Влияние продукта гена Hsp67Bc на продолжительность жизни, плодовитость и устойчивость Drosophila melanogaster к кратковременному тепловому стрессу

Hsp67Bc Drosophila melanogaster – индуцируемый в ответ на тепловой и холодовой стресс малый белок теплового шока, участвующий в предотвращении агрегации поврежденных белков и в регуляции макроаутофагии. Было показано, что повышенная экспрессия гена Hsp67Bc стимулирует макроаутофагию в клетках S2 дрозофилы, а его делеция приводит к небольшому увеличению количества аутофагических вакуолей в нейронах мозга мух. Недавно нами обнаружено, что нуль-аллельные по гену Hsp67Bc особи D. melanogaster имеют сниженную устойчивость к холодовому стрессу (0 °C) различной длительности. В настоящей работе мы исследовали, как наличие делеции в гене Hsp67Bc повлияет на жизнеспособность D. melanogaster в нормальных условиях и на их устойчивость к повышенной температуре на разных стадиях развития. Делеция Hsp67Bc не оказала на личинок и куколок дрозофил неблагоприятного воздействия; нуль-аллельные по гену Hsp67Bc имаго имели увеличенную по сравнению с контролем продолжительность жизни при нормальной (24–25 °C) и повышенной (29 °C) температуре, а также после кратковременного теплового стресса (37 °C, 2 ч). В то же время плодовитость мутантных самок была снижена на 6–13 % по сравнению с контролем при всех исследованных температурных режимах, за исключением постоянного содержания при 29 °C, при котором среднее число откладываемых яиц не различалось между контрольной и мутантной линиями. Мы связываем этот феномен со сниженным количеством овариол у нуль-аллельных по гену Hsp67Bc самок, а также с усиленной макроаутофагией в их гермариях, приводящей к росту числа гибнущих формирующихся яйцевых камер. Кроме того, кратковременный тепловой стресс (37 °C, 2 ч), приводивший к увеличению продолжительности жизни D. melanogaster контрольной линии (что является распространенной реакцией у живых организмов), отрицательно влиял на продолжительность жизни мух с делецией Hsp67Bc. Таким образом, D. melanogaster с делецией в гене Hsp67Bc имеют увеличенную продолжительность жизни в нормальных условиях и при повышенной температуре и сниженные плодовитость и устойчивость к температурному стрессу.

1. Amano A., Nakagawa I., Yoshimori T. Autophagy in innate immunity against intracellular bacteria. J. Biochem. 2006;140(2):161-166. DOI 10.1093/jb/mvj162.

2. Bainbridge S.P., Bownes M. Staging the metamorphosis of Drosophila melanogaster. J. Embryol. Exp. Morphol. 1981;66:57-80.

3. Barth J.M.I., Szabad J., Hafen E., Köhler K. Autophagy in Drosophila ovaries is induced by starvation and is required for oogenesis. Cell Death Differ. 2011;18:915-924. DOI 10.1038/cdd.2010.157.

4. Bjedov I., Cochemé H.M., Foley A., Wieser D., Woodling N.S., Castillo-Quan J.I., Norvaisas P., Lujan C., Regan J.C., Toivonen J.M.,

5. Murphy M.P., Thornton J., Kinghorn K.J., Neufeld T.P., Cabreiro F., Partridge L. Fine-tuning autophagy maximises lifespan and is associated with changes in mitochondrial gene expression in Drosophila. PLoS Genet. 2020;16:e1009083. DOI 10.1371/journal.pgen.1009083.

6. Bolobolova E.U., Dorogova N.V., Fedorova S.A. Major scenarios of genetically regulated cell death during oogenesis in Drosophila melanogaster. Russ. J. Genet. 2020;56:655-665. DOI 10.1134/S1022795420060034.

7. Carra S., Boncoraglio A., Kanon B., Brunsting J.F., Minoia M., Rana A., Vos M.J., Seidel K., Sibon O.C., Kampinga H.H. Identification of the Drosophila ortholog of HSPB8. J. Biol. Chem. 2010;285:37811-37822. DOI 10.1074/jbc.M110.127498.

