Sinopsis o staranju – teorije, mehanizmi in obeti za prihodnost, 2. del

Prosim kontaktirajteoscar.xiao@wecistanche.comza več informacij

Zaradi dejstva, da so mitohondriji glavni proizvajalci ROS v celicah sesalcev, je mitohondrijska DNA (mtDNA) zato še posebej dovzetna za oksidativne poškodbe (Cui et al., 2011), glavni purinski produkt oksidativne poškodbe baze DNA pa je 7,{ {2}}dihidro-8-okso-2'-deoksigvanozin(8-oksid). To lahko po replikaciji povzroči značilne transverzije G: T pri relativno nizki frekvenci (Hanes et al, 2006), kar ima za posledico mutacije, ki vodijo do okvarjenih komponent elektronske transportne verige (ETC). Kasnejša vključitev le-teh v ETC povzroči nadaljnji porast vrst ROS, kar na koncu privede do "začaranega kroga" proizvodnje ROS in mutacij mtDNA, kar sčasoma vodi do ravni celične poškodbe, ki ni združljiva z življenjem (Alexeyev, 2009). Vzdrževanje mitohondrijev je zato bistveno za ohranjanje celične homeostaze, oslabljeno vzdrževanje mitohondrijev pa je opisano kot skupni znak številnih človeških patologij in staranja (Artal-Sanz in Tavermarakis, 2009). Čeprav ta mehanizem ni popolnoma razumljen, so nedavne študije pokazale, da mitofagija, specifična in selektivna vrsta avtofagije, ki cilja na mitohondrije za razgradnjo, sodeluje z mitohondrijsko biogenezo, da uravnava vsebnost mitohondrijev in dolgoživost pri C. elegans (Palikaras et al. ..2015).

Za več informacij kliknite tukaj

Kljub temu je eden najbolj upoštevanih vidikov poškodb DNK in staranja, ki jih povzroči ROS, raven metilacije DNK. Te se spreminjajo s starostjo in običajno se šteje, da je hipometilacija DNA tipičen vidik procesa staranja (Afanas'ev, 2014). ROS so aktivni vmesni produkti metilacije DNA in tudi modifikacije histona. Te reaktivne kisikove vrste lahko igrajo vlogo v epigenetskih procesih (fiziološke fenotipske variacije, ki jih povzročajo zunanji ali okoljski dejavniki, ki vklopijo/izklopijo gene) prek reakcij nukleofilne substitucije na ravni DNA.Cistanche proti staranjuPosledično je bilo predlagano, da bi lahko bili boljše ohranjanje ravni metilacije DNK, počasnejši celični metabolizem in izboljšan nadzor prenosa signala prek epigenetskih mehanizmov ključni procesi, ki so vključeni v človeško dolgoživost. Z drugimi besedami, signaliziranje ROS v starajočih se celicah verjetno povzroči hipometilacijo DNA, čeprav še vedno ni dovolj podatkov za podporo takšne hipoteze (Gentilini et al., 2013). Kljub temu obstaja nekaj dokazov, ki podpirajo vlogo ROS v procesu staranja, in sicer študije o vplivu ionizirajočega sevanja na žive celice, prehranske manipulacije in dela, ki poudarjajo sodelovanje prostih radikalov v patogenezi določenih bolezni (Harman, 1993).

Te genetske povezave med staranjem in oksidativno škodo so bile opisane za živali, pri katerih je večina zrelih celic postmitotičnih. Takšne celice so lahko bolj dovzetne za

