettartamot moduláló hatásaiban. | Aging is a progressive decline in self-maintenance due to the decrease in stress responses including the immune response. Dietary restriction and the dietary restriction-mimetic resveratrol have been shown to induce longevity and to activate the Sir2 sirtuin, HSF1 heat shock and Nrf2 oxidative stress response regulators. However, the underlying molecular mechanisms and crosstalks between stress-responsive pathways remained largely unclear. In the current project we report that (1) resveratrol-induced longevity and thermotolerance requires the SIR-2.1 and HSF1 orthologs, while dietary deprivation only depends on HSF1 in C. elegans (2) contrary to previous reports SIR-2.1 overexpression does not extend life-span in worms (3) SIRT1 overexpression protects from misfolding-induced cytotoxicity in a deacetylase-independent manner in mammalian cells (4) Hsp90 chaperones mammalian SIRT1 (5) oxidative stress inhibits thermotolerance and the heat-shock response (6) the antioxidant response regulator SKN-1 transcription factor is required for innate immunity in C. elegans. Our work contributes to both aging and C. elegans research in Hungary. Our findings help clarify the impact of resveratrol and Sir2 in longevity and stress adaptation, the role of Nrf2/SKN-1 in innate immunity and identify important crosstalks that connect proteostasis, oxidative stress, dietary restriction and immunity to longevity

A dajkafehérjék az öregedési folyamatokban = Molecular chaperones in the ageing process

A stresszválasz fontos szerepet játszik az öregedésben, és terápiás célpont a korfüggő betegségek kezelésében. Pályázatunkban kimutattuk, hogy (1) az öregedés kóroki tényezőjeként ismert oxidatív stressz osztódó sejtekben nem vezet fehérje denaturációhoz és kompenzatorikus stresszfehérje indukcióhoz, így a globális fehérje homeosztázisra gyakorolt akut hatása elhanyagolható; (2) a kitekeredő és szuszceptibilis oldalláncokat exponáló fehérjék oxidáltsága megnövekszik, mely felveti, hogy az öregedés során felszaporodó aggregátumok másodlagosan (is) oxidálódnak; (3) oxidatív stressz a Hsp90 módosulását okozza in vitro, a Hsp90 izoformaspecifikus funkciókat mutat; (4) a perifériás limfociták nyugalmi és hőindukált Hsp70 szintje idős emberekben számottevően csökken, valamint (5) Hsp70 indukálhatósága pozitív korrelációt mutat a nyugalmi Hsp70 szinttel, ami az enyhe stresszek pozitív hatását sejteti; (6) a polifenol resveratrol emlős sejtekben és C. elegans-ban a stresszválasz indukciójához, hősokkal mutatott szinergizmushoz és termotoleranciához vezet, melyet nem antioxidáns és proteotoxikus hatása, hanem a hősokk faktor-1 aktivációja által fejt ki. Összefoglalva, az oxidatív stressz és az antioxidánsok nem módosítják a fehérje homeosztázist és a stresszválaszt, ellenben hatnak a Hsp90-re. A resveratrol chaperon induktor tulajdonsága révén biztosíthatja és fenntarthatja a stresszválasz robusztusságát, mely hozzájárulhat terápiás és élettartam növelő hatásaihoz. | The heat-shock response is an important player in aging and is a therapeutic target in the treatment of age-related diseases. We demonstrated that (1) oxidative stress, the major causative factor in aging failed to induce protein misfolding and heat-shock response in replicating cells, therefore it did exert a significant short-term effect on protein homeostasis; (2) misfolded proteins displayed higher oxidation due to the exposure of susceptible residues, suggesting that increased protein aggregation may also secondarily lead to increased protein oxidation during aging; (3) oxidative stress modified Hsp90 in vitro, Hsp90 displayed isoform-specific functions; (4) basal and heat-induced Hsp70 levels declined in human lymphocytes from aged subjects and (5) Hsp70 inducibility showed a strong positive correlation with basal Hsp70 level, suggesting a priming role for mild stresses; (6) the polyphenol resveratrol induced the heat-shock response, synergized with mild heat stress and conferred thermotolerance both in mammalian cells and in C. elegans. It was neither mediated by proteotoxicity nor its antioxidant property, but a selective activation of heat shock factor-1. Thus, oxidative stress and antioxidants do not seem to modify protein homeostasis and the heat-shock response, while affect Hsp90. Resveratrol as a chaperone inducer may ensure and maintain a robust heat-shock response, that may contribute to its therapeutic and longevity-promoting potential

Molekuláris chaperonok és a citoszkeleton kölcsönhatásai = Interactions of molecular chaperones and the cytoskeleton

