Synopse o stárnutí – teorie, mechanismy a vyhlídky do budoucna 2. část
May 07, 2022
Prosím kontaktujteoscar.xiao@wecistanche.comPro více informací
Vzhledem k tomu, že mitochondrie jsou hlavním producentem ROS v savčích buňkách, je mitochondriální DNA (mtDNA) zvláště náchylná k oxidativnímu poškození (Cui et al., 2011) a hlavním purinovým produktem oxidativního poškození báze DNA je 7,{ {2}}dihydro-8-oxo-2'-deoxyguanosin (8-oxid). To po replikaci může způsobit charakteristické G:T transverze na relativně nízké frekvenci (Hanes et al, 2006), což vede k mutacím, které vedou k defektním komponentám elektronového transportního řetězce (ETC). Následné začlenění těchto látek do ETC způsobuje další nárůst druhů ROS, což nakonec vede k „začarovanému cyklu“ produkce ROS a mutací mtDNA, což nakonec vede k úrovním poškození buněk neslučitelným se životem (Alexeyev, 2009). Udržování mitochondrií je proto nezbytné pro zachování buněčné homeostázy a zhoršené udržování mitochondrií bylo popsáno jako společný znak mnoha lidských patologií a stárnutí (Artal-Sanz a Tavermarakis, 2009). Ačkoli tento mechanismus není plně pochopen, nedávné studie prokázaly, že mitofágie, specifický a selektivní typ autofagie, která se zaměřuje na mitochondrie pro degradaci, interaguje s mitochondriální biogenezí za účelem regulace obsahu mitochondrií a také délky života u C. elegans (Palikaras et al. ..2015).
Nicméně jedním z nejvíce zvažovaných aspektů ROS-indukovaného poškození DNA a stárnutí jsou hladiny methylace DNA. Ty se mění s věkem a běžně se má za to, že hypomethylace DNA je typickým aspektem procesu stárnutí (Afanas'ev, 2014). ROS jsou aktivní meziprodukty methylace DNA, stejně jako modifikace histonů. Tyto reaktivní formy kyslíku mohou hrát roli v epigenetických procesech (fyziologické fenotypové variace způsobené vnějšími nebo environmentálními faktory, které zapínají/vypínají geny) prostřednictvím reakcí nukleofilní substituce na úrovni DNA.Čistota proti stárnutíV důsledku toho bylo navrženo, že lepší uchování úrovní metylace DNA, pomalejší buněčný metabolismus a zlepšená kontrola přenosu signálu prostřednictvím epigenetických mechanismů by mohly být klíčovými procesy zapojenými do lidské dlouhověkosti. Jinými slovy, signalizace ROS v senescentních buňkách pravděpodobně způsobuje hypometylaci DNA, i když stále není dostatek údajů k udržení takové hypotézy (Gentilini et al., 2013). Nicméně existují určité důkazy podporující roli ROS v procesu stárnutí, jmenovitě studie o vlivu ionizujícího záření na živé buňky, dietní manipulace a práce zdůrazňující účast volných radikálů v patogenezi specifických onemocnění (Harman, 1993).
