MOLEKULARNE PODSTAWY STARZENIA SIĘ ORGANIZMÓW

Transkrypt

1 MOLEKULARNE PODSTAWY STARZENIA SIĘ ORGANIZMÓW Agnieszka Wojtkowiak-Giera EFEKT KOŃCOWY Po zakończeniu seminarium student powinien: zdefiniować wieloznaczność pojęcia starzenia się organizmów; przedstawić następujące teorie starzenia się organizmów: genetyczne (hipoteza mutacji spontanicznych, ograniczonej liczby podziałów komórkowych, programowanej śmierci komórek, skracania telomerów, mutacji somatycznych, katastrofy błędów Orgela), metaboliczne (zużycia i zatrucia), wolnych rodników, mitochondrialnego DNA oraz sieciowania i immunologiczną. Już od zarania dziejów problem starzenia się organizmów budził szczególne zainteresowanie człowieka. Starzenie się jest procesem biologicznym, który trudno zdefiniować jednoznacznie. Przyjmuje się kilka koncepcji starzenia się organizmów. Starzenie się to: powolne, nieodwracalne zmiany zachodzące w żywych organizmach w wyniku działania czasu, spadek żywotności organizmu ujawniający się wraz z wiekiem (procesy degeneracyjne powodujące osłabienie zdolności funkcjonalnych), suma wszystkich niekorzystnych zmian biologicznych gromadzących się w organizmie po okresie dojrzewania (procesy kataboliczne przeważają nad procesami anabolicznymi), wzrastająca z wiekiem wrażliwość organizmu na działanie czynników szkodliwych prowadząca do zachwiania homeostazy, zespół procesów zanikowych (inwolucyjnych) w narządach ciała, pojawiający się wówczas, gdy kończą się procesy wzrostowe organizmu. Jednostki chorobowe o zróżnicowanej etiologii, ale o wspólnych objawach przedwczesnej starości to zespół Wernera, zespół Hutchinsona-Gilforda, zespół Blooma, zespół Downa, zespół Cockayne a i ataksja teleangiektazja. Każda z tych chorób powodowana jest przez mutacje genowe. Charakterystyczne objawy zespołu przedwczesnego starzenia się to: siwienie włosów, brak prawidłowego przyrostu masy ciała i niski wzrost, zmarszczki, makrocefalia i niedorozwój żuchwy, odporność komórek na insulinę, nieprawidłowa struktura kolagenu, rozwój chorób wieku podeszłego (miażdżyca, osteoporoza, zaćma, nowotwory złośliwe), niedojrzałość płciowa, wysoki ton głosu. Starzenie się jest procesem uwarunkowanym wieloczynnikowo. Teorie dotyczące starzenia się organizmów mają wiele cech wspólnych i są ze sobą powiązane. 1. TEORIE GENETYCZNE A. Hipoteza mutacji spontanicznych DNA Prawidłowe białko Mutation DNA Nieprawidłowe białko Mutacje spontaniczne powstają samorzutnie w organizmach zarówno w komórkach somatycznych, jak i w gametach. Są najczęściej wynikiem błędów popełnianych w czasie replikacji DNA, albo samorzutnych modyfikacji chemicznych zasad azotowych. 1

2 B. Genetyczny zegar Teoria ograniczonej liczby podziałów komórkowych W 1963 roku dr Leonard Hayflick odkrył, że fibroblasty z płuc zarodków ludzkich w warunkach in vitro dzielą się razy, po czym dochodzi do zatrzymania mitoz. Im starszy był osobnik od którego pobrano fibroblasty, tym zdolność komórek do podziałów była niższa. Ograniczoną liczbą podziałów komórkowych cechują się także inne komórki (chondrocyty, astrocyty, keratynocyty, komórki środbłonka naczyń). Komórkami o nieograniczonej liczbie podziałów są komórki linii zarodkowej, komórki hemopoetyczne szpiku kostnego i komórki nowotworowe. Teoria Hayflick a ma związek ze zmianami zachodzącymi w materiale genetycznym komórki (teorią skracania telomerów). Teoria skracania