Longevity factors differentially regulate learning and memory / Los factores de longevidad regulan diferencialmente el aprendizaje y la memoria

The molecular mechanisms involved in age-dependent cognitive decline are still unclear. Although different longevity factors have been described to extend life span and promote youthfulness in worms and other organisms, little is known of their effect on cognitive abilities. In order to address this question Kauffman et al., (2010) designed a Pavlovian appetitive associative learning and memory assay in the worm C. elegans, using the AWC neuron-sensed odorant butanone, which elicits a small chemotactic response. Wild type worms where starved for approximately one hour, and then placed on a plate containing both food and butanone (“massed” training). Afterwards the worms where tested for butanone attraction on a plate containing the chemoattractant but no food. After a single massed training, WT worms exhibited an increase in chemotaxis to butanone, which was saturated after 30 min of training. To assess the duration of short-term associative memory (STAM), after a single training session, worms where held for variable intervals on a plate containing only food and then tested for their attraction to butanone. The association of food-butanone was lost completely after two hours.

Using a “spaced training” paradigm, worms were starved between trainings and then passed onto a plate with food but no butanone. Long-term associative memory (LTAM) was assessed by testing the chemotactic response to butanone 16 h after spaced training. A similar response to the one seen immediately after conditioning was detected 16h later following seven training blocks. Protein synthesis inhibition with cycloheximide treatment or cold shock, as well as transcriptional inhibition with actinomycin D or CREB mutation, all abrogated LTAM. Conversely, overexpression of CREB increased the duration of LTAM and reduced the number of trainings needed to achieve it. All this demonstrates that similar molecular mechanisms underlay LTAM in higher organisms and worms.

Whilst WT worm motility and chemotaxis remained constant with age, learning and memory abilities decreased drastically. It was shown that LTAM declined much faster than all other cognitive abilities, suggesting that different molecular mechanisms of learning and memory are differentially affected by aging.

Young daf-2 (insulin/IGF-1 receptor) adults, which are long-lived mutants, had normal motility, chemotaxis and learning but showed an increase in STAM and LTAM. In contrast, eat-2 mutants, which ingest food poorly and thus mimic dietary restriction, displayed normal motility, chemotaxis learning and STAM, but preformed poorly in LTAM essays. However, with age, daf-2 mutants retained their extended STAM and massed learning functions but lost their LTAM at the same rate as wild type. In comparison, eat-2 mutants maintained both STAM and LTAM, despite the fact that the latter was initially impaired.

Interestingly, CREB expression levels correlated with LTAM performance in both wild type and mutants, making it a good indicator for LTAM function. This study demonstrates that longevity genes differentially regulate cognitive abilities and that, despite the integrity of neuronal cell structure, C. elegans displays a pronounced decline in memory with age.

Los mecanismos moleculares involucrados en el deterioro cognitivo asociado a la edad son poco claros. Aunque distintos factores de longevidad han sido descritos como extensores de la esperanza de vida y promotores de un fenotipo joven en gusanos y otros organismos, poco se sabe sobre el efecto en las habilidades cognitivas. Para contestar esta interrogante Kauffman et al., (2010) diseñaron una prueba de aprendizaje y memoria asociativa apetitiva Pavloviana en el gusano C. elegans, utilizando el odorante Butanona, el cual es detectado por las neuronas AWC y produce sólo una pequeña respuesta quimiotáctica. Los gusanos tipo silvestre fueron privados de comida durante una hora aproximadamente y luego colocados en un plato con butanona y comida (“entrenamiento masivo”). Posteriormente los gusanos fueron examinados para su atracción a butanona sobre un plato que contenía el quimioatractante pero no la comida. Después de un sólo entrenamiento los gusanos WT mostraron un incremento en la respuesta quimiotáctica a butanona, la cual se vio saturada después de 30 min de entrenamiento. Para evaluar la duración de la memoria asociativa a corto plazo (STAM), después de una sola sesión de entrenamiento, los gusanos fueron puestos durante intervalos variables en un plato con comida solamente y posteriormente evaluados para su atracción a butanona. La asociación comida–butanona se perdió totalmente después de dos horas.

