Luận án: Đóng góp của Transporter Kẽm đến Tự thực và Lão hóa Mạch máu - Yitong Zhao, FSU

Khám phá vai trò thiết yếu của transporter kẽm trong tự thực (autophagy) và quá trình lão hóa mạch máu. Hiểu rõ cơ chế phòng ngừa bệnh.

Trường ĐH

Florida State University

Chuyên ngành

Nutrition, Food and Exercise Sciences

Tác giả

Luan An

Thể loại

Luận án tiến sĩ

Năm xuất bản

Số trang

114

Thời gian đọc

18 phút

Lượt xem

0

Lượt tải

0

Phí lưu trữ

40 Point

Tổng quan nhanh

Chủ đề:
1. Transporter Kẽm: Điều hòa Tự thực và Lão hóa Mạch máu.
Số trang:
114 trang
Trường:
Florida State University
Chuyên ngành:
Nutrition, Food and Exercise Sciences
Tác giả:
Năm:

Tóm tắt nội dung luận án

I. Transporter Kẽm Điều hòa Tự thực và Lão hóa Mạch máu

Lão hóa mạch máu là nguyên nhân hàng đầu gây tử vong trong số các bệnh liên quan đến tuổi tác. Một phương pháp tiềm năng để làm chậm lão hóa là giảm sự tích tụ của các tế bào lão hóa, còn gọi là tế bào già cỗi. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng quá tải kẽm và việc xóa bỏ các transporter kẽm góp phần vào sự phát triển của lão hóa ở tế bào cơ trơn mạch máu (VSMCs). Tuy nhiên, cơ chế chi tiết vẫn còn chưa được làm rõ đầy đủ. Tự thực là một cơ chế bảo vệ. Nó loại bỏ các bào quan và protein bị rối loạn chức năng. Tự thực đã được báo cáo có thể trì hoãn sự phát triển của lão hóa. Tuy nhiên, chưa rõ liệu việc điều hòa tăng cường tự thực bởi kẽm và các transporter kẽm có cần thiết cho việc ức chế lão hóa hay không. Protein p62, một adaptor tự thực bị phân hủy thông qua quá trình tự thực, cũng được báo cáo có khả năng làm giảm lão hóa ở chuột. Vẫn còn câu hỏi liệu mức độ protein p62 có được điều hòa bởi kẽm hoặc các transporter kẽm hay không. Nghiên cứu này khám phá sâu hơn những mối liên hệ quan trọng này.

1.1. Cơ chế kẽm kích thích tự thực tế bào.

Trong các thí nghiệm trên tế bào HEK293, kẽm cho thấy khả năng kích thích mạnh mẽ quá trình tự thực. Đồng thời, kẽm ức chế đáng kể con đường phân hủy proteasome. Sự ức chế này dẫn đến sự gia tăng rõ rệt mức độ protein p62. p62 là một protein adaptor quan trọng trong quá trình tự thực, thường được phân hủy khi tự thực hoạt động hiệu quả. Phát hiện này gợi ý một cơ chế phức tạp. Kẽm không chỉ tác động trực tiếp lên quá trình tự thực. Kẽm còn ảnh hưởng đến sự ổn định của các protein liên quan. Cụ thể, kẽm thay đổi vị trí nội bào của p62. Sự thay đổi này bảo vệ p62 khỏi bị phân hủy bởi các con đường thoái hóa thông thường. Điều này làm tăng sự tích lũy p62.

1.2. Vai trò ZnT trong việc điều hòa tự thực.

Nghiên cứu chỉ ra rằng sự biểu hiện quá mức của các transporter kẽm (ZnT) kích thích mạnh mẽ quá trình tự thực. Đặc biệt, transporter kẽm 3 (ZnT3) đóng vai trò trung tâm trong quá trình này. Sự biểu hiện quá mức của ZnT3 làm tăng đáng kể mức độ protein p62. Thêm vào đó, ZnT3 tương tác trực tiếp và mạnh mẽ với p62. Tương tác này có chức năng bảo vệ p62 khỏi các con đường phân hủy. Điều này nhấn mạnh tầm quan trọng của ZnT3. ZnT3 không chỉ đơn thuần là một kênh vận chuyển kẽm. ZnT3 còn là một yếu tố điều hòa quan trọng trong mạng lưới protein phức tạp của tế bào. Nó ảnh hưởng đến sự ổn định và chức năng của các protein liên quan đến tự thực. Vai trò điều hòa tự thực của ZnT3 mang ý nghĩa lớn. Nó mở ra hướng nghiên cứu mới về các liệu pháp điều trị.

