Effects of stress (aging) on Enchytraeus crypticus: an omics approach

Abstract

Although aging research has historically been focused on humans and human health, interest in understanding the aging process and aging phenotypes in different organisms has been gaining interest, for different reasons. In ecotoxicology, tests usually follow standard guidelines that use healthy individuals. However, natural populations are comprised of animals of different ages, that will have different degrees of vulnerability to the action of e.g. pollutants in the environment. Thus, current hazard assessment might underestimate the effects of stressors in natural populations. To better cover the impact of age as a factor in ecotoxicity testing, research should pursue a better understanding of aging in environmentally relevant species (namely at the cellular and molecular level). This study aimed at providing a more fundamental understanding of aging in a soil ecotoxicology model species, Enchytraeus crypticus (Oligochaeta), by assessing age-related gene expression changes for organisms aging in soil for 34, 146 and 202 days. E. crypticus are important members of the saprophagous mesofauna, and their use as model organisms in ecotoxicology is backed up by a remarkable array of molecular tools (e.g., transcriptomic, proteomic, metabolomic and epigenetic). Results showed a clear pattern of downregulation with age, which could relate to stochastic DNA damage driving transcriptional stress. Among downregulated genes were the target genes related to insulin signalling, telomere length regulation and oxidative phosphorylation, as well as genes related to RNA transcription or neuronal excitability. Most target genes involved in mTOR signalling and stress response were also downregulated. This pattern of downregulation could ultimately be driving the aging process, by contributing to the dysregulation of the corresponding processes. At day 202, three genes were upregulated - TSC2 (a negative regulator of mTORC1), HSP70 and HSP90 (two chaperones with important functions in response to stress). This might indicate an attempt to mitigate these age-induced changes. The present study could be a first step to understand the molecular processes driving aging in E. crypticus. To interpret this knowledge, research with proteomic, metabolomic or epigenetic tools could be followed. Ultimately, this new knowledge could help evaluate the impact of e.g. environmental pollution in aged individuals and natural, heterogeneous populations.

Embora a investigação sobre o envelhecimento tenha sido historicamente focada nos seres humanos e na saúde humana, o interesse na compreensão do processo de envelhecimento e dos fenótipos do envelhecimento em diferentes organismos tem vindo a ganhar interesse, por diferentes razões. Em ecotoxicologia, geralmente seguem-se diretrizes padrão que utilizam indivíduos saudáveis. No entanto, as populações naturais são compostas por animais de diferentes idades, que terão diferentes graus de vulnerabilidade à ação de, por exemplo, poluentes no meio ambiente. Assim, o atual processo de avaliação de perigo poderá subestimar os efeitos de stressores em populações naturais. Para cobrir melhor o impacto do fator idade nos testes de ecotoxicidade, a investigação deve procurar entender melhor o envelhecimento em espécies ambientalmente relevantes (nomeadamente a nível celular e molecular). Esta estudo teve como objetivo contribuir para uma compreensão mais fundamental do envelhecimento de uma espécie modelo de ecotoxicologia do solo, Enchytraeus crypticus (Oligochaeta), avaliando alterações na expressão de genes relacionados com a idade, em organismos que envelheceram no solo por 34, 146 e 202 dias. E. crypticus são membros importantes da mesofauna saprófaga, e o seu uso enquanto organismos modelo em ecotoxicologia é suportado por um notável conjunto de ferramentas moleculares (por exemplo, de transcriptómica, proteómica, metabolómica e epigenética). Os resultados mostraram um padrão claro de sub-expressão com a idade, o que poderá relacionar-se com danos estocásticos no DNA que levam a stress transcripcional. Entre os genes sub-expressos encontram-se os genes alvo relativos à sinalização da insulina, regulação do comprimento dos telómeros e fosforilação oxidativa, bem como genes relativos à transcrição de RNA ou excitabilidade neuronal. A maioria dos genes-alvo envolvidos na sinalização mTOR e na resposta ao stress também foram sub-expressos. Este padrão de sub-expressão pode estar a impulsionar o processo de envelhecimento, contribuindo para a desregulação dos mecanismos correspondentes. No dia 202, três genes foram sobre-expressos - TSC2 (um regulador negativo de mTORC1), HSP70 e HSP90 (duas chaperonas com funções importantes na resposta ao stress), o que pode indicar uma tentativa de mitigar essas alterações induzidas pela idade. O presente estudo constitui um primeiro passo para compreender os processos moleculares que impulsionam o envelhecimento em E. crypticus. Para interpretar este conhecimento, poder-se-ia prosseguir a investigação com ferramentas proteómicas, metabolómicas ou epigenéticas. Este novo conhecimento poderia ajudar a avaliar o impacto, por exemplo, de poluição ambiental em indivíduos idosos e em populações naturais e heterogéneas.