Identification of novel regulators of late-life longevity in the worm C. elegans

Ageing is a ubiquitous, detrimental phenomenon experienced by almost every known uni- and multi-cellular species. The hallmarks of ageing are conserved from worm to man and suggest an origin deep in evolutionary history. However, how such an obviously detrimental process could be maintained, despite the obvious negative selection it would be subjected to, has been a much-debated topic for over a century. The most widely accepted explanation is that ageing is a consequence of evolution. It arises from the preferential selection of alleles with positive fitness effects early in life even if those alleles lead to degeneration later in life. This antagonistic pleiotropy (AP) theory of ageing has received some experimental support but to date, no investigation has found genes with detrimental effects specific to the later life period. To address this insufficiency I developed a novel age-synchronous liquid culture technique for the worm C. elegans that allowed for the reliable production of large quantities of old worms absent of the use of sterile strains or drugs to inhibit reproduction. With this technique, I screened an RNAi library of nearly 800 genes involved in gene or chromatin regulation in the post-reproductive worm. This screen identified 31 novel candidate AP longevity genes including pha-4. The transcription factor PHA-4 (FOXA) is essential to survival and longevity in young worms. Remarkably, however, its inhibition post-reproduction extended lifespan by 33%. PHA-4 transcriptionally regulates the expression of two essential autophagy genes bec-1 and unc-51. Late-life inhibition of these genes extended lifespan by an even greater degree than pha-4, up to 63%. Both bec-1 and pha-4 display AP characteristics including a switch from pro- to anti-longevity as the worm ages and a delay in the onset of ageing hallmarks only when inhibited late in life. The mechanism of this lifespan extension is independent of the major canonical life extension pathways and is likely routed in the autophagic function of these genes. The results described in this study demonstrate a simple novel protocol for the generation of aged C. elegans samples that will greatly facilitate large-scale analysis of the late age period. The efficiency of the RNAi screen suggests that many more AP genes remain to be discovered. This could open a new path to the treatment of ageing and age-related disease through the targeting of detrimental AP factors outside of the development window. Furthermore, autophagy is generally considered to be a beneficial and required process throughout life. The identification of autophagy genes as a detrimental force in late-life could radically redefine our understanding of this process.Altern ist ein allgegenwärtiges Phänomen in fast allen bekannten ein- oder multizellulären Spezies. Die Merkmale des Alterns zeigen sich in ähnlicher Weise vom Fadenwurm bis hin zum Menschen und suggerieren, dass die Herkunft des Alterns tief in der evolutionären Geschichte verankert ist. Wie solch ein offensichtlich schädlicher Prozess evolutionär bewahrt wurde, ist eine viel diskutierte Problematik der letzten Jahrhunderte. Eine Theorie besagt, dass es eine Bevorzugung in der Selektion von Allelen gibt, welche ein positiven Effekt auf die Lebensfähigkeit in den ersten Lebensstadien eines Individuum haben, auch wenn dies zu Lasten der Lebensfähigkeit im Alter geht. Diese Theorie der antagonistische Pleiotropie (AP) wurde bisher durch verschiedene Experimente gestützt, aber bis heute wurden noch keine Gene nachgewiesen, welche nur in den späten Lebensstadien einen negativen Effekt auf die Lebenserwartung haben. Um diese Problematik zu ergründen, habe ich eine neue Flüssigkulturmethode für den Fadenwurm C. elegans entwickelt, welche die verlässliche Produktion von großen Mengen an alters-synchronisierten Würmern in späten Lebensphasen erlaubt, ohne die Nutzung von sterilen Fadenwurmstämmen oder reproduktions-inhibierenden Substanzen. Mit Hilfe dieser Methode wurde in einem Screening eine RNAi Bibliothek von fast 800 Genen untersucht, die an der Gen- oder Chromatin-Regulation von postreproduktiven Fadenwürmen beteiligt sind. Unter den 31 gefundenen Kandidaten ging das pha-4 Gen als aussichtsreichster Anwärter auf AP hervor. Der Transkriptionsfaktor PHA-4 (FOXA) ist für das Überleben notwendig, aber dessen Inhibierung in der postreproduktiven Lebensphase verlängert die Lebensdauer von C.elegans um bis zu 33%. PHA-4 reguliert die Expression zweier essentieller Gene der Autophagie, bec-1 und unc-51.Überraschend ist, dass die Inhibierung dieser Gene in späten Lebensphasen des Wurms einen noch größeren Effekt auf die Verlängerung der Lebenserwartung von bis zu 63% hat. Der Mechanismus zur Verlängerung der Lebensspanne ist unabhängig von den kanonischen Hauptsignalwegen der Lebensverlängerung und liegt sehr wahrscheinlich in der Autophagiefunktion dieser Gene. Die in meiner Doktorarbeit erhaltenen Ergebnisse demonstrieren eine neue Methode zur Erzeugung von gealterten C. elegans Populationen, welche eine Large-Scale Analyse ermöglicht. Die Effektivität des RNAi-Screenings verdeutlicht zudem, dass noch viele AP Gene unentdeckt sind. Dies könnte neue Wege in der Altersforschung und zur Behandlung von altersbedingten Krankheiten eröffnen. Zudem wird Autophagie generell als lebensbegünstigender und essenzieller Prozess angesehen. Die Identifikation von Autophagiegenen als schädliche Faktoren in der späten Lebensphase könnte unser Verständnis des Autophagieprozesses radikal verändern