1.3. Lão hóa mạch máu liên quan tự thực kẽm.

Việc thiếu hụt ZnT3 hoặc protein p62 trong các tế bào cơ trơn động mạch chủ chuột (MASMs) gây ra sự suy giảm chức năng tự thực. Điều này dẫn đến sự gia tăng mức độ lão hóa tế bào. Điều này xác nhận vai trò quan trọng của ZnT3 và p62 trong việc duy trì cân bằng tế bào. Chuột thiếu ZnT3 (ZnT3-/-) cho thấy mức độ lão hóa cao hơn rõ rệt. Đồng thời, mức độ protein p62 trong các mô của chúng cũng tăng lên. Điều này gợi ý rằng quá trình tự thực bị giảm chức năng nghiêm trọng ở những con chuột thiếu ZnT3. Lão hóa là một quá trình phức tạp. Rối loạn chức năng ZnT3 gây ra sự suy giảm chức năng tự thực. Điều này trực tiếp góp phần vào sự phát triển của lão hóa mạch máu. Phát hiện này cung cấp hiểu biết sâu sắc về cơ chế phân tử của lão hóa.

II. Kẽm và ZnT3 Cơ chế tác động đến protein p62

Nghiên cứu tập trung vào cơ chế kẽm và transporter kẽm 3 (ZnT3) điều hòa protein p62. p62, còn được gọi là SQSTM1, là một protein adaptor quan trọng. Nó tham gia vào quá trình tự thực và các con đường tín hiệu khác. Sự tích lũy p62 thường là dấu hiệu của sự suy giảm tự thực. Tuy nhiên, nghiên cứu này phát hiện ra một vai trò phức tạp hơn của kẽm và ZnT3. Chúng có thể làm tăng p62 thông qua các cơ chế khác. Các cơ chế này bao gồm ức chế phân hủy proteasome. Hoặc nó liên quan đến việc bảo vệ p62 khỏi sự phân hủy lysosome. Việc hiểu rõ cơ chế này rất quan trọng. Nó giúp làm sáng tỏ cách kẽm điều hòa các quá trình tế bào. Điều này bao gồm tự thực và lão hóa.

2.1. Kẽm tăng mức p62 ức chế phân hủy proteasome.

Các thí nghiệm trong tế bào HEK293 đã chứng minh một phát hiện quan trọng. Kẽm làm tăng mức độ protein p62. Kẽm đạt được điều này bằng cách ức chế con đường phân hủy proteasome. Con đường proteasome là một trong hai hệ thống phân hủy protein chính của tế bào. Hệ thống này chịu trách nhiệm loại bỏ các protein bị hỏng hoặc không cần thiết. Sự ức chế proteasome bởi kẽm dẫn đến sự tích lũy p62. Tích lũy p62 thường được coi là dấu hiệu của sự suy giảm tự thực. Tuy nhiên, trong trường hợp này, kẽm vừa kích thích tự thực vừa tăng p62. Điều này cho thấy một cơ chế độc đáo. Kẽm bảo vệ p62 khỏi bị phân hủy. Điều này diễn ra đồng thời với việc kích hoạt tự thực.

2.2. ZnT3 tương tác với p62 bảo vệ chống phân hủy.

Nghiên cứu đã xác định ZnT3 là một yếu tố quan trọng. ZnT3 tương tác vật lý với protein p62. Tương tác này đóng vai trò bảo vệ p62 khỏi bị phân hủy. Sự biểu hiện quá mức của ZnT3 làm tăng đáng kể mức độ p62. Điều này xảy ra bằng cách định vị lại p62 trong tế bào. ZnT3 được biết đến với vai trò vận chuyển kẽm vào các túi nội bào. Việc kẽm được vận chuyển vào các endosome bởi ZnT3 làm tăng biểu hiện p62. Điều này cho thấy sự phức tạp của cơ chế. ZnT3 không chỉ là một kênh vận chuyển. ZnT3 còn là một đối tác tương tác protein. Tương tác này trực tiếp ảnh hưởng đến sự ổn định của p62. Điều này có ý nghĩa quan trọng đối với các quá trình tự thực và lão hóa.

