TY - THES A1 - Lopes Fernando, Raquel Sofia T1 - The impact of aging on proteolytic systems, transcriptome and metabolome of slow and fast muscle fiber types N2 - Aging is a complex process characterized by several factors, including loss of genetic and epigenetic information, accumulation of chronic oxidative stress, protein damage and aggregates and it is becoming an emergent drug target. Therefore, it is the utmost importance to study aging and agerelated diseases, to provide treatments to develop a healthy aging process. Skeletal muscle is one of the earliest tissues affected by age-related changes with progressive loss of muscle mass and function from 30 years old, effect known as sarcopenia. Several studies have shown the accumulation of protein aggregates in different animal models, as well as in humans, suggesting impaired proteostasis, a hallmark of aging, especially regarding degradation systems. Thus, different publications have explored the role of the main proteolytic systems in skeletal muscle from rodents and humans, like ubiquitin proteasomal system (UPS) and autophagy lysosomal system (ALS), however with contradictory results. Yet, most of the published studies are performed in muscles that comprise more than one fiber type, that means, muscles composed by slow and fast fibers. These fiber types, exhibit different metabolism and contraction speed; the slow fibers or type I display an oxidative metabolism, while fast fibers function towards a glycolytic metabolism ranging from fast oxidative to fast glycolytic fibers. To this extent, the aim of this thesis sought to understand on how aging impacts both fiber types not only regarding proteostasis but also at a metabolome and transcriptome network levels. Therefore, the first part of this thesis, presents the differences between slow oxidative (from Soleus muscle) and fast glycolytic fibers (Extensor digitorum longus, EDL) in terms of degradation systems and how they cope with oxidative stress during aging, while the second part explores the differences between young and old EDL muscle transcriptome and metabolome, unraveling molecular features. More specifically, the results from the present work show that slow oxidative muscle performs better at maintaining the function of UPS and ALS during aging than EDL muscle, which is clearly affected, accounting for the decline in the catalytic activity rates and accumulation of autophagy-related proteins. Strinkingly, transcriptome and metabolome analyses reveal that fast glycolytic muscle evidences significant downregulation of mitochondrial related processes and damaged mitochondria morphology during aging, despite of having a lower oxidative metabolism compared to oxidative fibers. Moreover, predictive analyses reveal a negative association between aged EDL gene signature and lifespan extending interventions such as caloric restriction (CR). Although, CR intervention does not alter the levels of mitochondrial markers in aged EDL muscle, it can reverse the higher mRNA levels of muscle damage markers. Together, the results from this thesis give new insights about how different metabolic muscle fibers cope with age-related changes and why fast glycolytic fibers are more susceptible to aging than slow oxidative fibers. N2 - Altern ist ein komplexer Prozess, der durch mehrere Faktoren gekennzeichnet ist, darunter der Verlust genetischer und epigenetischer Informationen, oxidativer Stress, sowie die Anhäufung von Proteinschäden und Aggregaten. Daher ist es von größter Bedeutung, das Altern und altersbedingte Krankheiten zu erforschen, um Arzneimittel und andere Behandlungen für einen gesunden Alterungsprozess zu entwickeln. Die Skelettmuskulatur ist eines der ersten Gewebe, das von altersbedingten Veränderungen betroffen ist. Ab einem Alter von 30 Jahren kommt es zu einem fortschreitenden Verlust der Muskelmasse und -funktion, der auch als Sarkopenie bezeichnet wird. Mehrere Studien haben die Anhäufung von Proteinaggregaten beim Altern in verschiedenen Tiermodellen und auch beim Menschen gezeigt, was auf eine gestörte Proteostase, insbesondere hinsichtlich der Abbauprozesse schließen lässt. Demnach wurde weiterführend die Rolle der wichtigsten proteolytischen Systeme, das Ubiquitin Proteasom System (UPS) und AutophagieLysosomale System (ALS), im alternden Skelettmuskel von Nagetieren und Menschen untersucht. Die Ergebnisse waren widersprüchlich, jedoch wurden die meisten der veröffentlichten Studien an Muskeln durchgeführt, die aus mehr als einem Muskelfasertyp bestehen, d.h. Muskeln, die aus langsamen und schnellen Muskelfasern zusammengesetzt sind. Diese Muskelfasertypen unterscheiden sich hinsichtlich des Stoffwechsels und der Kontraktionsgeschwindigkeit. Die langsamen Fasern oder der Typ I haben