Stárnutí mozkových buněk indukované ionizujícím zářením a potenciální základní molekulární mechanismy, část 3

Způsob, jakým autofagie udržuje produkci proteinů, zahrnuje podporu chybného skládání a degradace agregovaných proteinů. Kontrola kvality mitochondrií zahrnuje odstranění poškozených mitochondrií autofagií.

Význam autofagie při udržování tělesného zdraví byl široce uznáván akademickými kruhy. Kromě své role při udržování zdraví hraje důležitou roli také při udržování paměti.

Autofagický mechanismus je důležitým procesem odstraňování metabolických produktů v buňkách. Udržuje tělo zdravé tím, že odbourává odumřelé části buněk a uvolňuje užitečné nové živiny. Studie ukázaly, že autofagie také podporuje přežití neuronů a eliminaci proteinových plaků vyplývajících z toxické agregace. Tyto plaky působí, jako by blokovaly komunikační kanály mezi neurony, což vede k problémům, jako je ztráta paměti.

Jak stárneme, funkce autofagického aparátu také klesá. Tento pokles ovlivňuje nejen imunitu a metabolismus těla, ale také negativně ovlivňuje funkci a zdraví neuronů. Tyto problémy povedou k poklesu kognitivních funkcí a výskytu neurodegenerativních onemocnění u starších osob. Pokud tedy lze autofagii zlepšit, může oddálit stárnutí lidských orgánů a mozku, podpořit zdraví buněk a zlepšit paměť a kognitivní schopnosti.

Abychom zlepšili funkci autofagie, můžeme přijmout některé jednoduché změny životního stylu, jako je změna stravovacích návyků, zvýšení cvičení a udržení dostatečného spánku. Kromě toho bylo také prokázáno, že některé léky podporují aktivitu mechanismu autofagie, jako je použití velkých dávek vitaminu D k podpoře autofagie a posílení funkce mozku.

Stručně řečeno, mechanismus autofagie hraje důležitou roli při udržování fyzického zdraví a paměti. Metody, které zvyšují autofagii, by mohly lidem pomoci oddálit stárnutí těla a snížit riziko neurodegenerativních onemocnění. Podporou aktivity mechanismu autofagie prostřednictvím prospěšného životního stylu a farmakologické léčby si můžeme lépe udržet fyzické zdraví a paměť a žít lepší život. Je vidět, že potřebujeme zlepšit paměť a Cistanche deserticola dokáže výrazně zlepšit paměť, protože Cistanche deserticola dokáže regulovat i rovnováhu neurotransmiterů, jako je zvýšení hladiny acetylcholinu a růstových faktorů. Tyto látky jsou velmi důležité pro paměť a učení. Kromě toho může Cistanche deserticola také zlepšit průtok krve a podporovat dodávku kyslíku, což může zajistit, že mozek dostává dostatek živin a energie, a tím zlepšuje mozkovou vitalitu a vytrvalost.

Klikněte na vědět doplňky pro zlepšení paměti

Autofagické cargo receptory rozpoznávají mitochondrie modifikované ubikvitinem, což usnadňuje jejich sekvestraci v autofagosomech a lysozomy zprostředkované rozpady. Molekulární vzorec související s poškozením mitochondrií je také jedním z důvodů pro spuštění produkce zánětlivých cytokinů.

Metodou autofagie k regulaci stárnutí je podpora rozpadu a degradace jaderné laminy. Volné aminokyseliny uvolněné z lysozomu během senescence podporují anabolické aktivity, včetně produkce zánětlivých cytokinů, které tvoří SASP (obrázek 2).

3.1. Oxidační stres

Endogenní produkce ROS je vedlejším produktem pravidelného buněčného metabolismu, ale k exogenní produkci ROS může dojít také v důsledku radiace a chemických sloučenin [107]. ROS lze po ozáření produkovat z několika zdrojů [108]. Klasická radiobiologie ukazuje, že ve srovnání s většinou ostatních oxidativních stresů je množství ROS produkovaných radiolýzou vody menší a doba údržby je kratší. Expozice ionizujícímu záření vytvoří ROS v rozsahu 2 nm DNA a vytvoří komplexní DSB, čímž spustí vysokou cytotoxicitu.