2.3. Thay đổi vị trí p62 do kẽm và ZnT.

Các phát hiện chỉ ra rằng kẽm thay đổi vị trí nội bào của p62. p62 được phát hiện đồng định vị với bộ Golgi. Sự thay đổi vị trí này có thể bảo vệ p62 khỏi bị phân hủy. Tương tự, các transporter kẽm như ZnT2, ZnT3 và ZnT10 cũng làm tăng mức độ protein p62. Điều này đi kèm với việc tăng tỷ lệ LC3 II/I. Tỷ lệ LC3 II/I là một dấu hiệu của sự kích hoạt tự thực. Những transporter này không chỉ tăng p62 mà còn tương tác trực tiếp với p62. Ví dụ, ZnT3 và ZnT10 tương tác với p62. Sự thay đổi vị trí và tương tác này là cơ chế mới. Cơ chế này giúp giải thích sự tích lũy p62 trong khi tự thực được kích hoạt.

III. ZnT3 và Tự thực trong tế bào cơ trơn mạch máu

Tế bào cơ trơn mạch máu (VSMCs), hay MASMs khi được nuôi cấy, đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì chức năng mạch máu. Rối loạn chức năng của VSMCs góp phần vào nhiều bệnh mạch máu, bao gồm xơ vữa động mạch và lão hóa mạch máu. Nghiên cứu này tập trung vào vai trò của ZnT3 trong việc điều hòa tự thực và lão hóa trong MASMs. Việc hiểu rõ cơ chế này rất cần thiết. Nó cung cấp cái nhìn sâu sắc về các chiến lược điều trị tiềm năng. Những chiến lược này nhằm mục đích làm chậm quá trình lão hóa mạch máu. Phát hiện cho thấy ZnT3 là một yếu tố quan trọng. Nó duy trì sự cân bằng của tự thực. ZnT3 cũng ngăn ngừa sự phát triển lão hóa ở các tế bào mạch máu.

3.1. Kẽm ZnT3 thúc đẩy tự thực ở MASM.

Trong các tế bào cơ trơn động mạch chủ chuột (MASMs), kẽm và sự biểu hiện quá mức của ZnT3 đều thúc đẩy quá trình tự thực. Sự tăng cường tự thực này được quan sát thấy thông qua việc tăng số lượng autophagosomes. Autophagosomes là các túi đặc trưng của quá trình tự thực. Phát hiện này củng cố vai trò của kẽm và ZnT3 như những yếu tố kích hoạt tự thực. Kẽm được vận chuyển vào tế bào bởi ZnT3. Kẽm sau đó tham gia vào các con đường tín hiệu điều hòa tự thực. Điều này cho thấy ZnT3 không chỉ vận chuyển kẽm. ZnT3 còn là một thành phần quan trọng. Nó điều hòa phản ứng của tế bào với kẽm. Điều này ảnh hưởng đến sức khỏe của tế bào mạch máu.

3.2. Thiếu ZnT3 hoặc p62 làm suy yếu tự thực.

Sự thiếu hụt ZnT3 hoặc p62 trong MASMs dẫn đến sự suy giảm chức năng tự thực. Điều này được thể hiện qua việc giảm số lượng autophagosomes được tạo ra khi có mặt kẽm. Cụ thể, số lượng autophagosomes tăng lên bởi kẽm ở MASMs ZnT3+/+. Tuy nhiên, sự gia tăng này không được quan sát thấy ở MASMs ZnT3-/-. Điều này khẳng định ZnT3 là yếu tố cần thiết. ZnT3 cần thiết cho tự thực do kẽm gây ra trong MASMs. Hơn nữa, p62 cũng cần thiết cho tự thực do kẽm điều hòa. Khi p62 bị thiếu hụt, tự thực cũng bị ảnh hưởng. Điều này cho thấy một sự phối hợp chặt chẽ. ZnT3 và p62 cùng nhau điều hòa quá trình tự thực.

3.3. Tăng lão hóa tế bào khi thiếu ZnT3.

Việc thiếu ZnT3 trong MASMs không chỉ làm suy yếu tự thực. Nó còn góp phần làm tăng mức độ lão hóa tế bào. Mức độ lão hóa tăng lên được quan sát thấy ở MASMs ZnT3-/-. Tuy nhiên, sự gia tăng lão hóa này có thể được giảm bớt bằng rapamycin. Rapamycin là một chất kích hoạt tự thực. Điều này củng cố mối liên hệ giữa tự thực và lão hóa. Khi tự thực bị suy giảm do thiếu ZnT3, lão hóa sẽ tăng lên. Việc khôi phục tự thực bằng rapamycin có thể đảo ngược phần nào tình trạng lão hóa. Điều này chỉ ra ZnT3 là một yếu tố bảo vệ. Nó chống lại lão hóa mạch máu thông qua việc duy trì tự thực.