8. Clancy D.J., Gems D., Harshman L.G., Oldham S., Stocker H., Hafen E., Leevers S.J., Partridge L. Extension of life-span by loss of CHICO, a Drosophila insulin receptor substrate protein. Science. 2001;292(5514):104-106. DOI 10.1126/science.1057991.

9. Drummond-Barbosa D., Spradling A.C. Stem cells and their progeny respond to nutritional changes during Drosophila oogenesis. Dev. Biol. 2001;231(1):265-278. DOI 10.1006/dbio.2000.0135. Graze R.M., Tzeng R.-Y., Howard T.S., Arbeitman M.N. Perturbation of IIS/TOR signaling alters the landscape of sex-differential gene expression in Drosophila. BMC Genom. 2018;19:893. DOI 10.1186/s12864-018-5308-3.

10. Hercus M.J., Loeschcke V., Rattan S.I.S. Lifespan extension of Drosophila melanogaster through hormesis by repeated mild heat stress. Biogerontology. 2003;4:149-156. DOI 10.1023/A:1024197806855.

11. Hou Y.-C.C., Chittaranjan S., Barbosa S.G., McCall K., Gorski S.M. Effector caspase Dcp-1 and IAP protein Bruce regulate starvationinduced autophagy during Drosophila melanogaster oogenesis. J. Cell Biol. 2008;182:1127-1139. DOI 10.1083/jcb.200712091.

12. Izquierdo J.I. How does Drosophila melanogaster overwinter? Entomol. Exp. Appl. 1991;59:51-58. DOI 10.1111/j.1570-7458.1991.tb01485.x.

13. Jolly C., Morimoto R.I. Role of the heat shock response and molecular chaperones in oncogenesis and cell death. J. Natl. Cancer. Inst. 2000;92(19):1564-1572. DOI 10.1093/jnci/92.19.1564.

14. Kampinga H.H., Hageman J., Vos M.J., Kubota H., Tanguay R.M., Bruford E.A., Cheetham M.E., Chen B., Hightower L.E. Guidelines for the nomenclature of the human heat shock proteins. Cell Stress Chaperones. 2009;14:105-111. DOI 10.1007/s12192-008-0068-7.

15. Kapahi P., Zid B.M., Harper T., Koslover D., Sapin V., Benzer S. Regulation of lifespan in Drosophila by modulation of genes in the TOR signaling pathway. Curr. Biol. 2004;14(10):885-890. DOI 10.1016/j.cub.2004.03.059.

16. Klionsky D.J., Cuervo A.M., Seglen P.O. Methods for monitoring autophagy from yeast to human. Autophagy. 2007;3(3):181-206. DOI 10.4161/auto.3678.

17. Kroemer G., Mariño G., Levine B. Autophagy and the integrated stress response. Mol. Cell. 2010;40(2):280-293. DOI 10.1016/j.molcel.2010.09.023.

18. Le Bourg É. Using Drosophila melanogaster to study the positive effects of mild stress on aging. Exp. Gerontol. 2011;46:345-348. DOI 10.1016/j.exger.2010.08.003.

19. Lin Y.-J., Seroude L., Benzer S. Extended life-span and stress resistance in the Drosophila mutant methuselah. Science. 1998;282(5390): 943-946. DOI 10.1126/science.282.5390.943.

20. Lindquist S. The heat-shock response. Annu. Rev. Biochem. 1986;55: 1151-1191. DOI 10.1146/annurev.bi.55.070186.005443.

21. Malkeyeva D., Kiseleva E., Fedorova S. Small heat shock protein Hsp67Bc plays a significant role in Drosophila melanogaster cold stress tolerance. J. Exp. Biol. 2020;223(Pt.21):jeb219592. DOI 10.1242/jeb.219592.

22. Malkeyeva D.A., Kiseleva E.V., Fedorova S.A. Loss of Hsp67Bc leads to autolysosome enlargement in the Drosophila brain. Cell Biol. Int. 2021. DOI 10.1002/cbin.11721.