Nikotinamid adenindinukleotid fosfát oxidázy (NOX) nebo jiné oxidázy vázané na mitochondriální membránu mohou mít nepřímou souvislost s dráhou DDR.

Tyto oxidázy jsou hlavním zdrojem buněčných ROS způsobených oxidačním stresem. [109–111]. Záření může také způsobit tvorbu ROS z těchto zdrojů poškozením mitochondrií a stimulací NOX nebo jiných oxidáz [110,111], což vede k uvolnění ATP, aktivaci iontových kanálů [112] a purinergní signalizaci [113]. Jedním příkladem molekulárního vzoru spojeného s poškozením (DAMP) pozorovaného po ozáření je exprese proteinu skupiny boxu 1 s vysokou pohyblivostí (HMGB1), jaderného proteinu vázajícího chromatin, který působí prostřednictvím signalizace Toll-like receptor 4 (TLR4) a podporuje další ROS výroba [114].

Vysoká aktivita ROS může přímo zničit makromolekuly, jako jsou lipidy, nukleové kyseliny a proteiny. Poškození DNA, typicky ve formě zlomů vláken a křížových vazeb, vede ke genomovým mutacím. Kromě toho ROS způsobuje vysoký oxidační stres v postižených buňkách. V buňkách závisí oxidační poškození na koncentraci ROS a rovnováze mezi relativními hladinami ROS a antioxidantů.

Když se ztratí rovnováha oxidant-antioxidant, nastane oxidační stres, který změní a zničí několik intracelulárních makromolekul, jak již bylo zmíněno [115]. Teorii volných radikálů stárnutí předložil Harman v roce 1956 a následně prokázal, že mitochondriální dýchání je primární endogenní zdroj oxidačního stresu [116]. Stárnutí je doprovázeno zvýšením hladin ROS a snížením aktivity a exprese antioxidačních enzymů, včetně superoxiddismutázy, katalázy a glutathionperoxidázy [117,118].

Poškození způsobené zářením navíc vykazuje několik charakteristik, které jsou často typické pro buněčné opotřebení, jako jsou somatické mutace, které mohou vyvolat rozvoj onemocnění souvisejících se stárnutím [119]. ROS a reaktivní dusíkaté druhy (RNS) napadají makromolekuly a způsobují oxidační stres a tento proces se podílí na několika chorobách. Bylo také zjištěno, že i nízké hladiny ROS a RNS mohou vést ke stárnutí mozku [120]. Předpokládá se, že vlastní citlivost buněk na záření závisí na výsledné produkci ROS.

Ozařování stárnoucích buněk, které již obsahují velké množství aktivního kyslíku, nepochybně přetíží antioxidační systém zodpovědný za odstranění nadměrného množství kyslíkových metabolitů [121]. Antioxidační ochrana proti terapeutickým a zmírňujícím dávkám IR v lidské krvi klesá s věkem [122]. Tyto studie ilustrují roli regulačních systémů oxidačního stresu při určování radiační citlivosti senescentních buněk.

3.2. Mitochondriální dysfunkce

Mitochondrie jsou přítomny v neuronálních dendritech a axonech neuronů a produkují adenosintrifosfát (ATP) nezbytný pro elektrochemickou neurotransmisi a buněčnou údržbu a opravu [123].

Jak buňky a organismy stárnou, má účinnost elektronového transportního řetězce (ETC) tendenci klesat, což zvyšuje únik elektronů a snižuje produkci ATP [124]. Většina mozkových buněk vykazuje postupnou akumulaci dysfunkčních mitochondrií, jak bylo pozorováno ve srovnávacích studiích neuronů a astrocytů u myší různých věkových skupin [125,126]. S přibývajícím věkem vede mitochondriální dysfunkce ke zvýšené produkci ROS, což následně způsobuje další mitochondriální degradaci a celkové poškození buněk [127].

