IMG0168
www.carleton.ca/~kbstorey
LIFE IN THE COLD - An Ice Stor-e-y
winter-IMG_0396.JPG
FREEZE  TOLERANTANIMALSFREEZE  TOLERANTANIMALS
  Insects  (many)  Insects  (many)
  Intertidal molluscs &     barnacles  Intertidal molluscs &     barnacles
  Amphibians Reptiles:    -  Frogs (6 species)    -  Hatchling turtles    -  Garter snakes    -  Lizards (some)  Amphibians Reptiles:    -  Frogs (6 species)    -  Hatchling turtles    -  Garter snakes    -  Lizards (some)
VERTEBRATEFREEZE  TOLERANCEVERTEBRATEFREEZE  TOLERANCE
DSCN2421-smb
ft14
DSCN2284-sm
ft19
ft18
DSCN0960-sm
IMG0203
WOOD FROGRana sylvatica
IMG0197
WOOD FROGRana sylvatica
DSCN0799-sm
Wood frog,  Rana sylvatica
SURVIVING  FREEZINGSURVIVING  FREEZING
 Extracellularfreezing only
 65-70% of bodywater frozen
  Acclimationrequired
 Protectants  - high glucose,       glycerol,       sorbitol  - ice nucleators
WOOD  FROGCRYOPROTECTANTSWOOD  FROGCRYOPROTECTANTS
Blood glucose rises from ~5 mM to 200-400 mM
Glucose triggered by ice formation
Made from liverglycogen (180 mg/g)
Liver is ~12% of  body mass
Glucose distribution  via Blood:    Liver >    Core organs >    Periphery
Blood
Liver
Heart
Kidney
Muscle
GLYCOGENPHOSPHORYLASEGLYCOGENPHOSPHORYLASE
Glycogen + Pi
                         kinase
 
          Phos a      Phos b
                   phosphatase
Glucose-1-P +
glycogen (n-1)
GlyPhos2-cut
        0 2 5    30  60     2      3         1         2      3      1 3      1       3  4
              min                hours             days             min      hours
                          TIME OF FREEZING                     TIME OF THAW
Liver
Phosphorylase a
Activity,  U/g
PROTEIN  KINASESPROTEIN  KINASES
PROTEIN
nATP
nADP
PROTEIN-(P)n
 Covalent modification by phosphorylation
 Families of protein kinases: PKA (cAMP),   PKG (cGMP), CaMK (Ca2+), PKC (Ca2+,PL,DG)
 SAPKs : daisy chain phosphorylations
 Regulation is via interconversion of active   vs subactive forms of protein substrates
PROTEIN  KINASESPROTEIN  KINASES
PROTEIN
nATP
nADP
PROTEIN-(P)n
 Covalent modification by phosphorylation
 2-3% of genome, over 700 kinases
 Reversal via protein phosphatases
 Regulation involves activation cycles
Nucleus
GENES
ON/OFF
mRNAs
[ i + e Factors]
PROTEINS
Ca+2
KINASES (2nd)
PATHWAYS
SMW
CHO
AA
ATP
?
SAPK
ATP
ADP
MITO
GENES
FAT
[Trans.F]
Na
K
ETC
P
PROT
FREEZE INDUCEDCHANGESFREEZE INDUCEDCHANGES
Protein Synthesis slows to 1%
Pumps & channels closed
Energy Production slows to 5%
Energy Utilization slows to 2%
Few ‘SAP’ kinases activated
Results: P38, AMPK, JUNK, ERK,PKA, PKC, PERK, Fuel Pathways
Protein Phosphatases ( 1, 2A, 2C )
CELL PROCESSESCELL PROCESSES
   DNA/RNA synthesis
   Protein synthesis
   Fuel metabolism
   Ion pumping
   Work done
ATP turnover     to <5% of normal
FREEZE  INDUCEDCHANGESFREEZE  INDUCEDCHANGES
Protein Synthesis slows to 1%
Pumps & channels closed
Energy Production slows to 5%
Energy Utilization slows to 2%
Few ‘SAP’ kinases activated
Gene ‘inactivation’ (    mRNA)
Few Genes activated
FREEZE  INDUCEDGENE  CHANGESFREEZE  INDUCEDGENE  CHANGES
Most Genes ‘inactivated’
mRNA decreases
Epigenetic changes !