Utilizando un paradigma de “entrenamiento espaciado”, los gusanos fueron privados de comida entre cada entrenamiento y luego transferidos a un plato con comida pero sin butanona. La memoria asociativa a largo plazo (LTAM) fue evaluada mediante la medición de la respuesta quimiotáctica a butanona después de 16h del entrenamiento espaciado. Una respuesta similar a la observada inmediatamente después del condicionamiento fue detectada 16h después de 7 bloques de entrenamiento. La inhibición de la síntesis de proteína con un tratamiento de cicloheximida o choque frío, así como la inhibición transcripcional con actinomicina D o mutación de CREB, todos anularon la LTAM. Por otro lado, la sobreexpresión de CREB incrementó la duración de la LTAM y redujo el número de entrenamientos necesarios para obtenerla. Todo esto demuestra que los mecanismos moleculares que subyacen a la LTAM son similares en gusanos y organismos superiores.

Mientras la motilidad y quimiotaxis de los gusanos WT permanecieron constantes con la edad, las habilidades de aprendizaje y memoria disminuyeron drásticamente. Se mostró que la LTAM disminuyó mucho más rápido que el resto de las habilidades cognitivas, sugiriendo que los distintos mecanismos moleculares de aprendizaje y memoria son afectados diferencialmente por el envejecimiento.

Los adultos daf-2 (receptor de insulina/IGF-1) jóvenes, los cuales son mutantes longevos, mostraron una motilidad, quimiotaxis y aprendizaje normal, pero presentaron un incremento en la STAM y LTAM. En contraste, los mutantes eat-2, los cuales ingieren comida pobremente y por lo tanto simulan una restricción dietética, mostraron una motilidad, quimiotaxis, aprendizaje y STAM normal, pero se desempeñaron deficientemente en las pruebas de LATM. Sin embargo, con la edad, los mutantes daf-2 conservaron su STAM extendida y aprendizaje masivo, pero perdieron su LTAM a la misma tasa que los WT. En contraste, los mutantes eat-2 conservaron ambas STAM y LTAM.

Otro dato interesante es que los niveles de expresión de CREB se correlacionan con el desempeño de la LTAM, convirtiéndolo en un buen indicador para la función de LTAM. Este estudio demuestra que los genes de longevidad regulan diferencialmente las habilidades cognitivas y que, a pesar de la integridad de la estructura de las neuronas, C. elegans muestra un decremento pronunciado en la memoria con la edad.

Kauffman, A. L., Ashraf, J. M., Corces-Zimmerman, M. R., Landis, J. N., & Murphy, C. T. (2010). Insulin signaling and dietary restriction differentially influence the decline of learning and memory with age. PLoS Biol , 8 (5), e1000372+.

URL http://dx.doi.org/10.1371/journal.pbio.1000372

The C. elegans daf-2 longevity gene / El gen de longevidad daf-2 de C. elegans

Cynthia Kenyon from the University of California, San Francisco describes in this video the rationale that led her to discovery that the mutation in daf-2 double the life span of the worm C. elegans

Kenyon de la Universidad de California, San Francisco describe en este video el fundamento científico que la llevo a descubrir que la mutación en daf-2 duplica la esperanza de vida del gusano C. elegans

2010 Harvard-Glenn Aging Symposium Talks / Pláticas del Simposio Harvard-Glenn sobre Envejecimiento 2010

The following eight talks were presented on the 5th annual Harvard/Paul F. Glenn Symposium

Elaine Fuchs, Rebecca C. Lancefield Professor in Mammalian Cell Biology and Development at The Rockefeller University and, Howard Hughes Medical Institute Investigator, talked about the molecular mechanisms underlying skin stem cells differentiation and how they are modified with aging.

Li-Huei Tsai, Picower Professor of Neuroscience, MIT and director of the Picower Institute for Learning and Memory (PILM) talked about longevity pathways preventing neurodegeneration. She showed novel behavioral and electrophysiological data of SIRT1 brain specific knockout mice and described the molecular mechanism underlying this phenotype, which involves micro-RNA dependent regulation of CREB and consequently of BDNF. We will see this work published soon.