Tyto genetické vazby mezi stárnutím a oxidačním poškozením byly popsány u zvířat, u kterých je většina zralých buněk postmitotická. Takové buňky mohou být náchylnější k
kumulativní poškození ROS kvůli neschopnosti nahradit se. Je zajímavé, že bylo prokázáno, že taková náchylnost k poškození se může u savců značně lišit, a to i u savců s identickou velikostí (Montgomery et al., 2011). Nejzranitelnějšími orgány v těchto organismech jsou srdce, mozek a kosterní svalstvo. Je to proto, že se jedná o energeticky bohaté tkáně a v případě mozku může náchylnost k poškození vyvolanému ROS pramenit z nadbytku redoxně aktivních sloučenin (de Magalhaes, 2013). Ačkoli jsou ROS obvykle považovány za škodlivé sloučeniny, studie potvrdily, že hrají důležitou roli v mnoha buněčných funkcích (Miki a Funato, 2012; Ray et al, 2012; Sena a Chandel, 2012), jako je regulace mitogenem aktivovaných signální dráhy proteinkinázy (MAPK) (Cuadrado a Nebreda, 2010) a hladiny exprese regulačních proteinů železa-1 a-2 (IRP1 a IRP2, podílející se na homeostáze železa) (Recalcati et al., 2010) . Důsledkem tohoto striktního pohledu na ROS jako na škodlivé sloučeniny je navíc to, že antioxidanty by měly omezit svůj účinek na stárnutí a celkové zdraví (Vina et al., 2016). Mnoho studií však ukázalo, že tomu tak není vždy (Fortmann et al., 2013; Grodstein et al., 2013; Higashida et al., 2011). ROS, včetně mitochondrií, nejsou nutně škodlivé a ve skutečnosti byly hlášeny některé zdravotní přínosy, včetně pozitivní role v délce života ve stresových podmínkách (Lee et al., 2010). Jejich nízké hladiny tedy mohou vyvolat adaptivní reakci, která nakonec vede k obecnému zlepšení systémových obranných mechanismů, konceptu nazývanému mitochondriální hormeze nebo mitohormeze (Kawagishi a Finkel, 2014; Ristow, 2014).
Cistanche může proti stárnutí
V důsledku toho může být stárnutí výsledkem deregulace signálních drah ROS a nikoli samotných reaktivních druhů (de Magalhaes, 2013). Nicméně, ať už vezmeme v úvahu dostupná data pro mitotické nebo postmitotické buňky, důkazy o přímé souvislosti mezi ROS a stárnutím jsou v nejlepším případě stále slabé.
Při ovlivnění DNA a lipidů (obr. 2) je oxidační poškození proteinů nevratné a nenapravitelné (Thanan et al., 2014) a musí být degradováno proteazomem. Proteazom je nejdůležitější proteolytický aparát v eukaryotických buňkách, který je z velké části zodpovědný za odstranění oxidovaných proteinů a zabránění jejich agregaci (Nystrom, 2005). Bylo však prokázáno, že aktivita proteazomů je během stárnutí narušena, což vede k akumulaci oxidačních proteinů, agresomu a lipofuscinu, tzv. věkového pigmentu.
Ve skutečnosti je agregace proteinů společným definičním znakem u věkem asociovaných
neurodegenerativní onemocnění, jako je Parkinsonova a Alzheimerova choroba (David, 2012). Stárnutí je tedy podle tohoto názoru rostoucí kolaps proteinové homeostázy a je závislé na souhře mezi složkami proteostázové sítě, které mají výrazný dopad na dlouhodobé zdraví buňky (Douglas a Dillin, 2010). Tyto proteostázové sítě jsou schopny tlumit konstantní tok chybného skládání proteinu, který je způsoben vlastnostmi syntézy a degradace proteinů, které jsou přirozeně náchylné k chybám. Tyto sítě však časem také podléhají zhoršování, čímž se buňky stávají zranitelnějšími vůči toxickému stresu vyvolanému proteiny (Morimoto, 2004).
působí proti agregaci nemocných proteinů v jejich raných fázích života snížením toku nemocných proteinů prostřednictvím zvýšené kontroly skládání a degradace, snížené syntézy proteinů a příznivého zpracování proteinů (Douglas a Dillin, 2010). Jedná se však o vysoce komplexní mechanismy (Hetz a Glimcher, 2011) a jejich přesná povaha zůstává do značné míry neznámá (Jaroszet al., 2010). Byly učiněny pokusy o zvýšení exprese a aktivity proteazomu, které vedly k 15-20procentnímu prodloužení životnosti v buněčných modelech. Navzdory některým přesvědčivým důkazům, že u některých onemocnění souvisejících s věkem dochází k tvorbě proteinových agregátů, není jasné, zda agregace proteinů vyvolává stárnutí nebo naopak (Moronetti MazZeo et al., 2012).
