Transcriptional and signaling analysis as a means of investigating the complexity of aging processes in human and mouse

Abstract

There has been a dramatic increase in the life expectancy of men and women in the last century. Along with the increased life span the incidence of age- related diseases such as Alzheimer’s disease has also increased. This increase has led to an elevated interest to understand and investigate the mechanisms that underlie age-related diseases. Consequently, there is an increased awareness of the necessity to understand the mechanisms of aging to better cope with age-related diseases. However, the process of aging is complex and many different mechanisms are involved, including transcriptional regulation occurring with advanced age. Studies investigating age-related transcriptional changes mainly revealed that the magnitude of these changes is small and that it is difficult to find conserved regulated age-related genes between diverse species and tissues using microarray analysis. This study was aimed at elucidating mechanisms involved in human skin and general mouse aging as well as potentially conserved mechanisms involved in mammalian aging by conducting microarray analyses using RNA derived from male and female human skin biopsies and mouse brain, heart and kidney tissues and using the same array platform and standardized parameters. The data analysis was not solely based on highlighting age-related genes but also biological processes, cellular compartments and pathways. The influence of age-dependent hormonal decline on gene expression has also been tested on a different microarray platform using two different human skin cell types – sebocytes and fibroblasts. These experiments revealed that human skin aging is accompanied by a reduction in skin collagen structure. Furthermore, the potential involvement of WNT signaling in human skin aging was observed for the first time. The analysis of hormone-treated skin cells revealed significant differences between cell types and underscores the potential that age-related transcriptional changes are cell-type specific. The studies on mouse aging identified a conserved increase of immune responses on the transcriptional level. In addition, elevated levels of radical oxygen species (ROS) suggest the oxidative stress-mediated activity of NF-kB signaling. Comparisons of the human and mouse results confirm the conserved involvement of immune responses and of metabolism-related processes including for instance glutathione metabolism a regulator of endogenous ROS levels in mammalian aging. In summary, the results suggest that transcriptional changes are most probably the downstream effect of environmental and endogenous factors constantly affecting the organism during age. In addition, the finding that similar processes are age-regulated including different genes in varying tissues such as immune and metabolism- related genes, suggests that aging is not dependent on single genes but rather on a network of genes. However, it remains unclear, which mechanisms are responsible for the induction of mammalian aging.

Die menschliche Lebenserwartung hat sich im letzten Jahrhundert dramatisch erhöht. Damit verbunden sind auch altersspezifische Krankheiten wie Alzheimer vermehrt aufgetreten, wodurch heutzutage großes Interesse daran besteht, die Mechanismen zu untersuchen und zu verstehen, welche altersspezifischen Krankheiten zugrunde liegen. Um diese Krankheiten besser behandeln zu können, ist es auch notwendig, die Mechanismen der Alterung besser zu verstehen. Das Altern ist jedoch sehr komplex, da viele verschiedene Mechanismen eine Rolle spielen, wie z.B. transkriptionelle Regulation. Transkriptionsstudien haben gezeigt, dass das Ausmaß der Regulation für einzelne Gene eher gering ist und dass es schwer ist, mittels Arrayanalysen konservierte Alterungsgene zu finden, welche unabhängig von Spezies oder Organ im Alter reguliert werden. Das Ziel dieser Arbeit war es mit Hilfe von Arrayanalysen mit standardisierten Parametern, Mechanismen aufzudecken, welche in der menschlichen Hautalterung, in der Alterung von Mäusen sowie generell im Alterungsprozess von Säugetieren eine Rolle spielen. Benutzt wurde dafür die RNA von menschlichen Hautproben (Mann und Frau) sowie von Mausgeweben (Gehirn, Herz und Niere) weiblicher Mäuse. Die Datenanalyse wurde nicht auf die Entschlüsselung von Alterungsgenen beschränkt, sondern bezog die Analyse von z.B. Gengruppen bestimmter biologischer Prozesse mit ein. Der Einfluss verringerter Hormonlevel auf die Genexpression im Alter wurde zusätzlich in Zellkulturen zweier Hautzelltypen untersucht (Sebozyten und Fibroblasten). Die Experimente zeigten, dass die menschliche Hautalterung mit einem Verlust der Kollagenstruktur verbunden ist und dass der WNT Signalweg eine potentielle Rolle spielt, was zum ersten Mal beobachtet wurde. Die Analyse der Hormon behandelten Zellkulturen wies signifikante Unterschiede der beiden Zelltypen auf und unterstreicht damit die Theorie, dass transkriptionelle Veränderungen im Alter Zelltyp spezifisch sind. Die Untersuchung der Mausalterung identifizierte eine über die drei untersuchten Gewebe konservierte Aktivierung der Immunantwort auf Transkriptionsebene. Zusätzlich weisen erhöhte Konzentrationen von ROS auf eine mögliche durch Stress vermittelte Aktivierung des NF-kB Signalweges hin. Vergleiche der Daten von Mensch und Maus bestätigen die im Alter konservierte Beteiligung der Immunantwort sowie von Prozessen, die im Zusammenhang mit Metabolismus stehen. Zusammengefasst zeigen die Daten, dass transkriptionelle Unterschiede im Alter wahrscheinlich die Antwort auf äußere oder innere Faktoren sind, welchen der Organismus ein Leben lang ausgesetzt ist. Die geringe Übereinstimmung an altersspezifischen Genen und die im Gegensatz dazu signifikante Konservierung bestimmter Prozesse suggerieren, dass die Alterung nicht von einzelnen Genen, sondern vielmehr von Gennetzwerken reguliert wird. Es konnte jedoch nicht endgültig gezeigt werden, welche Prozesse für das Fortschreiten der Alterung verantwortlich sind.