IV. ZnT3 và Lão hóa Mạch máu Xơ vữa động mạch

Xơ vữa động mạch là nguyên nhân hàng đầu gây tử vong trên toàn cầu. Đây là một bệnh viêm mạn tính của động mạch. Lão hóa mạch máu, đặc trưng bởi sự tích tụ của tế bào lão hóa, đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển của xơ vữa động mạch. Nghiên cứu này mở rộng các phát hiện từ cấp độ tế bào. Nó điều tra tác động của thiếu hụt ZnT3 lên lão hóa mạch máu và xơ vữa động mạch ở mô hình chuột. Việc hiểu rõ mối liên hệ này rất quan trọng. Nó giúp phát triển các chiến lược can thiệp mới. Những chiến lược này nhắm mục tiêu vào ZnT3. Mục tiêu là để ngăn ngừa hoặc điều trị các bệnh tim mạch.

4.1. Mức độ lão hóa cao hơn ở chuột ZnT3 .

Chuột thiếu ZnT3 (ZnT3-/-) cho thấy mức độ lão hóa cao hơn rõ rệt trong cơ thể. Điều này đi kèm với mức độ protein p62 tăng cao trong các mô. Mức độ p62 tăng cao gợi ý sự suy giảm chức năng tự thực. Sự suy giảm chức năng tự thực có thể góp phần vào lão hóa. Những con chuột này thể hiện sự lão hóa tăng lên. Điều này được quan sát thấy ở cả chuột đực và chuột cái ZnT3-/-. Điều này chứng tỏ ZnT3 là một yếu tố quan trọng trong việc điều hòa lão hóa toàn thân. Việc thiếu ZnT3 làm suy yếu khả năng loại bỏ các tế bào bị hỏng. Điều này đẩy nhanh quá trình lão hóa của cơ thể.

4.2. ZnT3 ảnh hưởng đến xơ vữa động mạch ở chuột đực.

Ở mô hình chuột ApoE-/-ZnT3-/- đực được nuôi bằng chế độ ăn nhiều chất béo (HFD), số lượng mảng bám xơ vữa tăng lên đáng kể. Điều này cho thấy ZnT3 đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển của xơ vữa động mạch ở chuột đực. Xơ vữa động mạch đặc trưng bởi sự hình thành mảng bám trong động mạch. Sự thiếu hụt ZnT3 làm tăng sự tích tụ mảng bám. Điều này có thể thông qua việc ảnh hưởng đến tự thực. Đồng thời, lão hóa tăng lên. Tự thực bị ức chế ở chuột ApoE-/-ZnT3-/- đực. Điều này củng cố mối liên hệ giữa ZnT3, tự thực, lão hóa và xơ vữa động mạch.

4.3. Giới tính ảnh hưởng đáp ứng với ZnT3 HFD.

Một phát hiện đáng chú ý là sự khác biệt về giới tính trong phản ứng với thiếu hụt ZnT3 và chế độ ăn nhiều chất béo (HFD). Mức độ xơ vữa động mạch không bị ảnh hưởng bởi HFD ở chuột ApoE-/-ZnT3-/- cái. Điều này trái ngược hoàn toàn với những gì được quan sát thấy ở chuột đực. Điều này gợi ý rằng giới tính đóng một vai trò quan trọng. Giới tính có thể điều hòa tác động của ZnT3 lên quá trình phát triển xơ vữa động mạch. Các yếu tố nội tiết tố hoặc các cơ chế bảo vệ khác có thể tồn tại ở chuột cái. Những cơ chế này có thể bù đắp cho việc thiếu ZnT3. Hoặc chúng có thể làm giảm tác động của chế độ ăn nhiều chất béo.