Hlavní úlohou aktivního kyslíku je aktivovat kompenzační odpověď v ustáleném stavu. Pokud se hladiny ROS zvýší nad určitou hranici, dochází k nerovnováze v homeostáze ROS, což v konečném důsledku zhoršuje poškození související s věkem [128]. Mitochondriální dysfunkce může také způsobit stárnutí prostřednictvím drah nezávislých na ROS. Mitochondriální defekty mohou ovlivňovat signály apoptózy zvýšením náchylnosti mitochondrií ke stresovým reakcím [129] a spouštět zánětlivou reakci podporou aktivace zánětu zprostředkované ROS a/nebo související s permeabilitou [124].

Kromě toho by dysfunkční mitochondrie mohly mít přímý vliv na buněčnou signalizaci a meziorgánové přeslechy prostřednictvím negativních účinků na rozhraní vnější mitochondriální membrána – endoplazmatické retikulum [130].

Mitochondrie izolované z mozkové tkáně zvířat vykazují mnoho změn souvisejících s věkem, včetně zvýšeného oxidačního poškození mitochondriální DNA [131], zvětšení nebo fragmentace mitochondrií [132], zvýšeného počtu mitochondrií s depolarizujícími membránami [133] a zhoršené funkce ETC [134]. Mutace a delece mitochondriální DNA (mtDNA) u starších jedinců mohou také vést ke stárnutí [135].

V důsledku oxidativního mikroprostředí v mitochondriích mtDNA postrádá ochranné histony. Účinnost opravných mechanismů mtDNA je také nižší než účinnost mechanismů opravy jaderné DNA. Proto se mtDNA považuje za hlavní cíl somatických mutací souvisejících se stárnutím [136].

Během vývoje mozku může abnormální mitochondriální poškození vést k mitochondriální dysfunkci a nadměrné produkci ROS, což nakonec vede ke stárnutí mozkových buněk, kognitivním poruchám a abnormálnímu chování [137]. Expozice IR může vyvolat mitochondriální dysfunkci, která nepřímo spouští stárnutí. Časový průběh změn které nastanou po expozici pěti Gy ozáření je následující.

Za prvé, buněčné hladiny ROS se významně zvýší během prvních několika minut, ale sníží se během 30 minut. Následně je 12 hodin po ozáření detekována mitochondriální dysfunkce, jak je prokázáno snížením aktivity nikotinamid adenindinukleotid (NADH) dehydrogenázy, primárního regulátoru uvolňování ROS z ETC [138]. Limoli et al. zkoumali potenciál mitochondriální membrány v nestabilních buňkách GM10115 po ozáření.

 Pozorovali, že se zvýšil počet dysfunkčních mitochondrií a snížil se potenciál mitochondriální membrány [139]. Ionizuje molekuly vody (H2O), což vede především k produkci •OH, ROS s nejvyšší schopností způsobovat poškození [140]. •OH může oxidovat biologické molekuly, jako jsou proteiny a lipidy [121,141].

Vnitřní mitochondriální membrána obsahuje fosfolipidy, jako je fosfatidylcholin, fosfatidylethanolamin a kardiolipin, které jsou nezbytné pro optimalizaci a podporu funkcí různých enzymů mitochondriálního ETC [142,143].

Jakákoli změna v lipidovém profilu membrány, jako je snížení obsahu lipidů a peroxidace, může vést k produkci O2– nebo ji zvýšit únikem elektronů z enzymů ETC. Proto •OH produkovaný v důsledku ozáření indukuje mitochondriální oxidaci prostřednictvím fosfolipidové peroxidace, čímž podporuje produkci O2−.

3.3. Opotřebování telomer

Telomery jsou speciální jaderné proteinové komplexy, které chrání konce lineárních chromozomů v eukaryotických buňkách. Telomery jsou vázány charakteristickým polyproteinovým komplexem zvaným azylin [144], který brání vstupu oprav DNA do telomer, které by se jinak „opravily“ díky přítomnosti zjevných zlomů DNA, což vede k nízké kapacitě opravy poškození DNA v této oblasti.