kumulativne poškodbe ROS zaradi nezmožnosti zamenjave samih sebe. Zanimivo je, da je bilo dokazano, da se takšna dovzetnost za poškodbe lahko zelo razlikuje pri sesalcih, tudi pri tistih z enakimi velikostmi (Montgomery et al., 2011). Najbolj ranljivi organi v teh organizmih so srce, možgani in skeletne mišice. To je zato, ker so to tkiva, bogata z energijo, in v primeru možganov lahko dovzetnost za poškodbe, ki jih povzroči ROS, izvira iz obilice redoks-aktivnih spojin (de Magalhaes, 2013). Čeprav ROS običajno veljajo za škodljive spojine, so študije potrdile, da igrajo pomembno vlogo pri številnih celičnih funkcijah (Miki in Funato, 2012; Ray et al, 2012; Sena in Chandel, 2012), kot je regulacija z mitogenom aktiviranih celic. signalne poti protein kinaze (MAPK) (Cuadrado in Nebreda, 2010) in stopnje izražanja železovih regulatornih proteinov -1 in -2 (IRP1 in IRP2, vključena v homeostazo železa) (Recalcati et al., 2010) . Poleg tega je posledica tega strogega pogleda na ROS kot škodljive spojine ta, da morajo antioksidanti zmanjšati svoj učinek na staranje in splošno zdravje (Vina et al., 2016). Vendar so številne študije pokazale, da temu ni vedno tako (Fortmann et al., 2013; Grodstein et al., 2013; Higashida et al., 2011). ROS, tudi v mitohondrijih, niso nujno škodljivi in ​​dejansko , so poročali o nekaterih koristih za zdravje, vključno s pozitivno vlogo pri življenjski dobi v stresnih razmerah (Lee et al., 2010). Zato lahko nizke ravni le-teh sprožijo prilagoditveni odziv, ki končno vodi do splošnega izboljšanja sistemskih obrambnih mehanizmov, koncepta, imenovanega mitohondrijska hormeza ali mitohormeza (Kawagishi in Finkel, 2014; Ristow, 2014).

Cistanche lahko upočasni staranje

Posledično je lahko staranje posledica deregulacije signalnih poti ROS in ne samih reaktivnih vrst (de Magalhaes, 2013). Ne glede na to, ali upoštevamo razpoložljive podatke za mitotične ali postmitotične celice, so dokazi o neposredni povezavi med ROS in staranjem v najboljšem primeru še vedno šibki.

Medtem ko vpliva na DNK in lipide (slika 2), je oksidativna poškodba beljakovin nepopravljiva in nepopravljiva (Thanan et al., 2014) in jo mora proteasom razgraditi. Proteasom je najpomembnejši proteolitični stroj v evkariontskih celicah, ki je v veliki meri odgovoren za odstranjevanje oksidiranih beljakovin in preprečevanje njihove agregacije (Nystrom, 2005). Dokazano pa je, da je aktivnost proteasomov med staranjem oslabljena, kar povzroči kopičenje oksidacijskih proteinov, agresoma in lipofuscina, tako imenovanega starostnega pigmenta.

Pravzaprav je agregacija beljakovin skupna značilnost, povezana s starostjo

nevrodegenerativne bolezni, kot sta Parkinsonova in Alzheimerjeva bolezen (David, 2012). V skladu s tem pogledom je staranje torej naraščajoče propadanje proteinske homeostaze in je odvisno od medsebojnega delovanja med komponentami mreže proteostaze, ki imajo izrazite posledice na dolgoročno zdravje celice (Douglas in Dillin, 2010). Ta omrežja proteostaze so sposobna ublažiti stalen tok napačnega zlaganja beljakovin, ki ga povzročajo inherentne značilnosti sinteze in razgradnje beljakovin, ki so nagnjene k napakam. Vendar se taka omrežja sčasoma tudi poslabšajo, zaradi česar postanejo celice bolj ranljive za toksični stres, ki ga povzročajo beljakovine (Morimoto, 2004). Celice so sposobne