V. Tầm quan trọng Transporter Kẽm trong bệnh mạch máu

Nghiên cứu này đã làm sáng tỏ vai trò mới của transporter kẽm 3 (ZnT3). ZnT3 là một yếu tố điều hòa quan trọng của tự thực và lão hóa mạch máu. Các phát hiện cung cấp cái nhìn sâu sắc về cơ chế phân tử. Cơ chế này liên kết ZnT3 với p62, tự thực và sự phát triển của lão hóa. Đặc biệt, mối liên hệ giữa ZnT3, tự thực và xơ vữa động mạch đã được thiết lập. Phát hiện này có ý nghĩa lớn. Nó mở ra các hướng nghiên cứu mới. Hướng nghiên cứu này tập trung vào việc nhắm mục tiêu vào ZnT3. Mục tiêu là để phát triển các chiến lược phòng ngừa và điều trị. Các chiến lược này dành cho các bệnh tim mạch liên quan đến lão hóa.

5.1. Cơ chế ZnT3 trong phòng ngừa lão hóa xơ vữa.

ZnT3 đóng vai trò bảo vệ chống lại lão hóa mạch máu và xơ vữa động mạch. Cơ chế này diễn ra thông qua việc duy trì chức năng tự thực. Thiếu ZnT3 làm suy yếu tự thực. Nó dẫn đến sự tích lũy p62 và tăng lão hóa tế bào. Điều này góp phần vào sự phát triển của xơ vữa động mạch, đặc biệt ở nam giới. Việc tối ưu hóa hoạt động của ZnT3 có thể là một chiến lược. Chiến lược này nhằm tăng cường tự thực. Nó cũng có thể giảm lão hóa. Cuối cùng, nó sẽ làm chậm sự tiến triển của các bệnh tim mạch. Điều này chỉ ra ZnT3 là một mục tiêu điều trị tiềm năng.

5.2. Hướng nghiên cứu tương lai về ZnT và bệnh.

Nghiên cứu này mở ra nhiều hướng nghiên cứu thú vị trong tương lai. Cần có thêm nghiên cứu để khám phá chi tiết. Khám phá chi tiết sự tương tác giữa ZnT3 và p62. Cần làm rõ các con đường tín hiệu mà kẽm và ZnT điều hòa tự thực. Các nghiên cứu tiếp theo cũng có thể tập trung vào việc phát triển các hợp chất. Các hợp chất này điều chỉnh hoạt động của ZnT3. Mục tiêu là để điều trị hoặc phòng ngừa các bệnh mạch máu. Việc hiểu rõ hơn về sự khác biệt giới tính trong đáp ứng với thiếu hụt ZnT3 cũng rất quan trọng. Điều này có thể dẫn đến các liệu pháp cá nhân hóa hơn.

Xem trước tài liệu
Tải đầy đủ để xem toàn bộ nội dung
View 25

Tải xuống file đầy đủ để xem toàn bộ nội dung

Tải đầy đủ (114 trang)

Trích đoạn nội dung luận án

Tải xuống để đọc toàn bộ

Florida State University Libraries Electronic Theses, Treatises and Dissertations The Graduate School 2018 Contribution of Zinc Transporters to Autophagy and Vascular Senescence Yitong Zhao Follow this and additional works at the DigiNole: FSU's Digital Repository. For more information, please contact lib-ir@fsu.edu FLORIDA STATE UNIVERSITY COLLEGE OF HUMAN SCIENCES CONTRIBUTION OF ZINC TRANSPORTERS TO AUTOPHAGY AND VASCULAR SENESCENCE By YITONG ZHAO A Dissertation submitted to the Department of Nutrition, Food and Exercise Sciences in partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctor of Philosophy 2018 Yitong Zhao defended this dissertation on June 14, 2018. The members of the supervisory committee were: Gloria Salazar Professor Directing Dissertation Cathy W. Levenson University Representative Bahram H.

Arjmandi Committee Member Shridhar K. Sathe Committee Member The Graduate School has verified and approved the above-named committee members, and certifies that the dissertation has been approved in accordance with university requirements ii TABLE OF CONTENTS List of Figures. iv List of Tables. vii CHAPTER 1 INTRODUCTION.

1 CHAPTER 2 LITERATURE REVIEW. 5 CHAPTER 3 SPECIFIC AIMS AND HYPOTHESES. 23 CHAPTER 4 MATERIALS AND METHODS. 48 APPENDIX A FIGURES AND TABLES.

55 APPENDIX B IACUC ASSURANCE LETTER. 102 iii LIST OF FIGURES Figure 1. The signaling inducing cell cycle arrest. Types of senescence.