telomerów Telomery to końcówki chromosomu ( skuwki ) występujące na jego obu końcach i wyznaczające regiony końcowe każdej chromatydy. Telomery: zabezpieczają chromosomy przed skracaniem podczas kolejnych cykli podziałowych, zawierają sekwencje powtórzone, są połączone z białkami chroniącymi DNA przed degradacją, nie są replikowane z resztą genomu, tylko na drodze enzymatycznej z udziałem telomerazy. W starzejących się fibroblastach w warunkach in vivo telomery skracają się po każdym podziale komórki o około kilkadziesiąt par zasad. W komórkach nowotworowych, mimo nieogranicznej liczby podziałów komórkowych, telomery zostają zachowane dzięki wysokiej aktywności telomerazy. Telomeraza chroni je przed skracaniem, a nawet wydłuża je. Teoria programowanej śmierci Apoptoza programowana śmierć komórki Apoptoza jest procesem genetycznie zaprogramowanym podobnie jak podziały komórkowe. Zjawisko apoptozy występuję zarówno w warunkach fizjologicznych, jak i patologicznych. Śmierć komórek odgrywa ważną rolę w homeostazie organizmu, zarówno w trakcie procesów rozwojowych (embriogeneza, morfogeneza), jak i w rozwoju pozazarodkowym. Zaburzenia homeostazy, u podstaw których leżą zjawiska proliferacji i apoptozy, wiążą się z rozwojem nowotworów i innych chorób np. choroby Alzheimera. Aktywacja programu śmierci zachodzi na drodze wewnątrzkomórkowej ale również wskutek sygnałów pochodzących ze środowiska zewnętrznego. Faza indukcji procesu apoptozy zachodzi pod wpływem różnych czynników. Po fazie indukcji następuje faza wykonawcza procesu apoptozy z udziałem enzymów proteaz serynowych (kaspaz). W wyniku tych reakcji komórka wchodzi w fazę zniszczenia objawiająca się (fragmentacją DNA, reorganizacją cytoszkieletu, zmianami na powierzchni komórki, rozpadem komórki i tworzeniem ciałek apoptotycznych). Ostatnim etapem jest fagocytoza ciałek apoptotycznych przez sąsiednie komórki bez indukcji stanu zapalnego. W wielu chorobach znaczenie mają zaburzenia przebiegu apoptozy np. w osteoporozie śmierć chondrocytów i osteocytów następuje na drodze przyspieszonej apoptozy. W chorobie Alzheimera występuje nadmierne gromadzenie się amyloidowego białka ß, które może indukować apoptozę w neuronach. Choroby związane z zahamowaniem apoptozy to np. nowotwory. 2

3 C. Ograniczenia genetyczne Teoria mutacji somatycznych W starzejących się komórkach zmienia się stopień acetylacji, fosforylacji i metylacji DNA, a także wzrasta liczba aberracji chromosomowych oraz nienaprawionych mutacji genowych. Gromadzące się z upływem czasu mutacje prowadzą do zmian w ekspresji wielu genów i obniżenia zdolności DNA do replikacji. Zmiany te mogą prowadzić do rozwoju nowotworów (białaczki, nowotworów skóry i płuc). Istnieje dodatnia korelacja pomiędzy długowiecznością a aktywnością naprawiania uszkodzonego DNA. Ssaki długo żyjące mają bardziej skuteczny układ enzymów systemów naprawy DNA niż zwierzęta krótko żyjące. Prawdopodobnie mechanizmy naprawy DNA w starych komórkach funkcjonują mniej sprawnie. Teoria katastrofy błędów Orgela Teoria Orgela uzasadnia związek pomiędzy zaburzeniami w przekazywaniu informacji genetycznej a procesami starzenia się. Przepływ informacji genetycznej nie zachodzi z absolutną dokładnością, a błędy w strukturze białek enzymatycznych i regulacyjnych prowadzą do ich wadliwego funkcjonowania. Związane to jest z narastaniem w komórkach błędów w syntezie białek, które przekraczają możliwości naprawy i prowadzą do zaburzeń funkcji komórki, a następnie do śmierci komórki. Ponadto, polimeraza DNA popełnia w czasie replikacji DNA znacznie więcej błędów w starszych komórkach niż w komórkach młodych. 