Mechanizmy starzenia komórki Wykład 14
Starzenie To zmniejszenie zdolności do odpowiedzi na stres środowiskowy, które pojawia się w organizmach wraz z upływem czasu; naturalne i nieodwracalne nagromadzenie się uszkodzeń wewnątrzkomórkowych, przerastające zdolności organizmu do samonaprawy. Proces starzenia można rozpatrywać na poziomie: - cząsteczek białek/lipidów/dna - komórek - organów/całych organizmów Choroby wieku podeszłego (artretyzm, osteoporoza, choroby serca, nowotwory, choroba Alzheimera) to nie to samo co sam proces starzenia; ale uszkodzenia wynikające ze starzenia zwiększają ryzyko zachorowania na te choroby, a tym samym i śmierci
Objawy starzenia Osłabienie słuchu Katarakta Osłabienie smaku (słony i gorzki) Utrata zębów Siwienie włosów Nie wszystkie objawy starzenia powodują zwiększenie prawdopodobieństwa śmierci Wzrost poziomu przeciwciał Płytki sen Zmniejszona neurogeneza w hipokampie Zmniejszona czułość komórek na hormony i czynniki wzrostowe (mniej receptorów, dysfunkcja szlaków przekazujących sygnały, np. starsi potrzebują dwa razy więcej insuliny niż młodzi, aby uzyskać taki sam pobór glukozy do komórki oporność na insulinę)
Podstawowe pojęcia związane z długością życia Chronologiczny czas życia od urodzenia do śmierci Replikacyjny czas życia liczba cykli replikacyjnych/podziałów do jakich jest zdolna komórka w czasie swojego życia Średni czas życia wynika głównie z warunków życia i możliwości utraty życia w wyniku przypadku Maksymalny czas życia wynika bezpośrednio z szybkości procesów starzenia
Maksymalny chronologiczny czas życia różnych gatunków zwierząt
Limit Hayflick a wskazuje, że każda komórka ma także maksymalny wiek replikacyjny Hayflick stwierdził, że ludzkie fibroblasty w hodowli dzielą się maksymalnie 50 razy Eksperymenty, w których przeszczepiano stare komórki na młody organizm wskazały, że zdolność do liczby podziałów jest cechą wewnętrzna komórki i nie ma znaczenia wpływ młodego organizmu U większości zwierząt istnieje pozytywna korelacja między maksymalną chronologiczną długością życia, a maksymalną liczbą podziałów komórek (komórki mysie 11 podziałów/3 lata; żółw olbrzymi 130 podziałów/175 lat) Komórki od pacjentów z progerią Wernera zdolne są do maksymalnie 10-ciu podziałów
Mechanizm starzenia? Wczesne teorie wskazywały na istnienie genów śmierci ( death gene ) lub genów starzenia, które by indukowały w pewnym momencie starzenie i śmierć komórki; do tej pory nie zidentyfikowano takich genów Obecnie uważa się, że starzenie wynika z osłabienia mechanizmów zapewniających długowieczność; jest wynikiem różnego typu uszkodzeń w komórce, które akumulują się w czasie z powodu niesprawnych/mniej aktywnych mechanizmów samonaprawy
Teorie starzenia Teorie ewolucyjne Telomerowa teoria starzenia Teoria mutacji genowych i osłabionej naprawy DNA Teoria wolnorodnikowa Teoria glikacji białek Teoria akumulacji odpadów w komórce Teoria immunologiczna Teoria hormonalna
Ewolucyjne teorie starzenia starzenie jako efekt uboczny procesów zapewniających ciągłość gatunku Starzenie jako adaptacja: starzenie jako cecha przystosowawcza wynikającą z potrzeby zrobienia miejsca dla młodych osobników Antagonistyczna plejotropia: starzenie wynika z akumulacji mutacji, które dają większą rozrodczość w młodym wieku, ale wpływają niekorzystnie na organizm w wieku starszym; znane są przykłady takich mutacji u C. elegans i muszki owocowej Disposable soma: każdy organizm ma ograniczoną ilość energii, którą może całkowicie poświęcić na utrzymywanie zdrowej komórki (długowieczność), ale wszystkie organizmy muszą się rozmnażać i dużo energii na to jest zużywane, a na tym z kolei cierpi sama komórka, która akumuluje uszkodzenia, co objawia się starzeniem