Few Genes activated
    - transcription factors
    - shock proteins
    - antioxidants
 
 
DSCN0818-sm
FREEZE  INDUCEDGENE  CHANGESFREEZE  INDUCEDGENE  CHANGES
Most Genes ‘inactivated’
mRNA decreases
Epigenetic changes !
Few Genes activated
    - transcription factors
    - shock proteins
    - antioxidants
 
 
DSCN0818-sm
TURNING OFF GENES:Role of EpigeneticsTURNING OFF GENES:Role of Epigenetics
Epigenetics:Epigenetics:
  - Stable changes in gene activity that do   not involve changes in DNA sequence
Common mechanisms:Common mechanisms:
   - DNA methylation
   - Histone modification / histone variants
   - Regulatory non-coding RNAs
microRNA  (miRNA)microRNA  (miRNA)
Small RNAs ~22 nucleotides in length
Highly conserved across species
Bind to 3’ UTR of mRNAs
All repression mechanism(s) yet to bedefined, but include:
       - Block translation of mRNA    - Help bind mRNA into stress granules    - Target mRNA for degradation
DSCN2284-sm
miRNA processing pathwaymiRNA processing pathway
Steps of interest
 in our lab:
Dicer ProteinDicer Protein
 Expression Expression
miRNAmiRNA
ExpressionExpression
Source: www.ambion.com
Storey Lab approach tomiRNAStorey Lab approach tomiRNA
Image: www.exiqon.com
1)miRNA array comparing
samples from control
 vs frozen/hibernating
2) Lead
Identification
3) Q-PCR Validation
Image: www.promega.com
Are miRNAs differentially regulatedin our animal models?Are miRNAs differentially regulatedin our animal models?
Yes!    Selected miRNAs were up-regulated inhibernating 13-lined ground squirrels          (Morin, Dubuc & Storey, 2008, Biochim Biophys Acta 1779:628-633)
How about frogs?      New data for muscle of frozen wood frogs:
miRNA
Fold change
Process in highermammals
Mir-1
5.0
Myogenesis
Mir-133a
5.4
Myogenesis
Mir-206
4.6
Myogenesis
Let-7
4.0
Cell cycle
Mir-26
3.4
Hypoxia
Mir-451
7.6
Erythropoiesis
FREEZE  INDUCEDCHANGESFREEZE  INDUCEDCHANGES
Protein Synthesis slows to 1%
Pumps & channels closed
Energy Production slows to 5%
Energy Utilization slows to 2%
Few ‘SAP’ kinases activated
Gene ‘inactivation’ (    mRNA)
Few Genes activated
GENE ACTIVATION(TRANSCRIPTION)GENE ACTIVATION(TRANSCRIPTION)
Global rate of mRNA synthesis   depressed.  Method: nuclear run-on
Are selected genes up-regulated ?
TO ASSESS GENE UP-REGULATION:TO ASSESS GENE UP-REGULATION:
      What new mRNAs are created       - cDNA library, Gene Chip
%UP   Result:  only % of Genes are UP
FREEZE  INDUCEDGENE  CHANGESFREEZE  INDUCEDGENE  CHANGES
Most Genes ‘inactivated’
mRNA decreases
Epigenetic changes !