Effect of different minerals on autophagy. The effect of zinc on autophagy is dose-dependent. Number of autophagosomes is increased by zinc. p62 co-localizes with Golgi apparatus.

Zinc increases p62 protein levels without affecting its transcription. Zinc inhibits proteasome degradation pathway increasing p62 protein levels. Zinc transporter 2 (ZnT2), ZnT3 and ZnT10 increase p62 protein levels and LC3 II/I ratio. ZnT3 and ZnT10 interact with p62.

Zinc transported into endosomes by ZnT3 upregulates p62 expression. ZnT3 is required in zinc induced autophagy in MASMs. Number of autophagosomes is increased by zinc in ZnT3+/+, but not in ZnT3-/- MASMs. p62 is degraded through both lysosomal and proteasome degradation pathways in MASMs.

ZnT3 and ZnT10 regulate p62 protein levels. p62 is required in zinc-regulated autophagy. The increased senescence in ZnT3-/- MASMs is decreased by rapamycin. ZnT3-/- mice have higher senescence.

Senescence and p62 expression are increased in ZnT3-/- male mice. Senescence and p62 expression are increased in ZnT3-/- female mice. Senescence and plaque formation are increased in ApoE-/-ZnT3-/- male mice. Senescence is increased, and autophagy is inhibited in ApoE-/-ZnT3-/- male mice.

Atherosclerosis is not increased in ApoE-/-ZnT3-/- female mice. 77 v LIST OF TABLES Table 1. List of buffer preparation. The similarities and differences among senescence, apoptosis, and autophagy.

Quantification of markers in 4-month-old male mice. Quantification of markers in 4-month-old female mice. Quantification of markers in male mice fed LFD or HFD. 83 vi ABSTRACT Atherosclerosis is the leading cause of death among all age-related diseases.

One potential way to attenuate aging is to reduce the accumulation of aging cells, also called senescent cells. Our lab previously reported that zinc overload and deletion of zinc transporters contribute to senescence development in vascular smooth muscle cells (VSMCs). However, the detailed mechanism remains unclear. Autophagy, a protective mechanism removing dysfunctional organelles and proteins, has been reported to delay senescence development.

However, it is unknown whether the upregulation of autophagy by zinc and zinc transporters is required for the inhibition of senescence. Additionally, p62, an autophagy adaptor degraded through autophagy, has been reported to attenuate senescence in mice. However, it remains unknown whether p62 protein levels are regulated by zinc or zinc transporters. In this dissertation, we found that in HEK293 cells, zinc stimulated autophagy and inhibited proteasome degradation.

However, p62 level was increased by zinc. Zinc changed the location of p62 and protected p62 from degradation. Similarly, overexpression of zinc transporters (ZnT), especially ZnT3, stimulated autophagy and increased the p62 level. Additionally, ZnT3 interacted with p62 and protected p62 from degradation pathways.

In VSMCs isolated from aortas of mice (MASMs), zinc and overexpression of ZnT3 also upregulated autophagy. Lack of ZnT3 or p62 in MASMs contributed to defective autophagy and increased senescence. Similarly, ZnT3-/- mice presented a higher senescence level and an increased level of p62, suggesting that autophagy is downregulated in ZnT3-/- mice. Male ApoE-/-ZnT3-/- mice fed with high fat diet (HFD) had more plaque suggesting ZnT3 is important in atherosclerosis in male.

However, atherosclerosis level was not affected by HFD in female ApoE-/-ZnT3-/- mice. Overall, in this dissertation, we uncovered a new role of ZnT3 as a critical regulator of autophagy, vascular senescence, and atherosclerosis. vii CHAPTER 1 INTRODUCTION Aging is one of the major risk factors in the development of age-related diseases like cardiovascular disease, which is the leading cause of death in the US (1). Aging is characterized by the accumulation of aged cells, which are also called senescent cells (2).

Senescent cells are characterized by permanent cell cycle arrest and the secretion of inflammatory molecules and cytokines like interleukins to the surrounding environment. This process is called senescence- associated secretory phenotype (SASP), which stimulates neighboring cells as senescence stimuli (3). Neighboring cells receive the stimuli and become senescent. In addition to these functional changes, senescent cells also present morphologic changes like enlargement and flattening (2).

Understanding the molecular mechanism of senescence development would help to design strategies to delay aging as well as age-related diseases. Cellular senescence is a complex process induced by multiple factors including telomere shortening, radiation and the excessive production of reactive oxygen species (ROS), which cause mutations of the DNA (1). There are two types of senescence, replicative senescence (4) and stress- induced premature senescence (SIPS). Replicative senescence refers to the limited proliferation capacity due to telomere shortening.