Struktura telomerów 2-20 kb: (TTAGGG) n Ludzkie telomery zawierają do 2000 powtórzeń sekwencji 5' TTAGGG 3 5'...TTAGGG TTAGGG TTAGGG TTAGGG TTAGGG TTAGGG..3' 3'...AATCCC AATCCC AATCCC AATCCC AATCCC AATCCC..5'
Skracanie telomerów
Krótkie telomery aktywują odpowiedź na uszkodzenia DNA i komórka wchodzi w stan senescencji stałe zatrzymanie w fazie G1; jeśli nie ma np. p53 następuje niestabilność genomowa, co może spowodować nowotwór, jeśli nie nastąpi apoptoza
Telomeraza odwrotna transryptaza przeciwdziała skracaniu telomerów; jest aktywna w komórkach zarodkowych, macierzystych i rakowych u człowieka, ale u myszy także w komórkach somatycznych
Telomerowa teoria starzenia Im starsze komórki tym krótsze telomery W progeriach obserwuje się szybszą utratę telomerów Myszy pozbawione telomerazy wykazują przedwczesne starzenie, ale jednocześnie normalne myszy nie wykazują skracania telomerów i nie są długowieczne Krótkie telomery sprzyjają otyłości i oporności na insulinę Stres skraca telomery!!! Telomery są bardzie podatne na uszkodzenia oksydacyjne niż pozostałe fragmenty chromosomów Skracanie telomerów może być objawem starzenia a nie przyczyną starzenia u ludzi
Teoria mutacji genowych i osłabionej naprawy DNA Z wiekiem obserwuje się nagromadzanie mutacji (starzenie DNA), które mogą prowadzić do zmian funkcji białek Z wiekiem spada też wydajność naprawy DNA, co prowadzi do akumulacji mutacji Istnieje korelacja między długością życia gatunku a sprawnością systemów naprawy DNA Prawie wszystkie znane choroby charakteryzujące się przyspieszonym starzeniem spowodowane są mutacjami w genach związanych z naprawą DNA, ochroną telomerów czy całego DNA
Choroby przedwczesnego starzenia Choroba / gen / maksymalny czas życia Syndrom Wernera / helikaza WRN / 48 lat Syndom Cockayne a / CSB i CSA / 20 lat Syndrom Blooma / BLM / 28 lat Uszkodzony proces Naprawa DNA (HR, NHEJ), replikacja DNA, metabolizm telomerów, apoptoza Naprawa DNA (BER, NER) Naprawa DNA Objawy siwienie, katarakta, arterioskleroza, osteoporoza, cukrzyca, atrofia skóry, przyspieszona senescencja neurodegeneracja, katarakta, arterioskleroza, osteoporoza, cukrzyca, nowotwory, cukrzyca, katarakta Syndrom Hutchinsona- Gilforda / LMNA /12 lat Struktura jądra, transkrypcja arterioskleroza, osteoporoza, atrofia mięśni
Teoria wolnorodnikowa Postępująca niewydolność molekularnych mechanizmów chroniących przed wolnymi rodnikami powstającymi stale w komórkach organizmu, mogą być kolejnym czynnikiem przyspieszającym starzenie. Reaktywne formy tlenu (ROS) uszkadzają DNA, białka i lipidy; z wiekiem uszkodzenia się nagromadzają, gdyż systemy samonaprawy słabiej działają; ten mechanizm może mieć znaczenie dla chronologicznego czasu życia komórki Nadekspresja genu SOD1 kodującego dysmutazę nadtlenkową zwiększa długość życia u muszki, ale delecja tego genu z kolei nie skraca życia Mutant myszy z przyspieszoną akumulacją mutacji mitochondrialnych wykazuje objawy przyspieszonego starzenia (ROS uszkadzające DNA mitochondrialne) mitochondrialna teoria starzenia Stwierdzono też w badaniach na dużą skalę, że podawanie antyoksydantów (np. witaminy E) nie wpływa na długość życia; niekoniecznie musi to być dowód przeciwko tej teorii, gdyż po prostu zewnętrzne podawanie antyoksydantów nie musi mieć przełożenia bezpośrednio na metabolizm ROS w komórce
Teoria glikacji białek Glikacja białek - proces nieenzymatycznego przyłączania się heksoz, głównie glukozy, do wolnych grup aminowych białek. Jest fizjologicznym procesem determinującym ich starzenie. Spontaniczna reakcja cukru z białkami tkanek, takimi jak: kolagen i mielina, prowadzi do wcześniejszego starzenia się tkanek u cukrzyków. Przypuszcza się, że ten proces jest odpowiedzialny za powikłania cukrzycowe, takie jak: uszkodzenie nerek, polineuropatia i retinopatia, jak również przedwczesną miażdżycę.
