Trace element effects on longevity and neurodegeneration with focus on C. elegans | Effekte von Spurenelementen auf die Lebensdauer und Neurodegeneration mit Fokus auf C. elegans

English. The trace elements zinc and manganese are essential for human health, especially due to their enzymatic and protein stabilizing functions. If these elements are ingested in amounts exceeding the requirements, regulatory processes for maintaining their physiological concentrations (homeostasis) can be disturbed. Those homeostatic dysregulations can cause severe health effects including the emergence of neurodegenerative disorders such as Parkinson’s disease (PD). The concentrations of essential trace elements also change during the aging process. However, the relations of cause and consequence between increased manganese and zinc uptake and its influence on the aging process and the emergence of the aging-associated PD are still rarely understood. This doctoral thesis therefore aimed to investigate the influence of a nutritive zinc and/or manganese oversupply on the metal homeostasis during the aging process. For that, the model organism Caenorhabditis elegans (C. elegans) was applied. This nematode suits well as an aging and PD model due to properties such as its short life cycle and its completely sequenced, genetically amenable genome. Different protocols for the propagation of zinc- and/or manganese-supplemented young, middle-aged and aged C. elegans were established. Therefore, wildtypes, as well as genetically modified worm strains modeling inheritable forms of parkinsonism were applied. To identify homeostatic and neurological alterations, the nematodes were investigated with different methods including the analysis of total metal contents via inductively-coupled plasma tandem mass spectrometry, a specific probe-based method for quantifying labile zinc, survival assays, gene expression analysis as well as fluorescence microscopy for the identification and quantification of dopaminergic neurodegeneration.. During aging, the levels of iron, as well as zinc and manganese increased.. Furthermore, the simultaneous oversupply with zinc and manganese increased the total zinc and manganese contents to a higher extend than the single metal supplementation. In this relation the C. elegans metallothionein 1 (MTL-1) was identified as an important regulator of metal homeostasis. The total zinc content and the concentration of labile zinc were age-dependently, but differently regulated. This elucidates the importance of distinguishing these parameters as two independent biomarkers for the zinc status. Not the metal oversupply, but aging increased the levels of dopaminergic neurodegeneration. Additionally, nearly all these results yielded differences in the aging-dependent regulation of trace element homeostasis between wildtypes and PD models. This confirms that an increased zinc and manganese intake can influence the aging process as well as parkinsonism by altering homeostasis although the underlying mechanisms need to be clarified in further studies.

German. Die Spurenelemente Zink und Mangan sind vor allem aufgrund ihrer enzymatischen und Protein-stabilisierenden Funktionen essentiell für die menschliche Gesundheit. Werden sie allerdings in Mengen aufgenommen, die den Bedarf übersteigen, können regulatorische Prozesse für die Aufrechterhaltung physiologischer Konzentrationen dieser Metalle (Homöostase) aus dem Gleichgewicht geraten. Das kann ernsthafte gesundheitliche Konsequenzen nach sich ziehen, unter anderem die Entstehung neurodegenerativer Krankheiten, wie zum Beispiel der Parkinson’schen Erkrankung. Auch während des Alterungsprozesses verändern sich die Gehalte an lebensnotwendigen Spurenelementen im Körper. Jedoch sind die Zusammenhänge zwischen Ursache und Wirkung einer erhöhten Aufnahme an Zink und Mangan und deren Einfluss auf den Alterungsprozess und die Entstehung der altersassoziierten Parkinson’schen Erkrankung bisher nur unzureichend verstanden. Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurde deshalb der Einfluss einer nutritiven Zink- und/oder Manganüberversorgung auf die Metallhomöostase während der Alterung untersucht. Dazu wurde Caenorhabditis elegans (C. elegans) als Modellorganismus verwendet. Diese Fadenwürmer eignen sich aufgrund verschiedener Eigenschaften, wie einem kurzen Lebenszyklus und einem komplett sequenzierten und leicht manipulierbarem Genom, hervorragend als Alters- und Parkinson-Modelle. Es wurden verschiedene Protokolle etabliert, die die Anzucht von Zink- und/oder Mangan-supplementierten jungen, mittelalten bzw. gealterten C. elegans erlaubten. Neben Wildtypen wurden auch Wurmstämme untersucht, die genetische Modifikationen aufweisen, die mit vererbbaren Formen des Parkinsonismus assoziiert werden können. Die Würmer wurden mithilfe verschiedener Methoden, wie der analytischen Bestimmung des Gesamtmetallgehaltes mittels Massenspektrometrie mit induktiv-gekoppeltem Plasma, einer Sonden-spezifischen Methode zur Bestimmung von freiem Zink, Letalitätsassays, Genexpressionsanalysen und der Fluoreszenz-mikroskopischen Untersuchung der dopaminergen Neurodegeneration auf verschiedene Parameter untersucht, die Aufschluss über homöostatische und neurologische Veränderungen geben. Es wurde eine altersbedingte Zunahme von Eisen, sowie Zink und Mangan in den Würmern beobachtet. Weiterhin stellte sich heraus, dass vor allem die simultane Überversorgung mit Zink und Mangan den Gesamtmetallgehalt dieser Metalle in C. elegans in einem Maß steigerte, das das der Einzelmetallsupplementierung überstieg. Dabei konnte vor allem das C. elegans Metallothionein 1 (MTL-1) als wichtiger Faktor in der Regulation der Metallhomöostase identifiziert werden. Außerdem wurde die Wichtigkeit verdeutlicht, zwischen dem Gesamtzinkgehalt und der Konzentration an freiem Zink als Biomarkern für den Zinkstatus eines Organismus zu unterscheiden. Beide Parameter wurden altersabhängig unterschiedlich reguliert. Im Gegensatz zur Alterung, wurde durch die Überversorgung mit Metallen keine zusätzliche Schädigung der dopaminergen Neuronen beobachtet. In nahezu all diesen Ergebnissen verdeutlichten sich weiterhin Unterschiede in der altersabhängigen Regulation der Spurenelementhomöostase zwischen Wildtypen und Parkinson-Modellen. Dies bestätigt die Annahme, dass sich eine erhöhte Aufnahme von Mangan und Zink durch die Beeinflussung der Homöostase sowohl auf die Alterung, als auch den Parkinsonismus auswirken kann, jedoch müssen die mechanistischen Grundlagen dessen in zukünftigen Studien aufgeklärt werden.