Poškození telomer proto často indukuje buněčnou senescenci a/nebo apoptózu [145,146]. Ztráta funkce úkrytových složek vyvolává rychlé oslabení regenerace tkání a urychluje stárnutí, i když telomery mají normální délku [147]. oxidační poškození a narušení DNA.

Studie o periferní krvi získané od 83 čističů Černobylu ukázala, že ve srovnání s těmi u zdravých dárců krve byla relativní délka telomer u čističů Chornobyl výrazně kratší. Tato studie naznačila, že ozařování nízkou dávkou vedlo ke zkrácení telomer a změny přetrvávaly i 20 let po ozáření [148].

Senescence mikroglie může také souviset se zkracováním telomer. Snížení délky telomer inmikroglií může vést ke schopnosti těchto buněk vhodně reagovat na infekci poškození CNS, což vede k apoptóze [149].

Je důležité poznamenat, že v mozku pacientů s Alzheimerovou chorobou vykazuje podvýživa mikroglií nejsilnější souvislost s degenerací tau-pozitivních neuronů, tj. patologie tau je spojena s mikrogliální malnutricí.

Namísto zánětu mozku je tedy základní příčinou neurodegenerace nedostatek mikrogliální podpory. Stáří mikroglie může souviset se zkrácením telomer. Telomery jsou konce eukaryotických chromozomů a zkracují stárnutí, což vede k pocitu „replikace“ v mikrogliích se schopnostmi sebeobnovy [150].

Studie 20 starších pacientů s pokročilou rakovinou hlavy a krku od Unryna et al. prokázali, že radiační terapie vedla k výraznému zkrácení délky telomer u všech pacientů [151].

Zhang a kol. zkoumali účinky dysfunkce telomer prostřednictvím inhibice neuronů a mitotických nervových buněk (astrocytů a neuroblastomových buněk) zprostředkované telomerickým faktorem 2 vázajícím repetice (TRF2). Prokázali, že dysfunkce telomer spouští DDRs a indukuje aktivaci p53 a p21 a stárnutí [152]. Buněčné reakce na IR zahrnují zastavení kontrolního bodu buněčného cyklu a programovanou buněčnou smrt. Vzhledem k tomu, že výsledkem záření jsou dvouřetězcové zlomy v DNA vedoucí ke snížení délky telomer, zdá se, že odezva na záření je výsledkem nevhodně indukované buněčné stárnutí [153].

Mechanismus urychleného stárnutí v důsledku IR je stejný jako mechanismus stárnutí zprostředkovaného ROS. Radiační poškození telomer je také podobné oxidativnímu poškození pozorovanému v těchto oblastech a vede k dalšímu zkracování telomer a urychlenému stárnutí buněk. Velká dávka IR může způsobit obrovskou buněčnou smrt, což má za následek nekompenzační buněčné dělení. Zrychlená proliferace vede ke zkrácení telomer, a tím k urychlení stárnutí v celém organismu, jak bylo pozorováno u jedinců vystavených IR [154]. Zkracování telomer lze proto považovat za jeden z mechanismů stárnutí vyvolaného zářením [155].

3.4. Poškození DNA

IR indukuje poškození DNA přímou i nepřímou cestou. Přímá dráha se týká ionizace DNA prostřednictvím energie záření a nepřímá dráha se týká tvorby velkého počtu ROS po radiolýze molekul vody. Tato cesta může vyvolat poškození DNA prostřednictvím různých mechanismů, včetně poškození a uvolnění báze, depolymerizace, zesíťování a přerušení řetězce [156].

Takové poškození DNA, zejména DSB, spouští složité a vysoce regulované DDR a opravné cesty. Ionizace DNA přímo způsobuje poškození genetických makromolekul, zatímco ionizace cytosolu vede ke vzniku aktivních látek, jako jsou •OH. Hydratované elektrony a atomy vodíku, které difundují do dějů obklopujících nanorozměry, nevyhnutelně reagují se složkami DNA a nepřímo je poškozují. Některé z těchto poškození se vyskytují na genetickém molekulárním řetězci, což vede ke vzniku agregovaného poškození DNA nebo více míst poškození.