Teoria akumulacji odpadów w komórce Nagromadzanie żółto-brązowego barwnika lipofuscyny wraz z wiekiem (nierozpuszczalne agregaty białek i lipidów, które nie są degradowane); są efektem obniżenia aktywności lizosomów; lipofuscyna może stanowić nawet 30% objętości cytoplazmy;
Immunologiczna teoria starzenia Wiele aspektów starzenia może być spowodowane zmniejszającą się zdolnością układu immunologicznego do odróżniania własnych komórek od obcych; do tego dochodzi zmniejszająca się zdolność do usuwania komórek obcych i rakowych; ogólny spadek odporności Z wiekiem rozwija się chroniczna odpowiedź zapalna, która sprzyja rozwijaniu się wielu chorób wieku podeszłego
Geny długowieczności u C. elegans Larwa dauer stan normalny, kiedy brakuje jedzenia; charakt. się brakiem odżywiania i rozmnażania, jest bardzo odporna na stres
Zablokowanie drogi sygnalnej zależnej od IGF-1 prowadzi długowieczności u C. elegans mutacje age-1 i daf-2 powodują stan dauer lub tylko osłabienie drogi sygnalnej IGF-1, co skutkuje długowiecznością DAF-2: receptor insulinowy/igf-1 PI3K: kinaza 3-fosfatydyloinozytolu Ptdlns(4,5)P 2 : bisfosforan PI3K PDK1: kinaza zależna od PI3K Aktywacja naprawy DNA Zatrzymanie podziałów Produkcja enzymów antyoksydacyjnych Zahamowanie rozmnażania FOXO u ludzi
Geny długowieczności u ssaków Niski poziom hormonu wzrostu (GH), a także czynnika wzrostu podobnego do insuliny IGF-1 (jego ekspresja i sekrecja indukowana jest przez GH), osłabienie drogi sygnalnej zależnej od IGF-1, czy też utrata receptora dla insuliny lub IGF-1 wydłużają życie u myszy od 18% do 60% Inne przykłady: liczne mutanty myszy typu dwarf (karzeł) są długowieczne; fibroblasty z tych mutantów wykazują dużo wyższą oporność na różne czynniki stresowe stulatkowie mają niski poziom IGF-1 oraz wysoką wrażliwość na insulinę karły nieleczone hormonem wzrostu żyją dłużej, ale szybsze objawy starzenia (obniżający się z wiekiem poziom GH wpływa na spadek masy mięśniowej, powoduje osteoporozę i wzrost ilości tkanki tłuszczowej) osoby cierpiące na gigantyzm żyją krócej duże rasy psów (wysoki poziom IGF-1) żyją krócej, częściej chorują na nowotwory od ras małych
Dwie kluczowe obserwacje doprowadziły do poznania molekularnego mechanizmu starzenia się drożdży Komórki potomne dziedziczą stary wiek komórek macierzystych Izolacja czterech mutacji youth (uth1 do uth4 ) przedłużających życie replikacyjne drożdży; trzy z nich znajdują się w genach regulujących powstawanie cichej heterochromatyny poprzez deacetylację histonów; wzrost aktywności białka Sir2 jest potrzebny do wydłużenia replikacyjnego czasu życia; brak białka Sir2 skraca życie drożdży
Akumulacja kolistych cząsteczek rdna prowadzi do replikacyjnej śmierci drożdży Sir2 Stabilność rdna Długowieczność
Białka typu Sir2 u wyższych organizmów (syrtuiny u ssaków) deacetylują również wiele innych białek i wydłużają życie przez aktywację mechanizmów komórkowej samonaprawy Sir2 u C. elegans deaktywuje receptor IGF-1, a nadekspresja tego genu wydłuża życie o 50% Wprowadzenie 4 kopii genu SIR2 u muszki Drosophila melanogaster wydłuża życie o 57% U ssaków wydłużanie życia przez dietę niskokaloryczną związane jest z aktywacją syrtuin
Sposoby na przedłużenie życia Inhibitory drogi sygnalnej regulowanej przez IGF-1 Metformina: lek na cukrzycę typu drugiego, zwiększa wrażliwość komórek na insulinę, obniża poziom cukru we krwi przez hamowanie glukoneogenezy w wątrobie Dieta niskokaloryczna (restrykcja kaloryczna)
Dieta niskokaloryczna (calorie restriction) Jedyną udowodnioną metodą przedłużającą życie różnych organizmów, w tym ssaków, jest ograniczenie kalorii w diecie o 30-50%. Przez ograniczenie kalorii rozumiemy dietę, w której znacząco zmniejszona jest wartość energetyczna pożywienia, ale dostarczone są wszystkie niezbędne mikro- i makroelementy, witaminy oraz inne składniki odżywcze.