einen oxidativen Stoffwechsel, während die schnellen Fasern einen glykolytischen Stoffwechsel aufweisen und aus schnellen oxidativen bis zu schnellen glykolytischen Fasern bestehen können. Insofern war es das Ziel dieser Arbeit zu verstehen, wie sich das Altern auf beide Fasertypen auswirkt, und zwar nicht nur im Hinblick auf die Proteostase, sondern auch auf das Metabolom und Transkriptom. Im ersten Teil dieser Arbeit werden die Unterschiede zwischen langsamen oxidativen (Soleus-Muskel) und schnellen glykolytischen Fasern (Extensor digitorum longus-Muskel; EDL) in Bezug auf die Proteinabbausysteme und die Art und Weise, wie sie mit oxidativem Stress während des Alterns umgehen, dargestellt. Im zweiten Teil werden die Unterschiede zwischen dem Transkriptom und dem Metabolom des jungen und alten EDL-Muskels untersucht, um die molekularen Merkmale zu entschlüsseln. Im Einzelnen zeigen die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit, dass der langsam oxidierende Muskel im Vergleich zum EDL-Muskel besser in der Lage ist, die Funktion von UPS und ALS während des Alterns aufrechtzuerhalten. Die Funktionalität des UPS und ALS ist im alternden EDL-Muskels vermindert, was durch den Rückgang der katalytischen Aktivitätsraten und die Anhäufung von mit Autophagie-assoziierten Proteinen gezeigt wurde. Transkriptom- und Metabolomanalysen zeigen, dass schnelle glykolytische Muskeln eine signifikante Herabregulierung mitochondrialer Prozesse und eine geschädigte Mitochondrienmorphologie während des Alterns aufweisen, obwohl sie im Vergleich zu oxidativen Fasern durch einen geringeren oxidativen Stoffwechsel charakterisiert sind. Darüber hinaus ergeben prädiktive Analysen einen negativen Zusammenhang zwischen der Gensignatur des gealterten EDL-Muskels und lebensverlängernden Maßnahmen wie der kalorischenRestriktion. Obwohl die kalorischen Restriktion Intervention die Werte der mitochondrialen Marker im gealterten EDL-Muskel nicht verändert, kann sie die höheren mRNA-Werte der Muskelschädigungsmarker umkehren. Zusammenfassend liefern die Ergebnisse dieser Arbeit neue Erkenntnisse darüber, wie verschiedene metabolische Muskelfasern mit altersbedingten. Veränderungen umgehen und warum schnelle glykolytische Fasern anfälliger für die Alterung als langsame oxidative Fasern sind. KW - skeletal muscle aging KW - proteostasis KW - slow and fast fiber types KW - transcriptomics KW - metabolomics KW - sarcopenia KW - Skelettmuskelalterung KW - Proteostase KW - langsame und schnelle Fasertypen KW - Transkriptom KW - Metabolom KW - ubiquitin proteasomal system KW - autophagy lysosomal system KW - Ubiquitin Proteasom System KW - Autophagie Lysosomale System Y1 - 2023 U6 - https://doi.org/10.25932/publishup-60579 ER - TY - THES A1 - Bulut, Mustafa T1 - Assessing the genetic architecture underlying systemic responses to variable environments in crops using multi-omics N2 - Plant metabolism serves as the primary mechanism for converting assimilated carbon into essential compounds crucial for plant growth and ultimately, crop yield. This renders it a focal point of research with significant implications. Despite notable strides in comprehending the genetic principles underpinning metabolism and yield, there remains a dearth of knowledge regarding the genetic factors responsible for trait variation under varying environmental conditions. Given the burgeoning global population and the advancing challenges posed by climate change, unraveling the intricacies of metabolic and yield responses to water scarcity became increasingly important in safeguarding food security. Our research group has recently started to work on the genetic resources of legume species. To this end, the study presented here investigates the metabolic diversity across five different legume species at a tissue level, identifying species-specific biosynthesis of alkaloids as well as iso-/flavonoids with diverse functional groups, namely prenylation, phenylacylation as well as methoxylation, to create a resource for follow up studies investigation the metabolic diversity in natural diverse populations of legume species. Following this, the second study investigates the genetic architecture of drought-induced changes in a global common bean population. Here, a plethora of quantitative trait loci (QTL) associated with various traits are identified by performing genome-wide association studies (GWAS), including for lipid signaling. On this site, overexpression of candidates highlighted the induction of several oxylipins reported to be pivotal in coping with harsh environmental conditions such as water scarcity. Diverging from the common bean and GWAS, the following study focuses on identifying drought-related QTL in tomato using a bi-parental breeding population. This