This type of senescence develops slowly because the telomere becomes shorter in each cell division. When the telomere is critically short and cannot support DNA replication, cell proliferation is blocked (5). On the other hand, SIPS is induced by stress conditions like the excess level of ROS and radiation. These stimuli cause DNA damage and lead to cell cycle arrest (6).

Excess levels of ROS can be caused by increased production from several sources, like NADPH oxidases (Nox) and dysfunctional mitochondria (7,8). Additionally, excess level of ROS could be also caused by defects in processes like autophagy, by which dysfunctional mitochondria are degraded (8). Autophagy is a catabolic process degrading dysfunctional organelles as well as abnormal proteins (9). Enhanced autophagy could reduce ROS level in cells and delay senescence development (10).

Autophagy is mediated by the formation of autophagosomes, which is regulated in part by autophagy-related proteins (ATG). The autophagosome contains cargo to be degraded as well as autophagy adaptor proteins, like sequestosome (SQSTM1), also called p62 (11). The formation of autophagosomes is indicated by the conversion of microtubule-associated protein 1 1A/1B-light chain 3-I (LC3-I) to LC3-II. LC3-II is the lipidated form of LC3-I that attaches to the membrane of the autophagosome and simulates its elongation and closure.

The autophagosome then fuses with lysosome forming an autolysosome, in which autophagy genes like LC3-II and p62 are degraded. Thus, successful autophagy is indicated by the degradation of p62, and the increased conversion from LC3-I to LC3-II (12). This protective process could be activated by oxidative stress and is downregulated during aging, leading to the accumulation of protein aggregates and dysfunctional mitochondria (13). During aging, cells produce excess level of ROS and accumulate abnormal proteins which are proposed to activate autophagy.

However, the continuous exposure to ROS and accumulation of abnormal proteins cause exhaustion of autophagy and eventually leads to the suppression of autophagy (14). Recent studies suggest that both excessive and defective autophagy could induce senescence (15,16). Thus, understanding the cellular mechanism regulating autophagy would help to delay the development of senescence. There are several factors that could affect the level of autophagy in addition to aging, like changes in zinc level and distribution (17).

Zinc homeostasis is altered during aging because of decreased intestinal absorption in elderly and defective regulation of zinc distribution in cells (18). In general, the concentration of free zinc in the cytosol is very low (10-9 M to 10-12 M) (19). Under the stimuli like ROS, zinc is released as free zinc from zinc-binding proteins like metallothioneins. The excess level of free zinc stimulates the expression of zinc-binding proteins to chelate the free zinc and upregulates autophagy, which protects the cell (20).

However, excess free zinc could also induce autophagic cell death (21,22). Lee and colleagues suggested that the exposure of astrocytes to free zinc (300 µM) for 10 min increased the amount of autophagosomes, indicating stimulated autophagy (23). However, this study did not assess whether the excess level of free zinc blocks the degradation of autophagosome content, which would also result in the accumulation of autophagosomes. Additionally, H2O2 exposure induces the release of free zinc to the cytosol in astrocytes.

Free zinc enters lysosome and triggers lysosomal membrane permeabilization (LMP) causing cell death (24). This study suggests that the amount and the distribution of zinc in the cell are important in the regulation of autophagy. The distribution of zinc, as well as the levels of free zinc, are tightly regulated by zinc-binding proteins and zinc transporters. Zinc-binding proteins, as mentioned above, store zinc in normal condition and protect cells through binding zinc when excess free zinc is induced by stimuli like ROS (25).

On the other hand, two families of zinc transporters transport 2 zinc in and out of the cytosol (26). The ZnT or SLC30A family transports zinc outside of cells or inside organelles to reduce the level of zinc in the cytosol. In contrast, the Zrt It-like protein (ZIP, solute carrier family 39A or SLC39A) family transports zinc into the cytosol (27). Among all zinc transporters, expression of ZnT3 and ZnT10 are altered during aging and age-related diseases like Alzheimer’s disease (AD).