preprečevanje agregacije beljakovin zaradi bolezni v zgodnjih življenjskih obdobjih z zmanjšanjem pretoka beljakovin zaradi bolezni s povečanim nadzorom zvijanja in razgradnje, zmanjšano sintezo beljakovin in ugodno predelavo beljakovin (Douglas in Dillin, 2010). Kljub temu so to zelo zapleteni mehanizmi (Hetz in Glimcher, 2011) in njihova natančna narava ostaja večinoma neznana (Jaroszet sod., 2010). Izvedeni so bili poskusi povečanja izražanja in aktivnosti proteasomov, kar vodi do 15-20-odstotnega povečanja dolgoživosti v celičnih modelih. Vendar kljub nekaterim prepričljivim dokazom, da pri nekaterih boleznih, povezanih s staranjem, nastajajo beljakovinski agregati, ni jasno, ali združevanje beljakovin povzroča staranje ali obratno (Moronetti MazZeo et al., 2012).

Glavna funkcija sistema proteolitične razgradnje poškodovanih proteinov je preprečevanje kopičenja najbolj poškodovanih proteinov. Če poškodovanega proteina ne prepoznamo in razgradimo s proteasomsko aktivnostjo, lahko pride do nadaljnje oksidacije in kovalentnega zamreženja z drugimi beljakovinskimi stranskimi produkti peroksidacije lipidov, kot je 4-hidroksi-2-trans-nominal (HNE) (Friguet in Szweda. 1997) in malondialdehid (MDA) (Voitkun in Zhitkovich, 1999), dva obilna produkta bifunkcionalne aldehidne oksidacije. Kadar se ne razgradi dovolj hitro in/ali ko je celica izpostavljena ekstremnemu oksidativnemu stresu, obstaja povečana verjetnost, da celice dosežejo drugo stopnjo. Na tej stopnji proteini niso več razgradljivi s proteasomom. Posledica tega je tvorba beljakovinskih agregatov, hidrofobnih in netopnih po naravi, imenovanih "agresomi" (Amidi et al., 2007). Tvorbo agresomov lahko termodinamično poganjajo njihovi izpostavljeni hidrofobni ostanki, stranski produkti lipidne peroksidacije (kot sta MDA ali HNE) pa lahko povzročijo kovalentno navzkrižno povezovanje (Jung et al., 2009). Proteasomska aktivnost se v starajočih se celicah zmanjša in je bilo dokazano, da proteasomska inhibicija v mladih celicah vodi do povečane tvorbe (polubikvitiniranih) proteinskih agregatov (Powell et al., 2005). Zanimivo je, da obstajajo nekateri znaki, da zdravi stoletniki kažejo ravni proteasomskih aktivnosti in oksidativno modificiranih beljakovin, ki so enake tistim, ki jih najdemo v mlajših kontrolnih skupinah (Chondrogianni et al., 2000). Ta opažanja so vodila do ideje o umetnem aktiviranju proteasomskega sistema kot strategije proti staranju (Chondrogianni in Gonos, 2008). Kljub izrazito povečani proteolizi, z večjim prometom poškodovanih/modificiranih beljakovin in izboljšanim okrevanjem po zunanjem oksidativnem stresu, so takšne strategije še daleč od izvedljivih. Raziskanih je bilo le nekaj posttranslacijskih modifikacij ribosomskih podenot, ki vplivajo na aktivnosti proteasomov med staranjem, številna področja regulacije proteasomov pa niso povsem pojasnjena, vključno s specifičnimi regulatorji in transkripcijsko regulacijo poti aktivacije proteasomov.

Podobno kot pri oksidativnih poškodbah se domneva, da tudi nitrozativne poškodbe, ki jih povzročajo reaktivne dušikove vrste (RNS), kot je dušikov oksid, prispevajo k boleznim, povezanim s staranjem, in sicer jetrni steatozi in apoptozi (Abdelmegeed et al., 2016). kot tudi funkcionalne in strukturne spremembe v kardiovaskularnem sistemu (Novella et al., 2013; Surikow et al., 2015). Poleg tega je bil povezan tudi z okvarami homeostaze spanja (Rytkönen et al., 2010), psihološkimi motnjami (Maurya et al, 2016) in demenco (Mangialasche et al, 2009). Vendar pa so mehanizmi, s katerimi lahko RNS delujejo s celičnimi komponentami, kot je mitohondrij, še vedno nejasni, zlasti in vivo (Zelickson et al. 2013). Posledično je treba bolje razumeti, kako te vrste nastanejo in procese, s katerimi vplivajo na mitohondrijsko in celično delovanje.