descriptive study highlights novel multi-omic QTL, including metabolism, photosynthesis as well as fruit setting, some of which are uniquely assigned under drought. Compared to conventional approaches using the bi-parental IL population, the study presented improves the resolution by assessing further backcrossed ILs, named sub-ILs. In the final study, a photosynthetic gene, namely a PetM subunit of the cytochrome b6f complex encoding gene, involved in electron flow is characterized in an horticultural important crop. While several advances have been made in model organisms, this study highlights the transition of this fundamental knowledge to horticultural important crops, such as tomato, and investigates its function under differing light conditions. Overall, the presented thesis combines different strategies in unveiling the genetic components in multi-omic traits under drought using conventional breeding populations as well as a diverse global population. To this end, it allows a comparison of either approach and highlights their strengths and weaknesses. N2 - Der pflanzliche Stoffwechsel ist der wichtigste Mechanismus für die Umwandlung von assimiliertem Kohlenstoff in essenzielle Verbindungen, die für das Pflanzenwachstum und letztlich den Ernteertrag entscheidend sind. Dies macht ihn zu einem Schwerpunkt der Forschung mit erheblichen Auswirkungen. Trotz bemerkenswerter Fortschritte beim Verständnis der genetischen Prinzipien, die dem Stoffwechsel und den Erträgen zugrunde liegen, gibt es nach wie vor einen Mangel an Wissen über die genetischen Faktoren, die für die Variation von Merkmalen unter verschiedenen Umweltbedingungen verantwortlich sind. In Anbetracht der wachsenden Weltbevölkerung und der zunehmenden Herausforderungen durch den Klimawandel wird es immer wichtiger, die Feinheiten des Stoffwechsels und des Ertrags auf Wasserknappheit zu entschlüsseln, um die Ernährungssicherheit zu gewährleisten. Unsere Forschungsgruppe hat vor kurzem damit begonnen, sich mit den genetischen Ressourcen von Leguminosen zu befassen. Zu diesem Zweck untersucht die hier vorgestellte Studie die Stoffwechselvielfalt bei fünf verschiedenen Leguminosen auf Gewebeebene und identifiziert die artspezifische Biosynthese von Alkaloiden sowie Iso-/Flavonoiden mit verschiedenen funktionellen Gruppen, nämlich Prenylierung, Phenylacylierung sowie Methoxylierung, um eine Ressource für Folgestudien zu schaffen, die die Stoffwechselvielfalt in verschiedenen natürlichen Populationen von Leguminosen untersuchen. Im Anschluss daran wird in der zweiten Studie die genetische Architektur trockenheitsbedingter Veränderungen in einer globalen Bohnenpopulation untersucht. Hier wird eine Vielzahl von quantitativen Merkmalsloci (QTL) identifiziert, die mit verschiedenen Merkmalen assoziiert sind, darunter auch für die Lipidsignalübertragung, unter Durchführung genomweite Assoziationsstudien (GWAS). Die Überexpression von Kandidaten auf dieser Seite hat die Induktion mehrerer Oxylipine hervorgehoben, die Berichten zufolge für die Bewältigung rauer Umweltbedingungen wie Wasserknappheit von zentraler Bedeutung sind. Abweichend von der Bohne und der GWAS konzentriert sich die folgende Studie auf die Identifizierung trockenheitsbezogener QTL bei der Tomate unter Verwendung einer bi-elterlichen Zuchtpopulation. Diese deskriptive Studie hebt neuartige multi-omische QTL hervor, einschließlich für Stoffwechsel, Photosynthese und Fruchtansatz, von denen einige eindeutig dem Dürre-Stress zugeordnet werden. Im Vergleich zu herkömmlichen Ansätzen, bei denen die bi-elterliche IL-Population verwendet wird, verbessert die vorgestellte Studie die Auflösung, indem weitere rückgekreuzte ILs, so genannte sub-ILs, untersucht werden. In der letzten Studie wird ein photosynthetisches Gen, nämlich eine PetM-Untereinheit des Cytochrom b6fKomplexes, das am Elektronenfluss beteiligt ist, in einer für den Gartenbau wichtigen Pflanze charakterisiert. Während bei Modellorganismen bereits zahlreiche wissenschaftliche Fortschritte erzielt wurden, beleuchtet diese Studie den Übergang dieses grundlegenden Wissens auf wichtige Gartenbaupflanzen wie die Tomate und untersucht ihre Funktion unter verschiedenen Lichtbedingungen. Insgesamt werden in der vorliegenden Arbeit verschiedene Strategien kombiniert, um die genetischen Komponenten multi-omischer Merkmale bei Trockenheit aufzudecken, wobei sowohl konventionelle Zuchtpopulationen als auch eine vielfältige globale Population verwendet werden. Zu diesem Zweck ermöglicht sie einen Vergleich beider Ansätze und zeigt ihre Stärken und Schwächen auf. KW - genomics KW - metabolomics KW - phenomics KW - genome-wide association studies (GWAS) KW - genotype-by-Environmental interaction (GxE) KW - plasticity Y1 - 2023 ER -