23. Masoro E.J. Caloric restriction and aging: an update. Exp. Gerontol. 2000;35:299-305. DOI 10.1016/S0531-5565(00)00084-X.

24. Nezis I.P., Lamark T., Velentzas A.D., Rusten T.E., Bjørkøy G., Johansen T., Papassideri I.S., Stravopodis D.J., Margaritis L.H., Stenmark H., Brech A. Cell death during Drosophila melanogaster early oogenesis is mediated through autophagy. Autophagy. 2009;5: 298-302. DOI 10.4161/auto.5.3.7454.

25. Parzych K.R., Klionsky D.J. An overview of autophagy: morphology, mechanism, and regulation. Antioxid. Redox Signal. 2014;20(3): 460-473. DOI 10.1089/ars.2013.5371.

26. Raut S., Mallik B., Parichha A., Amrutha V., Sahi C., Kumar V. RNAimediated reverse genetic screen identified Drosophila chaperones regulating eye and neuromuscular junction morphology. G3: Genes Genomes Genetics. (Bethesda). 2017;7(7):2023-2038. DOI 10.1534/g3.117.041632.

27. Sarikaya D.P., Belay A.A., Ahuja A., Dorta A., Green D.A., Extavour C.G. The roles of cell size and cell number in determining ovariole number in Drosophila. Dev. Biol. 2012;363:279-289. DOI 10.1016/j.ydbio.2011.12.017.

28. Sarkar S., Singh M.D., Yadav R., Arunkumar K.P., Pittman G.W. Heat shock proteins: molecules with assorted functions. Front. Biol. (Beijing). 2011;6(4):312. DOI 10.1007/s11515-011-1080-3.

29. Sarup P., Sørensen P., Loeschcke V. The long-term effects of a life-prolonging heat treatment on the Drosophila melanogaster transcriptome suggest that heat shock proteins extend lifespan. Exp. Gerontol. 2014;50:34-39. DOI 10.1016/j.exger.2013.11.017.

30. Scott R.C., Schuldiner O., Neufeld T.P. Role and regulation of starvation-induced autophagy in the Drosophila fat body. Dev. Cell. 2004;7(2):167-178. DOI 10.1016/j.devcel.2004.07.009.

31. Sørensen J.G., Kristensen T.N., Loeschcke V. The evolutionary and ecological role of heat shock proteins. Ecol. Lett. 2003;6:1025-1037. DOI 10.1046/j.1461-0248.2003.00528.x.

32. Tatar M., Kopelman A., Epstein D., Tu M.-P., Yin C.-M., Garofalo R.S. A mutant Drosophila insulin receptor homolog that extends life-span and impairs neuroendocrine function. Science. 2001;292(5514): 107-110. DOI 10.1126/science.1057987.

33. Vos M.J., Carra S., Kanon B., Bosveld F., Klauke K., Sibon O.C.M., Kampinga H.H. Specific protein homeostatic functions of small heat-shock proteins increase lifespan. Aging Cell. 2016;15:217-226. DOI 10.1111/acel.12422.

34. Wang J., Wang Z., Zhang Z., Hua Q., Wang M., Shi C., Xue L., Zhang R., Xie X. Methuselah regulates longevity via dTOR: a pathway revealed by small-molecule ligands. J. Mol. Cell Biol. 2015; 7:280-282. DOI 10.1093/jmcb/mjv018.

35. Wit J., Kristensen T.N., Sarup P., Frydenberg J., Loeschcke V. Laboratory selection for increased longevity in Drosophila melanogaster reduces field performance. Exp. Gerontol. 2013;48:1189-1195. DOI 10.1016/j.exger.2013.07.012.

36. Yamamoto R., Palmer M., Koski H., Curtis-Joseph N., Tatar M. Aging modulated by the Drosophila insulin receptor through distinct structure-defined mechanisms. Genetics. 2021;217(2):iyaa037. DOI 10.1093/genetics/iyaa037.