Hlavní funkce proteolytického degradačního systému poškozených proteinů v prevenci akumulace nejvíce poškozených proteinů. Pokud poškozený protein není rozpoznán a degradován proteazomální aktivitou, může dojít k další oxidaci a také ke kovalentnímu zesítění na další proteinové vedlejší produkty peroxidace lipidů, jako je 4-hydroxy-2-trans-nominální (HNE) (Friguet a Szweda. 1997) a malondialdehyd (MDA) (Voitkun a Zhitkovich, 1999), dva hojné bifunkční produkty oxidace aldehydů. Když není dostatečně rychle degradována a/nebo když je buňka vystavena extrémnímu oxidativnímu stresu, existuje zvýšená pravděpodobnost, že buňky dosáhnou jiného stadia. V této fázi již proteiny nejsou degradovatelné proteazomem. To vede k tvorbě proteinových agregátů, hydrofobních a nerozpustných v přírodě, označovaných jako „aggresomy“ (Amidi et al., 2007). Tvorba agresomů může být termodynamicky řízena jejich exponovanými hydrofobními zbytky a vedlejší produkty peroxidace lipidů (jako MDA nebo HNE) mohou způsobit kovalentní zesítění (Jung et al., 2009). bylo ukázáno, že proteasomální inhibice v mladých buňkách vede ke zvýšené tvorbě (polyubikvitinovaných) proteinových agregátů (Powell et al., 2005). Zajímavé je, že existují určité náznaky, že zdraví stoleté staříky vykazují úrovně jak proteazomálních aktivit, tak i oxidativně modifikovaných proteinů identické s těmi, které byly nalezeny v mladších kontrolních skupinách (Chondrogianni et al., 2000). Tato pozorování vedla k myšlence umělé aktivace proteasomálního systému jako strategie proti stárnutí (Chondrogianni a Gonos, 2008). Navzdory výrazně zvýšené proteolýze, vyššímu obratu poškozených/modifikovaných proteinů a zlepšené regeneraci po externě aplikovaném oxidativním stresu jsou takové strategie stále daleko od proveditelnosti. Bylo prozkoumáno pouze několik posttranslačních modifikací ribozomálních podjednotek, které ovlivňují aktivity proteazomu během stárnutí, a mnoho oblastí regulace proteazomu není zcela objasněno, včetně specifických regulátorů a transkripční regulace aktivačních drah proteazomu.
Podobně jako u oxidativního poškození se předpokládá, že nitrosativní poškození – způsobené reaktivními druhy dusíku (RNS), jako je oxid dusnatý – také přispívá k onemocněním souvisejícím s věkem, jmenovitě k jaterní steatóze a apoptóze (Abdelmegeed et al., 2016), i funkční a strukturální změny v kardiovaskulárním systému (Novella et al., 2013; Surikow et al., 2015). Kromě toho je také spojován s poruchami spánkové homeostázy (Rytkönen et al., 2010), psychickými poruchami (Maurya et al, 2016) a demencí (Mangialasche et al, 2009). Mechanismy, kterými může RNS interagovat s buněčnými složkami, jako jsou mitochondrie, jsou však stále nejasné, zejména in vivo (Zelickson et al. 2013). V důsledku toho je potřeba lépe porozumět tomu, jak se tyto druhy tvoří a procesy, kterými ovlivňují mitochondriální a buněčnou funkci.