Napredni končni produkti glikacije (AGE) so kompleksna in zelo heterogena skupina spojin, ki lahko povzročijo celične oksidativne poškodbe. Nastanejo, ko reducirni sladkor reagira na neencimski način z beljakovinami, lipidi ali DNK (slika 3), kar imenujemo Maillardova reakcija (Luevano-Contreras in Chapman-Novakofski, 2010). Ta reakcija ima ključno vlogo v živilski industriji, saj njeni izdelki dodajo živilom zaželen okus in barvo (Rufian-Henares in Pastoriza, 2016). In vivo so bili AGE deležni vse večje pozornosti zaradi dejstva, da so bili povezani s posebnimi kroničnimi boleznimi, in sicer sladkorno boleznijo (Forbes et al. 2004), kardiovaskularnimi patologijami (Bucala et al., 1994) in v zadnjem času kognitivnimi oslabitev (West et al., 2014; Yaffe et al., 2011). Njihove biološke škodljive učinke lahko pripišemo njihovemu prooksidativnemu, vnetnemu in kemičnemu delovanju (Ahmed, 2005), ki poteka po dveh različnih mehanizmih. Ena je neodvisna od receptorja, druga pa vključuje receptor za AGE (RAGE) (Luevano-Contreras in Chapman-Novakofski, 2010) (slika 4). Interakcija RAGE in AGE na koncu vodi do cikla pozitivne povratne informacije (Ishibashi et al., 2014; Lohwasser et al. 2006; Nakamura et al. 2009; Tanaka et al., 2000), kar poveča izražanje RAGE. Poleg tega interakcija AGEs-RAGE aktivira NADPH oksidazo, ki je regulirana navzgor, s čimer se poveča znotrajcelični oksidativni stres (Luevano-Contreras in Chapman-Novakofski, 2010). Kljub nekaterim zanimivim delom, ki opisujejo kopičenje AGE pri boleznih, povezanih s staranjem (Srikanth et al., 2011; West et al., 2014), in pri starejših (Peppa et al., 2008; Uribarriet et al., 2007; Vlassara et al, 2009), še vedno ni vzpostavljene neposredne povezave med temi in staranjem.

Druga prevladujoča teorija škode kot vzroka staranja je nestabilnost genoma, ki je bila temeljito pregledana drugje (Lopez-Otin et al., 2013). Stabilnost in celovitost DNK nenehno ogrožajo številni endogeni in eksogeni dejavniki, vključno z napakami replikacije DNK in fizičnimi,cistanche benefícioskemični in biološki dejavniki (Lopez-Otin et al., 2013). Organizmi so razvili zapleten sistem mehanizmov popravljanja DNK, ki se v večini primerov učinkovito spopadejo s temi poškodbami, povzročenimi DNK. Vendar pa lahko ti mehanizmi, če so okvarjeni, povzročijo nestabilnost genoma in povzročijo sindrome prezgodnjega staranja. Helikaze DNA igrajo bistveno vlogo pri ohranjanju genomske stabilnosti in dejansko so številne mutacije v genih za helikazo pri ljudeh povezane z boleznimi kromosomske nestabilnosti, za katere so značilne s starostjo povezane bolezni (Suhasini in Brosh, 2013), vključno s Xerodermo Pigmentosum ( XP), Cockaynov sindrom (CS) in Wernerjev sindrom (WS) (Brosh, 2013; Fang Evandro et al, 2014). CS-A/CS-B, XP-B naj bi posamezno vplivali na jedrske dogodke, vključno s popravilom, povezanim s transkripcijo (TCR), nukleotidnim ekscizijskim popravljanjem (NER) in, morda bolj poznanim širšemu občinstvu, vzdrževanjem telomer. /XP-D oziroma helikaze WRN (Uchiumi et al., 2015).