Wade Harper, B. and N. Valle Professor of Molecular Pathology at Harvard Medical School presented an engaging talk about the human autophagy system that his team has been devoted on dissecting it. They use a cutting edge integrative proteomic approach which allows the study of proteome interactions or interactoma. through the application of CompPASS, a software which uses unbiased metrics to assign confidence measurements to interactions from parallel nonreciprocal proteomic data sets. Specifically his is using this approach to understand the dynamics of the human autophagosome, a regulatory system organelle homeostasis thus playing a central role on aging and age-related diseases.

Pinchas Cohen, Professor and Chief of Pediatric Diabetes and Endocrinology at

UCLA, spoke about the world of mitochondrial peptides. Humanin, a 24-amino-acid bioactive peptide evolutionarily conserved and transcribed from an open reading frame within the mitochondrial 16S ribosomal, is present in different tissues including brain, testis, colon, pancreas, heart kidney and ovary. It regulates age-related processes including cell survival, neuroprotection, inflammation and insulin resistance.

Gerald Shulman, George R. Cowgill Professor of Physiological Chemistry Medicine and Cellular & Molecular Physiology at Yale University and Howard Hughes Medical Institute Investigator, talked about reactive oxygen species, mitochondrial function and diabetes. He explained the used of magnetic resonance spectroscopy (MRS) to non-invasively examine intracellular glucose and fat metabolism in humans.

Raul Motosloavsky, Assistant Professor of Medicine at the Massachusetts General Hospital Cancer Center-Harvard Medical School gave a talk about sirtuins regulating metabolism. SIRT6 knockout mice experience lethal hypoglycemia, which leads to mouse early dead at 25 days old. Dr. Mostoslavsky described how this phenotype led his team to further analyze the role of SIRT6 in glucose homeostasis, and find a novel and singular function of this constitutively chromatin located sirtuin in preserving glucose homeostasis throughout regulating gene transcription. Currently Mostoslavsky team is pursuing further how this sirtuin is posttranslational regulated, as well as studying its role in chromatin dynamic.

Gary Ruvkun, Professor of Genetics at Harvard Medical School, presented a talk about xenobiotic detection and the control of life span in the worm C. elegans.

Alexander Meissner, Assistant Professor of Stem Cell and Regenerative Biology at Harvard Medical School and Co-Director of the Broad Institute Reference Epigenome Mapping Center, gave a talk about epigenetics, stem cells and aging. He showed the application of high-throughput bisulfite sequencing technologies for DNA methylation analysis.

Pláticas del Simposio Harvard-Glenn sobre Envejecimiento 2010

Las siguientes ocho pláticas se presentaron en el Quinto Simposio Anual Harvard/Paul F. Glenn.

Elaine Fuchs, Profesora en Biología Celular de Mamíferos y Desarrollo Rebecca Lancefield C. en Rockefeller University e investigador del Howard Hughes Medical Institute, habló sobre los mecanismos moleculares que subyacen a la diferenciación de las células madre de la piel y cómo se modifican con el envejecimiento.

Li-Huei Tsai, Profesora de Neurociencias Picower del MIT y director del PILM (Instituto Picower para el Aprendizaje y la Memoria) habló sobre las vías de longevidad que previenen la neurodegeneración. Mostró datos nuevos de comportamiento y electrofisiología de ratones knock-out de SIRT1 en el cerebro y describieron el mecanismo molecular que subyace a esta fenotipo, lo que implica la regulación de micro-ARN dependiente de CREB y por consiguiente de BDNF. Este trabajo lo veremos publicado proximamente.