Koncové produkty pokročilé glykace (AGE) jsou komplexní a vysoce heterogenní skupinou sloučenin schopných vyvolat buněčné oxidační poškození. Vznikají, když redukující cukr reaguje neenzymatickým způsobem s proteiny, lipidy nebo DNA (obr. 3), nazývaná Maillardova reakce (Luevano-Contreras a Chapman-Novakofski, 2010). Tato reakce hraje kritickou roli v potravinářském průmyslu, protože její produkty dodávají potravinám žádoucí chuť a barviva (Rufian-Henares a Pastoriza, 2016). In vivo se AGEs dostává stále větší pozornosti kvůli skutečnosti, že jsou spojovány se specifickými chronickými onemocněními, jmenovitě s diabetem (Forbes et al. 2004), kardiovaskulárními patologiemi (Bucala et al., 1994) a v poslední době s kognitivními onemocněními. poškození (West et al., 2014; Yaffe et al., 2011). Jejich biologické škodlivé účinky lze připsat jejich prooxidačním, zánětlivým a chemickým účinkům (Ahmed, 2005), které jsou vyvíjeny dvěma odlišnými mechanismy. Jeden je nezávislý na receptoru, zatímco druhý zahrnuje receptor pro AGEs (RAGE) (Luevano-Contreras a Chapman-Novakofski, 2010) (obr. 4). Interakce RAGE a AGE nakonec vede k cyklu pozitivní zpětné vazby (Ishibashi et al., 2014; Lohwasser et al. 2006; Nakamura et al. 2009; Tanaka et al., 2000), což zvyšuje expresi RAGE. Interakce AGEs-RAGE navíc aktivuje NADPH oxidázu, která je upregulována, čímž se zvyšuje intracelulární oxidační stres (Luevano-Contreras a Chapman-Novakofski, 2010). Navzdory některým zajímavým pracím popisujícím akumulaci AGE u nemocí souvisejících s věkem (Srikanth et al., 2011; West et al., 2014) a u starších osob (Peppa et al., 2008; Uribarriet al., 2007; Vlassara et al. al, 2009), stále neexistuje žádná přímá souvislost mezi těmito a senescencí.
Další převažující teorií poškození jako příčiny stárnutí je nestabilita genomu, důkladně přezkoumána jinde (Lopez-Otin et al., 2013). Stabilita i integrita DNA jsou neustále zpochybňovány řadou endogenních a exogenních faktorů, včetně chyb replikace DNA a fyzikálních,cistanche benefícioschemické a biologické látky (Lopez-Otin et al., 2013). Organismy si vyvinuly složitý systém opravných mechanismů DNA, které se ve většině případů účinně vyrovnávají s těmito poškozeními způsobenými DNA. Pokud jsou však tyto mechanismy defektní, mohou vést k nestabilitě genomu a způsobit syndromy předčasného stárnutí. DNA helikázy hrají zásadní roli při udržování genomové stability a ve skutečnosti je řada mutací v lidských helikázových genech spojena s chorobami chromozomální nestability charakterizovanými onemocněními souvisejícími s věkem (Suhasini a Brosh, 2013), včetně Xeroderma Pigmentosum ( XP), Cockayneův syndrom (CS) a Wernerův syndrom (WS) (Brosh, 2013; Fang Evandro et al, 2014). Předpokládá se, že nukleární události, včetně opravy spojené s transkripcí (TCR), opravy vyříznutím nukleotidů (NER) a, možná širšímu publiku známější, udržování telomer, jsou individuálně ovlivněny CS-A/CS-B, XP-B /XP-D, respektive helikázy WRN (Uchiumi et al., 2015).
Většina zastánců teorie stárnutí genomové nestability se odvolává na zkracování telomer (Kruk et al., 1995) (obr. 4). Telomery jsou opakované sekvence DNA na koncích lineárních chromozomů, které nejsou schopny plně replikovat DNA polymerázy (Johnson et al., 1999). V důsledku toho se telomery zkracují s každým buněčným dělením, pokud nejsou udržovány telomerázou, enzymem ribonukleoproteinu (obr. 5). Nicméně většina savců tento enzym postrádá a vyčerpání telomer je ve skutečnosti kořenem takzvaného Hayflickova limitu, maximální proliferační kapacity některých typů buněk kultivovaných in vitro (Hayflick a Moorhead, 1961). Děje se tak díky přítomnosti azylinu, multiproteinového komplexu, který váže telomery a funguje jako bariéra proti proteinům opravujícím DNA. Kromě toho zavedení telomerázy do normálních lidských buněk poskytlo nesmrtelné buněčné linie (Bodnar et al., 1998; Stampfer a Garbe, 2015).