2. TEORIE METABOLICZNE Teoria zużycia Według teorii zużycia (Rubnera) długość życia koreluje ujemnie z tempem przemiany materii - im szybsza przemiana materii, tym krótsze życie, np. ryjówka zużywająca duże ilości tlenu na 1 kg masy ciała (ok. 750 uderzeń serca na minutę), żyje tylko półtora roku, a słoń który ma 30 razy niższy metabolizm żyje średnio 80 lat. Również obniżenie temperatury środowiska zwierząt zmiennocieplnych przedłuża ich życie. Także zwierzęta stałocieplne w hibernacji mają obniżony metabolizm, a procesy starzenia zachodzą u nich znacznie wolniej. Teoria zatrucia Wraz z wiekiem w komórkach nie dzielących się gromadzi się żółtobrunatna substancja lipofuscyna. Lipofuscyna jest barwnikiem tłuszczowym z grupy ceroidów, odkładanych wewnątrz lizosomów w komórkach nerwowych, tłuszczowych, hepatocytach i kardiomocytach. Lipofuscyna jest wskaźnikiem procesów starzenia się organizmów. Ilość lipofuscyny świadczy o intensywności wytwarzania w komórkach wolnych rodników i obniżonej zdolności ich neutralizowania na drodze enzymatycznej lub też za pomocą drobnocząsteczkowych antyoksydantów (np.: witamina C, witamina E, glutation). Do teorii zatrucia należy teoria Miecznikowa mówiąca o zatruwaniu organizmu przez toksyny bakteryjne. 3. TEORIA WOLNORODNIKOWA W 1960 roku D. Harman ogłosił teorie wolnorodnikową. Wolne rodniki powodują uszkodzenia na poziomie metabolicznym (lipidy, kwasy tłuszczowe, kwasy nukleinowe, aminokwasy, białka) i poziomie komórkowym (uszkodzenie błon, utraty funkcji, uszkodzenie DNA), co w konsekwencji prowadzi do śmierci komórek. Istnieją systemy ochrony komórki przed działaniem wolnych rodników: katalaza, peroksydaza glutationowa, dysmutaza ponadtlenkowa 3

4 glutation, witaminy C i E, magnez, selen, cynk, flawonoidy, ß- karoteny, retinol i kwas moczowy Mechanizmy chroniące komórki przed wolnymi rodnikami w miarę starzenia się organizmów działają coraz mniej sprawnie. Potwierdzają to następujące sytuacje: ujemna korelacja pomiędzy ekspozycją organizmu na działanie promieni jonizujących a długością życia tego organizmu; dodatnia korelacja pomiędzy aktywnością dysmutazy ponadtlenkowej a długością życia organizmu; wzrost z wiekiem ilości lipofuscyny jako wskaźnika intensywności procesów peroksydacji w komórce, wzrost wraz z wiekiem ilości wydalanego z moczem glikolu tyminy (powstającego w reakcji pomiędzy rodnikiem hydroksylowym a tyminą w DNA). Wolne rodniki mogą być przyczyną starzenia się organizmów oraz wielu chorób (np. choroby Parkinsona, nowotworów, cukrzycy, zaćmy). 4. TEORIA MUTACJI MITOCHONDRIALNEGO DNA Mitochondrialny DNA wykazuje wyższą częstotliwość mutacji (nawet 10-krotnie) od DNA jądrowej- ponieważ w mitochondriach brak enzymów systemów naprawczych DNA oraz histonów. Działanie wolnych rodników tlenowych na mitochondrialny DNA jest przyczyną: postępującego z wiekiem obniżenia wydolności energetycznej mitochondrium, zmniejszającej się z wiekiem liczby komórek OUN i mięśniowych, postępującej z wiekiem liczby mutacji somatycznych w mtdna. Chorobami związanymi z mutacjami w mitochondrialnym genomie człowieka są: neuropatie (uszkodzenia nerwów), encefalopatie (uszkodzenia mózgu), miopatie (uszkodzenia mięśni prowadzące do osłabienia ich siły). 