Večina zagovornikov teorije staranja o genomski nestabilnosti se sklicuje na skrajšanje telomer (Kruk et al., 1995) (slika 4). Telomeri so ponavljajoča se zaporedja DNA na koncih linearnih kromosomov, ki jih DNA polimeraze ne morejo v celoti podvojiti (Johnson et al., 1999). Posledično se telomeri skrajšajo z vsako celično delitvijo, razen če jih vzdržuje telomeraza, ribonukleoproteinski encim (slika 5). Kljub temu večina sesalcev nima tega encima in izčrpanost telomer je pravzaprav vzrok za tako imenovano Hayflickovo mejo, največjo proliferativno sposobnost nekaterih vrst in vitro gojenih celic (Hayflick in Moorhead, 1961). To se zgodi zaradi prisotnosti shelterina, multiproteinskega kompleksa, ki veže telomere in deluje kot ovira proti proteinom za popravilo DNK. Poleg tega je uvedba telomeraze v normalne človeške celice prinesla nesmrtne celične linije (Bodnar et al., 1998; Stampfer in Garbe, 2015).

Čeprav se lahko prisotnost shelterina na prvi pogled zdi škodljiva za celico, takšni mehanizmi preprečujejo zlitje kromosomov (Meena et al., 2015). Kljub vsem tem očitno prepričljivim dokazom, da je skrajšanje telomer glavno gonilo staranja, je veliko del vrglo senco dvoma na to trditev. Študije presečnih in vzdolžnih vzorcev so pokazale, da ni mogoče ugotoviti pomembne korelacije med starostjo darovalca in replikativno življenjsko dobo celic kulture, če so zdravstveni status darovalca in pogoji biopsije nadzorovani (Holliday, 2014). Poleg tega je bilo dokazano, da je proces prezgodnjega staranja progeroidnih fibroblastov (celic s pospešenim staranjem) le delno podoben procesu staranja in vitro normalnih fibroblastov (Toda et al, 1998), čeprav je nedavno eksperimentalno delo pokazalo, da telomeraza zagotavlja zaščito pred pospešenim staranjem. v izvornih celicah, specifičnih za Wernerjev sindrom (Cheung et al. 2014). Končno, v nasprotju s pričakovanim, se celice CD28-T, ki imajo v kulturi skrajšane telomere in izrazito zmanjšano proliferativno sposobnost, kopičijo s starostjo (Effros, 1998). Zato je lahko skrajšanje telomer vpleteno v staranje, vendar zagotovo ni edini vzrok staranja in mehanizem njegovega delovanja, čeprav je na videz načeloma preprost, je treba še v celoti razumeti.