Přestože se přítomnost útulku může na první pohled zdát buňce škodlivá, takové mechanismy brání fúzím chromozomů (Meena et al., 2015). Přes všechny tyto zjevně zdrcující důkazy pro zkracování telomer jako hlavní hnací sílu stárnutí, mnoho prací vrhlo stín pochybností na toto tvrzení. Studie jak průřezových, tak longitudinálních vzorků odhalily, že pokud je zdravotní stav dárce a podmínky biopsie kontrolovány, nelze určit žádnou významnou korelaci mezi věkem dárce a replikační délkou života kultivačních buněk (Holliday, 2014). Navíc bylo prokázáno, že proces předčasného stárnutí progeroidních fibroblastů (buňky zesíleného stárnutí) sdílí pouze část in vitro procesu stárnutí normálních fibroblastů (Toda et al, 1998), ačkoli nedávná experimentální práce ukázala, že telomeráza poskytuje ochranu zrychleného stárnutí. u Wernerova syndromu liniově specifických kmenových buněk (Cheung et al.2014). Konečně, na rozdíl od toho, co se očekávalo, CD28-T buňky, které vykazují zkrácené telomery a výrazně sníženou proliferační kapacitu v kultuře, se s věkem hromadí (Effros, 1998). Zkracování telomer se tedy může podílet na stárnutí, ale rozhodně není jedinou příčinou stárnutí a mechanismus jeho působení, i když se zdá v principu zdánlivě jednoduchý, zbývá plně pochopit.
Mutace a delece v mitochondriální DNA (mtDNA) mohou také přispívat ke stárnutí.Cistanche Extract Anti RadiationTento typ DNA je extrémně genově hustý a kóduje řadu faktorů, které jsou kritické pro oxidativní fosforylaci. Mutace v mtDNA – o kterých se předpokládá, že jsou desetkrát vyšší než u jaderné DNA (Jeppesen et al.201l) – způsobují širokou škálu lidských mitochondriálních onemocnění a jsou zapojeny do nemocí souvisejících s věkem a stárnutí (Park a Larsson , 2011), který je dále posílen oxidativním mikroprostředím mitochondrií a nedostatkem ochranných histonů, které se podílejí na opravných mechanismech jaderné DNA (Pinto a Moraes, 2015). Příčinný důkaz o úloze poškození mtDNA při stárnutí pochází ze studií na myších, které mají nedostatek mitochondriální DNA polymerázy Y. Tyto mutanty vykazují aspekty předčasného stárnutí a zkrácení délky života (Vermulst et al., 2008). U lidí dochází k delecím byla popsána klonální expanze událostí jediné mutace ve starých mozcích (Williams et al. 2013), zajímavé je, že v oblastech mozku vysoce náchylných k oxidativnímu poškození (Pickrell et al., 2011). Implikace mutací mtDNA na stárnutí je však kontroverzní kvůli multiplicitě mitochondriálních genomů (Lopez-Otin et al, 2013). To znamená, že mutantní genomy a genomy divokého typu mohou koexistovat ve stejné buňce, což je fenomén zvaný „heteroplazmie“, a nedávno byl stupeň heteroplazmie navržen jako jednoduchý a neinvazivní prediktor neurologických a pohybových poruch souvisejících s věkem (Tranah et al., 2015). Navzdory této možné koexistenci mtDNA a globálně nízké úrovni mutací mtDNA odhalily jednobuněčné analýzy, že zátěž jednotlivých stárnoucích buněk se stává významnou (Khrapko et al., 1999) a může nakonec dosáhnout stavu homoplazmy, ve kterém dominuje jeden mutantní genom (Lopez-Otin et al., 2013). Ačkoli byly popsány mechanismy, kterými mitochondriální dysfunkce vede k onemocněním (Ylikallio a Suomalainen. 2012). Jak mohou mutace mtDNA indukovat stárnutí, není zcela objasněno (Pinto a Moraes, 2015). Jedním z klíčových omezení této teorie je, že to, jak se fokální poškození mitochondriální funkce může rozšířit po tkáni, zůstává nevysvětleno. Je tedy jasné, že k lepšímu objasnění toho, jak mutace mtDNA nakonec vedou ke stárnutí, jsou zapotřebí další studie.