Vzhledem k endogenní povaze takového poškození je pravděpodobnější, že podstoupí opravu náchylnou k chybám než řídce distribuované poškození, což vede k nevratnému poškození buněk [157]. Na molekulární úrovni vykazují ozářené mikroglie upregulaci genů spojených s DDR, buněčným stresem, buněčným stresem. zastavení cyklu a dráhy oxidačního stresu [158,159]. Buňky mají vysoce konzervovanou a komplexní síť pro rozpoznání a opravu poškození DNA (DDR), kterou používají k reakci na různé typy poškození DNA [160]. Studie využívající komerční buněčné linie a primární kultury ukázaly, že poškození DNA může vést k trvalému zastavení buněčného cyklu [161], což má za následek nevratný stav, ve kterém poškozené buňky mohou přežít, ale nemohou proliferovat, známý jako buněčná senescence [162].

Ve zralých neuronech homologní rekombinace a nehomologní terminální spojení nestačí k odpovídající opravě DSB, pravděpodobně proto, že se tyto buňky nedělí. Proto se obecně má za to, že neurony časem zvyšují poškození neopravené DNA, což může přispívat k neurodegenerativním onemocněním [163]. V akutních stádiích po ozáření vede záření k vrcholně53-zprostředkované rychlé primární apoptóze a zpožděné sekundární apoptóze (spojené s mitotickými mutacemi), čímž eliminuje vážně poškozené buňky.

Buňky v mozku často reagují na aktivaci p53 prostřednictvím trvalého zastavení buněčného cyklu namísto apoptózy [164]. S stárnutím se hromadí poškození DNA, což způsobuje ztrátu buněčné funkce a degeneraci buněk a tkání. Chybná oprava však může vést k mutacím a chromozomálním aberacím. Neopravené poškození DNA často způsobuje buněčnou dysfunkci nebo stárnutí, což vede k mnoha patologiím a buněčné smrti během stárnutí [165,166]. Stimulace DDR pomocí IR spouští vrozenou a adaptivní imunitní regulaci. Pokračující aktivace DDR podporuje produkci zánětlivých cytokinů zahrnujících IL-6a IL-8 [167], které spouští zánětlivé reakce, které mohou poškodit okolní tkáně.

Je pozoruhodné, že k poškození DNA může dojít nejen v jádře, ale také v mitochondriích a mtDNA je náchylnější k poškození než jaderná DNA. ROS je primárním zdrojem mutací mtDNA, které se mohou hromadit s věkem a progresí onemocnění [168,169]. Kromě toho DDR vede k stárnutí buněk a pokračující stárnutí indukuje SASP, ve kterém se uvolňují zánětlivé cytokiny.

Tyto mediátory ovlivňují sousední buňky a spouštějí různé patologické stavy [170]. Neopravená DDR indukuje stárnutí buněk cestou p53, aktivuje SASP, způsobuje sekreci prozánětlivých cytokinů a dále aktivuje vrozenou imunitní odpověď, což má za následek stárnutí tkáně a stárnutí související onemocnění [171–173]. Senescentní buňky se vyznačují zvýšenou aktivitou nejběžnějšího markeru stárnutí, SA- -gal, a zvýšenou expresí p21WAF1/Cip1. Zatímco p21 může podporovat buněčné stárnutí při vystavení IR, může také podporovat zástavu buněčného cyklu G1.

Ne vždy to však koreluje s aktivitou p53. Aktivace p53 i p21 v senescentních buňkách je dočasná, protože exprese p53 a p21 nakonec klesá a p16Ink4A udržuje zástavu růstu v senescentních buňkách [174]. Na rozdíl od replikativního stárnutí je stresem indukované předčasné stárnutí (SIPS) způsobené poškozením DNA nezávislé na délce nebo funkci telomer [175,176].

For more information:1950477648nn@gmail.com