The expression of ZnT3 decreases during aging and results in zinc deficiency in synaptic vesicles, which accelerates brain aging in a senescence-accelerated mice model (28). Brain samples, as well as frontal cortex samples from AD model, show a decreased expression of both ZnT3 and ZnT10 (29). Additionally, our lab previously reported that downregulation of these transporters enhances ROS level and induces senescence, while overexpression of ZnT3 and ZnT10 reduces ROS level and delays senescence in VSMCs in response to angiotensin II (Ang II) (30). Overexpression of ZnT3 and ZnT10 decreases cytosolic zinc and, as mentioned before, the altered distribution of zinc should affect autophagy.

However, it is unknown whether ZnT3 and ZnT10 participate in autophagy and whether zinc- and/or ZnT-regulated autophagy contribute to senescence. Very few studies investigated the role of zinc transporters in the regulation of cell fate. For instance, downregulation of ZnT4 inhibits lysosomal degradation, resulting in apoptosis in HeLa cells (31). Overexpression of ZnT2 accumulates zinc in mitochondria and lysosomes leading to lysosomal-mediated cell death in mammary epithelial cells (32).

Since lysosomes fuse with autophagosomes, it is likely that these zinc transporters should also have a role in autophagy. So far, no study showed the role of ZnT3 or ZnT10 in the regulation of autophagy, and whether ZnT-regulated autophagy could delay senescence. Thus, we investigated the role of ZnT3 and ZnT10 in the regulation of autophagy and the role of zinc-regulated autophagy in senescence and atherosclerosis development. In this dissertation, we found that in HEK293 cells zinc increases protein stability of p62 and increases the formation of autophagosomes.

We found that p62 is degraded through both proteasome and lysosomal degradation pathways and zinc inhibits the proteasome degradation pathway. Overexpression of ZnT3 and ZnT10 increases LC3 II/I ratio, suggesting autophagy is upregulated. Additionally, ZnT3 and ZnT10 both interact with p62, suggesting these zinc transporters re-localize p62 out of degradation pathways. To investigate whether zinc transporters are important in zinc-upregulated autophagy, we isolated VSMCs from ZnT3+/+ and ZnT3-/- mice aortas (MASMs).

Zinc increased p62 protein levels in a dose-dependent manner in ZnT3+/+ MASMs, but not in ZnT3-/- cells, indicating that ZnT3 is required to increase p62 protein levels by 3 zinc.

Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ

Trích dẫn luận án này

Yitong Zhao (2018). Vai trò của Transporter Kẽm trong Tự thực và Lão hóa Mạch máu [Luận án tiến sĩ, Florida State University]. LuanAn.net. https://luanan.net/y-hoc/y-hoc-lam-sang/dong-gop-cua-transporter-kem-den-tu-thuc-va-lao-hoa-mach-mau

Câu hỏi thường gặp

Luận án "Vai trò của Transporter Kẽm trong Tự thực và Lão hóa Mạch máu" nghiên cứu về vấn đề gì?

Khám phá vai trò thiết yếu của transporter kẽm trong tự thực (autophagy) và quá trình lão hóa mạch máu. Hiểu rõ cơ chế phòng ngừa bệnh.

Luận án "Vai trò của Transporter Kẽm trong Tự thực và Lão hóa Mạch máu" được bảo vệ tại trường nào?

Luận án này được bảo vệ tại Florida State University. Năm bảo vệ: 2018.

Luận án "Vai trò của Transporter Kẽm trong Tự thực và Lão hóa Mạch máu" thuộc chuyên ngành gì?

Luận án "Vai trò của Transporter Kẽm trong Tự thực và Lão hóa Mạch máu" thuộc chuyên ngành Nutrition, Food and Exercise Sciences. Danh mục: Y Học Lâm Sàng.

Luận án "Vai trò của Transporter Kẽm trong Tự thực và Lão hóa Mạch máu" có bao nhiêu trang?

Luận án "Vai trò của Transporter Kẽm trong Tự thực và Lão hóa Mạch máu" có 114 trang. Bạn có thể xem trước một phần tài liệu ngay trên trang web trước khi tải về.

Cách tải luận án "Vai trò của Transporter Kẽm trong Tự thực và Lão hóa Mạch máu" về máy như thế nào?

Để tải luận án về máy, bạn nhấn nút "Tải xuống ngay" trên trang này, sau đó hoàn tất thanh toán phí lưu trữ. File sẽ được tải xuống ngay sau khi thanh toán thành công. Hỗ trợ qua Zalo: 0559 297 239.

Luận án liên quan

Chia sẻ tài liệu: Facebook Twitter