5. TEORIE DODATKOWE Teoria sieciowania Proces sieciowania cross-linking to zwiększenie się liczby dodatkowych wiązań poprzecznych we wszystkich molekułach o długim okresie półtrwania wraz z wiekiem organizmu. Czynnikami odpowiedzialnymi za powstanie takich wiązań są wolne rodniki tlenowe powstające w mitochondriach i produkty peroksydacji lipidów. Sieciowaniu ulegają białka, a także kwasy nukleinowe, co prowadzi do obniżenia ich wartości funkcjonalnej, zmniejszenia elastyczności, upośledzenia transportu komórkowego i zmniejszenia albo zahamowania procesu replikacji DNA. Teoria immunologiczna Teoria immunologiczna zakłada, że przyczyną starzenia się jest postępująca z wiekiem obniżona czynność układu immunologicznego. U ludzi starszych coraz gorzej funkcjonują mechanizmy odpowiedzi immunologicznej zarówno (humoralnej i komórkowej). W starzejących się organizmach występują: białka o zmienionej strukturze (organizm traktuje takie białka jak obce antygeny), częste mutacje genów w limfocytach B i T co doprowadza do upośledzenia funkcji tych komórek, nasilone reakcje autoimmunologiczne (zmiany degeneracyjne narządów i choroby związane z starzeniem się organizmów), nowotwory na skutek obniżonej eliminacji komórek zmienionych antygenowo, 4

5 obniżone reakcje na działanie czynników mitogennych (niewydolność układu immunologicznego i zwiększona wrażliwość organizmu na czynniki infekcyjne). Przykłady chorób autoimmunizacyjnych: stwardnienie rozsiane, toczeń układowy rumieniowaty, reumatoidalne zapalenie stawów, łysienie plackowate, bielactwo, pęcherzyca zwykła. 1. Podstawy genetyki G. Drewa i T. Ferenc (2003) Zalecane piśmiennictwo: 2. Immunologia J. Gołąb, M. Jakóbisiak, W. Lasek (2002) 3. Wielki słownik medyczny Wydawnictwo lekarskie PZWL (1996) 4. The role of mitochondrial superoxide Anion (O 2 - ) on Physiological Aging in C57BL/6J Mice. M. Miyazawa, T. Ishii, K. Yasuda, S. Noda, H. Onouchi, P. S. Hartmann, N. Ishii, J. Radiat. Res., 50, (2009) 5. Metallothionein and the biology of aging. W.R. Swindell, Ageing Research Reviews, 10, (2011) 6. How does Proliferative Homeostasia change with age? What causes it and how does it contribute to aging? J. Campisi and J. Sedivy, Journal of Gerontology; Biological Sciences, 64A, (2009) 7. The molecular basis of aging. G.A. Garinis, Ch.K. Patil, B. Schumacher, Mechanisms of Ageing an Development, 128, (2007) 8. Resistance to age-dependent thymic atrophy in long lived mice that are deficient in pregnancy-associated plasma protein A. A.N. Vallejo, J.J. Michel, L.K. Bale, Ch.A. Conover, PNAS, 106, (2009) 9. Gene-expression profile of the ageing brain in mice. C.K. Lee, T.A. Proll, R. Weindruch, Nature Genetics, 25, (2000) 10. A some to- gemline transformation in long lived Caenorhabditis elegans mutations. S.P. Curran, X. Wu, Ch.G. Riedel, G. Ruvkun, Nature, 459, (2009) 11. Increasing p16 INK4a expression decrease forebrain progenitors and neurgenes during ageing. AV. Molofsky, S.G. Slutsky, N.M. Joseph, S. He, R. Pardal, J. Krishnamurthy, N.E. Sharpless, S. J. Morrison, Nature, 443, (2006) 12. Rapamycin fed late in life extends in genetically heterogeneous mice. Harrison DE, Strong R et al., Nature 460, (2009) 13. A review and appraisal of the DNA damage theory of ageing. Freitas AA, de Magalhaes JP, Mutat Res. 728, (2011) 5