The mechanism of action of isonicotinamide in Saccharomyces cerevisiae chronological lifespan extension

Abstract

Starzenie jest główną cechą towarzyszącą wielu chorobom, takim jak neurodegeneracja, nowotwory i choroby układu krążenia. Ze względu na fakt, że wiele genów i szlaków związanych ze starzeniem jest w dużym stopniu konserwatywne ewolucyjnie, organizmy modelowe były kluczowe dla odkryć mechanizmów leżących u podstaw procesu starzenia. Eukariotyczny, jednokomórkowy organizm Saccharomyces cerevisiae jest wysoce podatny na manipulacje genetyczne, nadaje się do wysokowydajnych analiz, i jako taki jest doskonałym modelem do odkrywania nowych szlaków istotnych dla starzenia i potencjalnych terapii przeciwstarzeniowych. W badaniu starzenia drożdży stosuje się dwa testy sprawdzające replikacyjny czas życia (RLS) i chronologiczny czas życia (CLS). Ten ostatni mierzy przeżywalność komórek w fazie stacjonarnej i jest uważany za bardziej istotny fizjologicznie dla starzenia się ssaków, które wydaje się być w dużej mierze spowodowane utratą długo żyjących komórek postmitotycznych. W niniejszej pracy badano mechanizm działania związku wydłużającego CLS, izonikotynamidu (INAM). Wykonując chemiczno-genetyczną analizę z wykorzystaniem kolekcji haploidalnych mutantów delecyjnych, udało się odkryć delecje genów nadające wrażliwość na INAM. Analiza wrażliwych szczepów wykazała szczególne wzbogacenie w mutanty genów istotnych dla elongacji transkrypcyjnej, w tym osiem z dziewięciu dostępnych mutantów podjednostek kompleksu SWR1, jak również mutant delecyjny histonu H2A.Z, który jest inkorporowany do nukleosomu przez kompleks SWR1. Istniała również grupa szczepów wrażliwych, które pozbawione były enzymów kluczowych dla syntezy seryny i treoniny. Niektóre mutanty były również wrażliwe na kwas mykofenolowy, inhibitor syntezy GTP de novo, dlatego zmierzono poziom nukleotydów i ich metabolitów. Analiza z wykorzystaniem spektrometrii mas wykazała indukowane przez INAM obniżenie poziomu nukleozydów purynowych w fazie logarytmicznego wzrostu oraz obniżenie poziomu nukleotydów purynowych w fazach: spowolnionego wzrostu i stacjonarnej. Obserwacja, że kwas mykofenolowy, związek również wpływający na poziom nukleotydów purynowych, także przedłuża CLS drożdży sugeruje, że wpływ ten może być kluczowy także dla aktywności przeciwstarzeniowej INAM.Aging is a major feature associated with the most prevalent diseases, such as neurodegeneration, cancer and cardiovascular disease. Since many genes and pathways implicated in aging are highly conserved across phylogeny, model organisms have been key to discovering mechanisms underlying the aging process. The eukaryotic single-cell organism Saccharomyces cerevisiae is highly amenable to genetic manipulations, suitable for high-throughput analyses, and as such, is an excellent model for discovering new pathways relevant to aging and potential anti-aging therapies. There are two types of assays for measuring aging in yeast – replicative (RLS) and chronological (CLS) lifespan assay. The latter measures the survival of cells in the stationary phase and is considered more physiologically relevant to aging of mammals, which seems to be driven, to a large extent, by the loss of long-lived postmitotic cells. In this study, the mechanism of action of a CLS-extending compound, isonicotinamide (INAM) was investigated. By performing a chemogenomic analysis with the nonessential haploid deletion mutant collection, we were able to discover gene deletions conferring sensitivity to INAM. The analysis of sensitive strains revealed an enrichment in mutants defective in transcriptional elongation, specifically eight out of nine available SWR1 complex subunit mutants, as well as the deletion mutant of histone H2A.Z, which is deposited by SWR1 complex. There was also a group of sensitive strains, which were devoid of key serine and threonine biosynthesis enzymes. Some mutants were also sensitive to mycophenolic acid, a de novo GTP synthesis inhibitor, therefore the levels of metabolites involved in nucleotide biosynthesis were measured. Mass spectrometry based analysis revealed INAM-induced decrease in levels of purine nucleosides in exponential phase followed by reduction in purine nucleotides in post diauxic and stationary phase. The observation that mycophenolic acid, another compound affecting purine nucleotide levels, also prolongs yeast CLS suggests that this decrease might be crucial for INAM anti-aging activity as well