Few Genes activated
    - transcription factors
    - shock proteins
  - antioxidant enzymes
 
 
WEB-3
WEB-1
cDNA ArraysMethodscDNA ArraysMethods
- Materials- Materials
- SourcesPublications- SourcesPublications
Transcription Factors UP :GENES RespondTranscription Factors UP :GENES Respond
DSCN2562-sm
Epigenetics OFF) :Epigenetics OFF) :
 microRNA microRNA
 phospho-RNA Polymerase phospho-RNA Polymerase
 Histones modified Histones modified
 HDAC HAT changes HDAC HAT changes
DSCN3419-sm
TRANSCRIPTIONFACTORSTRANSCRIPTIONFACTORS
ATF (Glucose Regulated Proteins)
HIF (O2),    HSF (Hsp)
NFkB  (IkB-P),  Nrf-2 (GST),  NRF-1
PPAR,  PGC,  RXR,  chREBP,  CREB-P
STAT,  SMAD,  p53-P,  HNF,  AP (1,2)
Methods: EMSA, PCR
TRANSCRIPTIONFACTORSTRANSCRIPTIONFACTORS
ATF (Glucose Regulated Proteins)
HIF (O2),    HSF (Hsp)
Nrf-2 (GST),NFkB  (IkB-P),  Nrf-2 (GST),  NRF-1
PPAR,  PGC,  RXR,  chREBP,  CREB-P
STAT,  SMAD,  p53-P,  HNF,  AP (1,2)
Role :        MR, Diabetes,  Organ Preservation
DSCN3419-sm
FREEZE-INDUCEDGENES: WOOD FROGSFREEZE-INDUCEDGENES: WOOD FROGS
cDNA Library / Gene Chip
 Transcription Factors
     NRF -2
 Antioxidant enzymes
Nrf2 ARE pathwayNrf2 ARE pathway
Antioxidant proteinsAntioxidant proteins
(e.g. GSTs, HO1)(e.g. GSTs, HO1)
AREARE
NucleusNucleus
CytoplasmCytoplasm
Small
 Maf
Nrf2
Keap1
Actin
Reactive Oxygen Species (ROS)Reactive Oxygen Species (ROS)
Activation
Dissociation
Nrf2
P
Nrf2
P
Small
 Maf
Nrf2
P
NRF-2NRF-2
Increased Nrf-2 protein & P-protein
Increased Nrf-2 in the Nucleus
Increased levels of co-Tf:   MafG
Downstream gene activation:Downstream gene activation:
mRNA …. Protein Synthesis…..
GST, HO-1, HO-2, Peroxiredoxin
ANTIOXIDANT  ENZYMESANTIOXIDANT  ENZYMES
Conclusions: FreezingConclusions: Freezing
Activation of the Nrf2 pathway: Activation of the Nrf2 pathway:
 Tissue-specific activation, along with  downstream gene protein products
Increased GST protein  and activity
Result:Result:
 Detoxification of ROS,  intracellular signaling control
DSCN2442-sm
TRANSCRIPTIONFACTORSTRANSCRIPTIONFACTORS
ATFATF (Glucose Regulated Proteins)
HIF HSF HIF (O2),  HSF (Hsp)
NFkB  (IkB-P),  NRF-1NFkB  (IkB-P),  Nrf-2 (GST),  NRF-1
PPAR,  PGC,  RXR,  chREBP,  CREB-PPPAR,  PGC,  RXR,  chREBP,  CREB-P
STAT,  SMAD,  p53-P,  HNF,  AP (1,2)STAT,  SMAD,  p53-P,  HNF,  AP (1,2)
Role :        MR, Diabetes,  Organ Preservation
DSCN3419-sm
In: Hypometabolism in Animals: Hibernation, Torpor andCryobiology (Lovegrove, B.G., and McKechnie, A.E., eds.)University of KwaZulu-Natal, Pietermaritzburg, pp. 101-108.
Upstream
TATAA
mRNA Coding Sequence
TBP
Transcription Factors
AUG
RNAPol II
AAAAA...
*
Transcription
InducibleFactors
UpstreamFactors
BasalMachinery
DownstreamFactors
Regulation of Gene TranscriptionRegulation of Gene Transcription
GENE CHIPS
TRANSCRIPTION FACTOR
PROFILING
Data LeadsData Leads
ELISAs in platesELISAs in plates
Confirm by EMSAConfirm by EMSA
Confirm byConfirm by
RT-PCR,RT-PCR,
Northern blotsNorthern blots
Tf
Downstream  genesDownstream  genes
  Protein levels
    - enzyme assay
    - antibodies : protein
    - functional analysis
       e.g. HIF  EPO 
F:\ALL my pictures unprocessed\2009_04_07\IMG_3876 copy.jpg
Where do we go from here?Where do we go from here?