Wade Harper, Profesor de Patología Molecular B. y N. Valle en Harvard Medical School presentó una charla atractiva sobre el sistema de autofagia humano, el cual su equipo se ha dedicado a estudiar en detalle. Ellos utilizan un enfoque integrador de vanguardia, la proteómica que permite el estudio del interactoma o interacciones del proteoma mediante la aplicación de CompPASS, un software que utiliza métricas imparciales para asignar las medidas de confianza a las interacciones de conjuntos proteómicos de datos no recíprocos paralelos. En particular, utilizan este enfoque para comprender la dinámica del autophagosome humano, un sistema regulador de la homeostasis de los organelos, lo cual desempeña un papel central en el envejecimiento y las enfermedades relacionadas con la edad.

Pinchas Cohen, Profesor y Jefe de Diabetes Pediátrica y Endocrinología en la

UCLA, habló sobre el mundo de los péptidos mitocondriales. La humanin, un péptido bioactivo de 24 aminoácidos conservado evolutivamente y transcrito a partir de un marco de lectura abierta contenido en el gen 16S ribosomal mitocondrial, está presente en diferentes tejidos como el cerebro, testículo, colon, páncreas, riñón, ovario y corazón. Este regula los procesos relacionados con la edad incluyendo la supervivencia celular, neuroprotección, inflamación y resistencia a la insulina.

Gerald Shulman, Profesor de Química Fisiológica, Medicina Celular y Fisiología Molecular George R. Cowgill en Yale University e investigador del Howard Hughes Medical Institute, habló acerca de las especies reactivas de oxígeno, la función mitocondrial y la diabetes. Explicó la aplicación de la resonancia magnética con espectroscopia (MRS) para examinar de forma no invasiva de la glucosa intracelular y metabolismo de las grasas en los seres humanos.

Raúl Motosloavsky, Profesor Asistente de Medicina en el Massachusetts General Hospital Cancer Center, Harvard Medical School, dió una charla sobre la regulación del metabolismo por las sirtuinas. Los ratones knock-out en SIRT6 desarrollan hipoglucemia letal, lo que conduce su muerte a los 25 días de edad. Dr. Mostoslavsky describió cómo este fenotipo llevó a su equipo a analizar más a fondo el papel de la homeostasis de la glucosa en SIRT6 y a encontrar una función nueva y singular de esta sirtuina localizada en la cromatina, en la preservación de la homeostasis de la glucosa a través de regulación de la transcripción génica. Actualmente el equipo de Mostoslavsky está estudiando más a fondo la regulación postraduccional de esta sirtuina, así como su papel en la dinámica de la cromatina.

Gary Ruvkun, Profesor de Genética en Harvard Medical School, presentó una conferencia acerca de la detección de xenobióticos y el control de duración de la vida en el gusano C. elegans.

Alexander Meissner, Profesor Asistente de Células Madre y Biología Regenerativa de Harvard Medical School y Co-Director del Broad Institute Reference Epigenome Mapping Center, dió una charla sobre la epigenética, células madre y el envejecimiento. Mostró la aplicación de las tecnologías de secuenciación de bisulfito de alto-rendimiento para el análisis de la metilación del ADN.

The Harvard-Paul F. Glenn Symposium on Aging/El Simposio sobre Envejecimiento Harvard-Paul F. Glenn

The 5th annual Harvard/Paul F. Glenn Symposium on aging will be held on Monday, June 21, 2010, with the purpose of stimulating collaborative research and informing the broader research community about the most pervading topics and recent developments in the ever growing and ever-more copious field of biogerontology. Eight leading researchers from different fields will be speaking at these symposium. For more information visit Glenn symposium, and follow @ging since we will discuss soon some of the relevant information presented in the symposium.

El quinto simposio anual de Harvard/Paul F. Glenn sobre el tema de envejecimiento se llevará a cabo el lunes, 21 de junio, del 2010, con el propósito de estimular nuevas colaboraciones e informar al resto de la comunidad científica sobre los temas más importantes y los avances más recientes en el campo de la biogerontología. Ocho investigadores líderes en el área de envejecimiento expondrán su trabajo en el simposio y contarán con un público que no se limita a los confines de la universidad de Harvard, sino que incluye a investigadores de toda la nación estadounidense. Para más información sobre el simposio visite la página Glenn symposium y mantengase al pendiente de @ging, ya que pronto discutiremos la información mas relevante presentada en el simposio.