(3) Kombinované teorie
Jeden z prvních pokusů o vývoj jednotné teorie stárnutí provedl Strehler (1976) 1976. Formuloval čtyři postuláty: (1) stárnutí je univerzální a,cistanche růst penisujako takový se fenomén spojený se stárnutím musí vyskytovat u všech jedinců druhu, i když v různé míře;(2)stárnutí musí být vnitřní: příčiny musí být endogenní a nezávisí na vnějších faktorech;(3)stárnutí je progresivní a musí se postupně vyskytovat v průběhu života a;(4)stárnutí musí být škodlivé, tj. jev spojený se stárnutím bude považován za součást procesu stárnutí pouze tehdy, pokud pro jednotlivce nepřináší žádné výhody.
Brzy poté, vycházející z těchto postulátů, byla vyvinuta membránová hypotéza stárnutí (Zs.-Nagy, 1978), založená na skutečnosti, že buněčné membrány se během stárnutí stávají tuhšími a že snížení intracelulárního obsahu draslíku by mohlo vést k určitému "omlazení". Jinými slovy, stárnutí souviselo se změnami ve schopnosti buněk přenášet chemikálie, teplo a elektrické procesy.
Počátkem osmdesátých let předložil Cutler dys-diferenciativní hypotézu stárnutí a dlouhověkosti savců (Cutler, 1982), založenou na představě, že základní příčinou většiny rozsáhlých složitostí procesu stárnutí bylo odklonění buněk od jejich správný stav diferenciace, protože dny diferencované buňky jsou zodpovědné za spuštění kaskády změn v celém organismu a že jejich součtem je stárnutí (Taylor a Johnson, 2008). Ačkoli některé studie byly provedeny s dys-diferenciativní hypotézou stárnutí jako základním předpokladem (Kator a kol., 1985; Ono a kol., 1985), tato myšlenka byla do značné míry opuštěna ve prospěch některých dříve popsaných názorů v proces stárnutí.
Nedávno byla navržena nová integrativní teorie,cistanche herbazaložené na představě, že stárnutí není v zásadě chemický proces, ale spíše biofyzikální mechanismus elektrické povahy. Teorie slábnoucí elektřiny stárnutí (De Loof et al., 2013) předpokládá, že jak buňky postupně ztrácejí schopnost produkovat vlastní elektřinu, vstupují do hry biochemické procesy, které byly navrženy jako hnací síly stárnutí, které nakonec vedou ke smrti. stárnutím. Ačkoli je tato teorie jistě věrohodná, postrádá data podporující hypotézu. Přesto přináší zajímavý aspekt ve výzkumu stárnutí: vědci by se neměli omezovat na biochemické a genetické příčiny stárnutí. Je třeba vzít v úvahu všechny biofyzikální aktivity živé buňky, jmenovitě bioelektrickou, jako možnou příčinu stárnutí.
I když bylo navrženo několik teorií stárnutí, dosud v této věci neexistuje shoda. Ve skutečnosti se zdá, že mnohé z navrhovaných mechanismů se tak či onak vzájemně ovlivňují (Jin, 2010). Proto je nezbytná integrativní analýza dostupných kvantitativních důkazů na různých úrovních biologické hierarchie, aby bylo možné zásadně pochopit, jak proces stárnutí probíhá. Bylo učiněno několik pokusů o nalezení synergií a kombinaci různých pohledů a teorií stárnutí (Barja, 2013; Bengtson et al., 1999; Gems, 2000; Miquel, 1991; Weinert a Timiras, 2003), i když žádný se neprosadil jako převládající detailní a komplexní pohled na to, co je a hlavně jak stárnutí probíhá. Nicméně kombinované teorie pohlížejí na stárnutí jako na vysoce propojený proces na systémové úrovni, regulovaný zpětnovazebními smyčkami mezi úrovněmi biologické organizace (Kriete et al., 2006) (obr. 6).
Tento článek je převzat z rukopisu Aging Res Rev. Author; k dispozici v PMC 2018 června 07.