Wpływ diety niskokalorycznej na długość życia odkryto u szczurów w 1935 roku przez McKaya i wsp. Dieta normalna: Średni wiek: 23 mies. Maksymalny: 33 mies. Dieta niskokaloryczna: Średni wiek: 33 mies. Maksymalny: 47 mies.
Dieta niskokaloryczna wydłuża średni i maksymalny czas życia Weindruch i wsp. (1986) J Nutr
Dieta niskokaloryczna zwalnia procesy starzenia Niższy poziom glukozy, insuliny i cholesterolu we krwi Zwiększenie wrażliwości komórek na insulinę Obniżone ciśnienie krwi Wyższa sprawność umysłowa i lepsza pamięć u starszych zwierząt Mechanizmy naprawcze DNA bardziej aktywne Zmniejsza produkcję reaktywnych form tlenu i związane z tym uszkodzenia tkanek
Mniej kalorii = mniej chorób Dieta: normalna niskokaloryczna Rak piersi 40% 2% Rak płuc 60% 30% Rak wątroby 64% 0% Białaczki 65% 10% Choroby układu 63% 17% krążenia Także zmniejszone występowanie cukrzycy, degeneracyjnych chorób układu nerwowego i chorób autoimmunologicznych
Dieta niskokaloryczna ma także skutki negatywne Zwierzęta rosną wolniej i osiągają mniejszą masę maksymalną Opóźnione dojrzewanie płciowe Krótszy okres płodności Obniżona temperatura ciała; wrażliwość na zmiany temperatury (zanik tkanki tłuszczowej) Zanik tkanki mięśniowej (ale ten związany z wiekiem jest osłabiony); słabsza siła fizyczna Łatwiejszy wzrost toksyn we krwi Gorsze gojenie ran Zmiany psychiczne: depresja, nadpobudliwość
Kierunki badań na dietą niskokaloryczną Efekty stosowania diety niskokalorycznej u naczelnych, w tym u człowieka Jaki jest molekularny mechanizm działania diety niskokalorycznej? Poszukiwanie substancji (nutraceutyków), które miałyby takie samo działanie jak dieta niskokaloryczna
Czy dieta niskokaloryczna działa u naczelnych? Prowadzone są testy na dwóch gatunkach małp: Macaca mulatta i Saimiri sciureus Badany jest efekt stosowania tej diety od urodzenia i u dorosłych już zwierząt
Mieszkańcy Okinawy Liczba stulatków na Okinawie jest 2-40 razy większa niż na pozostałych wyspach Japonii Ilość kalorii spożywana przez dzieci w wieku szkolnym na Okinawie wynosi tylko 62% zalecanej dawki w Japonii Dorośli z Okinawy spożywają 20% mniej kalorii niż wynosi średnia krajowa w Japonii; o 40% mniej niż w USA; dieta oparta na warzywach, zbożach, rybach, owocach Liczba zgonów z powodu udarów, nowotworów i chorób serca jest o 35% mniejsza niż na pozostałych wyspach japońskich Liczba zgonów osób w wieku 60-64 lat jest o połowę mniejsza niż w innych częściach Japonii Stuletnia mieszkanka Okinawy Ushi Okushima.