 
 Novel proteins
 Novel phosphorylations
 Turning it all off  -- microRNA
 Epigenetics & adaptation
 Life span extension
 Antioxidant defense
 Cell cycle suppression
 Climate Change & Winter
  
Amazon fish net Aug 1976-sm.jpg
NEW DIRECTIONSNEW DIRECTIONS
Freeze Tolerance  Medicine:Freeze Tolerance  Medicine:
Unique Animal Stress ModelUnique Animal Stress Model
Diabetes model: resistanceto damage by high glucose
OrganCryopreservation
DSCN2284-sm
DSCN0818-sm
dayre2
dayre1
DSCN0823small
NOVEL PROTEINS:NOVEL PROTEINS:
    FR10,  FR47,  Li16    FR10,  FR47,  Li16
Novel  PhosphorylationsNovel  Phosphorylations
PP
PP
PP
PP
PiPi
Protein
Phosphatase
ATPATP
ADPADP
Protein
Kinase
DSCN2276-sm
H:\All-Photos-Most\ANIMALS\Red-eared turtle 2008\IMG_0536sm.jpg
Turning It All OffTurning It All Off
P-Biggar emerging miRNA-A.bmp
P-Ana-Epigenetics.bmp
Epigenetics in AdaptationEpigenetics in Adaptation
P-pier epi.bmp
image01.jpg
H:\All-Photos-Most\ANIMALS\Wood Frogs\Wood Frog Oct 07-5.jpg
P-Ana Forever Young.bmp
Redeared-3
Life  Span  ExtensionLife  Span  Extension
Unavoidable  Metabolic  CostsUnavoidable  Metabolic  Costs
9426f1.gif
DSCN0803-sm
P-Lant - C elegans-A.bmp
Unity through EvolutionUnity through Evolution
WWCeDWWCeD
ijbsv06p0009g03.png
H:\All-Photos-Most\ANIMALS\Hyla versicolor\Spring 2004\DSCN0899-sm.jpg
H:\All-Photos-Most\ANIMALS\Eurosta-Epiblema\Gall photos fall 2005\DSCN3054-sm.jpg
Molecular Adaptation toMolecular Adaptation to
 Climate Change: Climate Change:
Challenges for Amphibians ReptilesChallenges for Amphibians Reptiles
Freezing
 survival
Estivation
Anoxia
tolerance
DSCN0799-sm
Arizona spadefoot Sept 07-5-sm
DSCN0447-sm
H:\All-Photos-Most\ANIMALS\Painted turtles\Painted Turtles - Hatchlings\Hatchling turtles - fake nests Mar 2006\DSCN3331-flip.JPG
030_2-fix
GENE CHIPS
TRANSCRIPTION FACTOR
PROFILING
Data LeadsData Leads
ELISAs in platesELISAs in plates
Confirm by EMSAConfirm by EMSA
Confirm byConfirm by
RT-PCR,RT-PCR,
Northern blotsNorthern blots
Tf
Downstream  genesDownstream  genes
ROLE & CONTROL OF SYSTEM
Transgenics
Cell Assay
RNAi
Knock out
Epigenetics
FUNCTIONAL ASSAYS
Protein levels
  - enzyme assay
  - antibodies : protein
  - functional analysis
     e.g. HIF  EPO 
F:\ALL my pictures unprocessed\2009_01_19\IMG_3329.JPG
FREEZE TOLERANCEFREEZE TOLERANCE
J. STOREY
D. McNALLY
J. MacDONALD
T. CHURCHILL
S. GREENWAY
C. HOLDEN
S. WU
J. NILES
J. DU
A. DeCROOS
K. BIGGAR
O. AGUILAR
R. ROUFAYEL
C. BROOKS
L. ZHENHONG
Q. CAI
F. SCHUELER
S. BROOKS
B. RUBINSKY
R. BROOKS
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