Munkánk során azonosítottuk a citoplazma leggyakoribb stresszfehérjéje, a Hsp90 második, C-terminális nukleotid kötőhelyét, valamint e fehérje taxol-kötőhelyét, amely új Hsp90 támadáspontú gyógyszerek tervezésére ad lehetőséget. Bebizonyítottuk, hogy a Hsp90 inhibitorok hatásmódjában a megtámadott sejtek erőteljesebb lízise is részt vesz. A chaperonok rendezetlen régióin alapuló új elméletet dolgoztunk ki működésük megértésére. Elemeztük a chaperonok szerepét az öregedés során különös tekintettel az apoptózist gátló tulajdonságaikra. Az endoplazmatikus retikulum chaperonjai működési mechanizmusának számos új elemét tártuk fel egészséges, és krónikus stressznek kitett sejtekben. Számos új szempontot adtunk a chaperonok szerepének megértésére a sejt molekula-hálózataiban. Ezek legfontosabbikaként felismertük, hogy a hálózatok gyenge kölcsönhatásai részt vesznek minden komplex rendszer stabilizálásában. Kidolgoztunk és részben bizonyítottunk egy új gyógyszertervezési paradigmát, amely szerint a multi-target gyógyszerek hatékonyabbak, mint a jelenleg alkalmazott single-target gyógyszerek. Elvileg is új, rendkívül hatékony eljárás-családot dolgoztunk ki hálózatok átfedő moduljainak meghatározására és igen nagyméretű hálózatok hierarchikus ábrázolására. | We have identified a second, C-terminal nucleotide binding site, and an independent, taxol-binding site of the most abundant cytoplasmic stress protein, Hsp90. Both sites can be used as novel pharmacological targets in anticancer drug design. We demonstrated that the Hsp90 inhibitor drug candidates promote the lysis of the malignant cells by the immune system. We have discovered that chaperones contain a large amount of disordered regions and described the involvement of these regions in chaperone action. We analyzed the role of chaperones in aging with special reference to their anti-apoptotic effects. We identified several elements of chaperone action in the endoplasmic reticulum of normal cells and cells under chronic stress. We gave several new aspects to understand the role of chaperones in cellular networks. As the most important of these, we discovered that weak links stabilize all complex systems. We have developed and partially proved a novel drug design paradigm showing the efficiency of multi-target drugs. Lastly, we developed a novel, highly efficient group of methods to identify overlapping network modules and to visualize extremely large networks in a hiearachical (zoom-in) fashion

Hsp90 Stabilizes SIRT1 Orthologs in Mammalian Cells and C. elegans

Sirtuin 1 (SIRT1) othologs are ubiquitous NAD⁺-dependent deacetylases that act as nutrient sensors and modulate metabolism and stress responses in diverse organisms. Both mammalian SIRT1 and Caenorhabditis elegans SIR-2.1 have been implicated in dietary restriction, longevity, and healthspan. Hsp90 is an evolutionarily conserved molecular chaperone that stabilizes a plethora of signaling 'client' proteins and regulates fundamental biological processes. Here we report that Hsp90 is required for conformational stabilization of SIRT1 and SIR-2.1. We find that inhibition of Hsp90 by geldanamycin (GA) induces the depletion of mammalian SIRT1 protein in a concentration and time dependent manner in COS-7 and HepG2 cells. In contrast to SIRT1, SIRT2 level remains unchanged by GA treatment, reflecting a specific Hsp90 SIRT1 interaction. Hsp90 inhibition leads to the destabilization and proteasomal degradation of SIRT1. Moreover, we observe a GA-sensitive physical interaction between SIRT1 and Hsp90 by immunoprecipitation. We also demonstrate that hsp-90 gene silencing also induces SIR-2.1 protein depletion and proteasomal degradation in C. elegans. Our findings identify metazoan SIRT1 orthologs as Hsp90 clients and reveal a novel crosstalk between the proteostasis and nutrient signaling networks, which may have implications in various age related diseases

The pleiotropic neuroprotective effects of resveratrol in cognitive decline and Alzheimer¿s disease pathology: from antioxidant to epigenetic therapy

increase exponentially. Lifestyle factors such as nutrition, exercise, and education, among others, influence ageing progression, throughout life. Notably, the Central Nervous System (CNS) can benefit from nutritional strategies and dietary interventions that prevent signs of senescence, such as cognitive decline or neurodegenerative diseases such as Alzheimer¿s disease and Parkinson¿s Disease. The dietary polyphenol Resveratrol (RV) possesses antioxidant and cytoprotective effects, producing neuroprotection in several organisms. The oxidative stress (OS) occurs because of Reactive oxygen species (ROS) accumulation that has been proposed to explain the cause of the ageing. One of the most harmful effects of ROS in the cell is DNA damage. Nevertheless, there is also evidence demonstrating that OS can produce other molecular changes such as mitochondrial dysfunction, inflammation, apoptosis, and epigenetic modifications, among others. Interestingly, the dietary polyphenol RV is a potent antioxidant and possesses pleiotropic actions, exerting its activity through various molecular pathways. In addition, recent evidence has shown that RV mediates epigenetic changes involved in ageing and the function of the CNS that persists across generations. Furthermore, it has been demonstrated that RV interacts with gut microbiota, showing modifications in bacterial composition associated with beneficial effects. In this review, we give a comprehensive overview of the main mechanisms of action of RV in different experimental models, including clinical trials and discuss how the interconnection of these molecular events could explain the neuroprotective effects induced by RV.This study was supported by the Ministerio de Economía, Industria y Competitividad (Agencia Estatal de Investigación, AEI) and Fondo Europeo de Desarrollo Regional (MINECO-FEDER) (PID2019-106285RB and PCIN-2015-229, and Generalitat de Catalunya (2017 SGR 106) to M.P. The work was funded by grants from the Hungarian Science Foundation (OTKA K 116525), and from the Semmelweis University (STIA-KFI-2020/132257/AOMBT/2020) to C.S

Az integratív medicina képzésének hazai koncepciója nemzetközi minták alapján

Az integratív medicina a XXI. századi egészségügyi ellátás egészség- és személyközpontú irányvonala, mely az eviden- ciákon alapuló, biztonságos és hatékony komplementer eljárásokat és a konvencionális orvoslást egységes biomedici- nába integrálja. Orvosok és komplementer terapeuták partnerként együtt dolgoznak a betegekkel azon, hogy az utóbbiak visszanyerjék egészségüket, és teljes életet élhessenek. Ezzel egyenrangú cél az egészség fenntartása és kitel- jesítése, ebben az orvosok példaképpé válnak. Közleményükben a szerzők a szakorvosok számára tervezett kétéves magyarországi képzés koncepcióját és főbb tartalmi elemeit mutatják be, és összefoglalják a nemzetközi orvosképzés- ben ezen a téren elért eredményeket