Jak dieta niskokaloryczna przedłuża życie? Obecnie szeroko akceptowaną teorią na temat ograniczonego spożycia kalorii i jego wpływu na długowieczność jest hipoteza hormezy. Hipoteza ta zakłada, że obniżenie liczby spożytych kalorii jest łagodnym czynnikiem stresowym, który wywołuje w organizmie odpowiedź obronną. W efekcie zmianie ulega metabolizm rośnie odporność na stres, co powoduje zwiększenie długość życia krytycznych dla organizmu komórek. Hipoteza hormezy ograniczenia kalorii w diecie wysnuwa 3 główne przypuszczenia: Ograniczenie liczby kalorii w diecie indukuje wewnątrzkomórkowe ścieżki sygnałowe w odpowiedzi na łagodny czynnik stresowy Ścieżki te regulują metabolizm tłuszczów, glukozy i białek tak, by zwiększyć szanse przeżycia podczas stresu, co w efekcie wpływa na wydłużenie życia komórek, gdyż przeciwdziała starzeniu. Dodatkowo te biochemiczne szlaki są pod kontrolą układu hormonalnego, tak by odpowiedź organizmu była skoordynowana.
Dieta niskokaloryczna = słaby czynnik stresowy Białka odbierające sygnał stresowy Komunikacja międzykomórkowa (IGF-1, insulina) Pobudzenie mechanizmów obronnych Osłabienie apoptozy Zmiana metabolizmu Redukcja ROS Ochrona wyspecjalizowanych komórek Zmiany w wydzielaniu hormonów
Wpływ diety niskokalorycznej na metabolizm Dieta niskokaloryczna Dieta obfita Niski poziom glukozy we krwi Wysoki poziom glukozy we krwi Obniżenie poziomu insuliny we krwi Zwiększenie poziomu insuliny we krwi Tkanka tłuszczowa uwalnia tłuszcz i zwiększa wydzielanie adiponektyny Tkanka tłuszczowa magazynuje tłuszcz i zmniejsza wydzielanie adiponektyny a zwiększa wydzielanie leptyny i TNF-beta Adiponektyna uwrażliwia komórki na insulinę Spadek wrażliwości komórek na insulinę Obniżenie odpowiedzi antystresowej Dalsze obniżenie poziomu insuliny we krwi Wzrost ilości glukozy we krwi, co powoduje chroniczne wydzielanie insuliny do krwi
Jakie białko jest aktywowane przez dietę niskokaloryczną? U drożdży niezbędna jest obecność deacetylazy Sir2, aby dieta niskokaloryczna wydłużała życie komórkom U człowieka jest siedem homologów białka Sir2; są to syrtuiny Sirt1-7, które oprócz histonów deacetylują wiele innych białek
Także przez czynniki stresowe H3 Lys9-Ac + NAD + Sir2 H3 Lys9 + nikotynoamid + Ac-ADP ADP-ryboza PNC1 - nikotynoamidaza
Molekularny mechanizm działania deacetylazy SIRT1 u ssaków Deacetylacja p53 i Ku70: hamowanie apoptozy Reguluje transkrypcję poprzez oddziaływanie z czynnikami transkrypcyjnymi z rodziny FOXO (forkhead): obniżenie transkrypcji BIM (hamowanie apoptozy) a zwiększenie transkrypcji MnSOD (obrona przed stresem oksydacyjnym), p27 (zatrzymanie cyklu komórkowego), GADD45 (naprawa DNA) Hamowanie białka PPARγ (receptor hormonów steroidowych), które stymuluje tworzenie nowych komórek tłuszczowych i promuje magazynowanie tłuszczów Acetylazy Aktywacja przez czynniki stresowe Ochrania komórki nerwowe (podobnie myszy odmiany Wallera mają podwyższony poziom NAD+ i wysoką aktywność Sirt1, co spowalnia neurodegenerację) Podziały i śmierć komórki SIRT1 Mechanizmy zapewniające przeżycie
Molekularny mechanizm działania deacetylazy SIRT1 u ssaków
Drobnocząsteczkowe aktywatory Sir2 i syrtuin W teście in vitro badano wpływ setek związków chemicznych na aktywność ludzkiego homologa Sir2, SIRT1 Najsilniejszym aktywatorem sirtuin okazał się polifenol resweratol, wtórny metabolit roślinny, który występuje w największych ilościach w winogronach Resweratrol
Resweratrol ma takie samo działanie jak dieta niskokaloryczna i wymaga obecności białka Sir2 Howitz et al. (2004) Nature
Recepta na długowieczność Długie życie