K staranju lahko prispevajo tudi mutacije in delecije v mitohondrijski DNA (mtDNA).Izvleček Cistanche proti sevanjuTa vrsta DNA je izjemno gensko gosta in kodira številne dejavnike, ki so kritični za oksidativno fosforilacijo. Zato mutacije v mtDNA – za katere se domneva, da so desetkrat večje od mutacij jedrske DNA (Jeppesen et al. 201l) – povzročajo širok spekter človeških mitohondrijskih bolezni in so vpletene v bolezni, povezane s staranjem (Park in Larsson). , 2011), ki je dodatno okrepljen z oksidativnim mikrookoljem mitohondrijev in pomanjkanjem zaščitnih histonov, vključenih v popravljalne mehanizme jedrske DNK (Pinto in Moraes, 2015). Vzročni dokaz o vlogi poškodb mtDNA pri staranju izhaja iz študij na miših, ki jim primanjkuje mitohondrijske DNA polimeraze Y. Ti mutanti kažejo vidike prezgodnjega staranja in zmanjšane življenjske dobe (Vermulst et al., 2008). klonsko širjenje dogodkov posamezne mutacije v starih možganih je bilo opisano (Williams et al. 2013), zanimivo, v predelih možganov, ki so zelo dovzetni za oksidativne poškodbe (Pickrell et al., 2011). Vendar pa je posledica mutacij mtDNA pri staranju sporna zaradi množice mitohondrijskih genomov (Lopez-Otin et al, 2013). To pomeni, da lahko mutirani in divji genomi soobstajajo znotraj iste celice, pojav, imenovan "heteroplazmija", in nedavno je bila stopnja heteroplazme predlagana kot preprost in neinvaziven napovedovalec s starostjo povezanih nevroloških in gibalnih okvar (Tranah et al., 2015). Kljub temu možnemu soobstoju mtDNA in globalno nizke ravni mutacij mtDNA so analize posamezne celice pokazale, da postane obremenitev posameznih starajočih se celic znatna (Khrapko et al., 1999) in lahko na koncu doseže stanje homoplazme, v kateri prevladuje en mutantni genom (Lopez-Otin et al., 2013). Čeprav so bili mehanizmi, s katerimi mitohondrijska disfunkcija vodi v bolezni, opisani (Ylikallio in Suomalainen. 2012), kako lahko mutacije mtDNA povzročijo staranje, ni povsem pojasnjeno (Pinto in Moraes, 2015). Ena od ključnih omejitev te teorije je, da ostaja nepojasnjeno, kako se lahko žariščna okvara mitohondrijske funkcije razširi po tkivu. Tako je jasno, da so potrebne nadaljnje študije, da bi bolje razjasnili, kako mutacije mtDNA sčasoma vodijo do staranja.

(3) Kombinirane teorije

Eno prvih prizadevanj za razvoj enotne teorije staranja je izvedel Strehler (1976) leta 1976. Oblikoval je štiri postulate: (1) staranje je univerzalno in,rast penisa cistanchekot tak se mora pojav, povezan s staranjem, pojavljati pri vseh posameznikih neke vrste, čeprav v različnih stopnjah; (2) staranje mora biti intrinzično: vzroki morajo biti endogeni in niso odvisni od zunanjih dejavnikov; (3) staranje je progresivno in se mora postopoma pojavljati v celotnem življenjskem obdobju in; (4) staranje mora biti škodljivo, tj. pojav, povezan s staranjem, bo obravnavan kot del procesa staranja le, če za posameznika ne prinaša nobenih prednosti.

Kmalu zatem je bila na podlagi teh postulatov razvita membranska hipoteza staranja (Zs.-Nagy, 1978), ki je temeljila na dejstvu, da postanejo celične membrane med staranjem bolj toge in da lahko zmanjšanje vsebnosti intracelularnega kalija povzroči nekakšno "pomlajevanje". Z drugimi besedami, staranje je bilo povezano s spremembami v sposobnosti celic za prenos kemikalij, toplote in električnih procesov.

V zgodnjih osemdesetih letih prejšnjega stoletja je Cutler postavil disdiferenciacijsko hipotezo o staranju in dolgoživosti sesalcev (Cutler, 1982), ki je temeljila na ideji, da je glavni vzrok za večino obsežnih zapletenosti procesa staranja oddaljevanje celic od njihovih celic. pravilno stanje diferenciacije, saj so dneve diferencirane celice odgovorne za sprožitev kaskade sprememb v celotnem organizmu in da je vsota teh staranje (Taylor in Johnson, 2008). Čeprav so bile nekatere študije izvedene z disdiferenciacijsko hipotezo o staranju kot temeljno predpostavko (Kator et al, 1985; Ono et al., 1985), je bila ta zamisel večinoma opuščena v korist nekaterih prej opisanih pogledov v proces staranja.

Nedavno je bila predlagana nova integrativna teorija,cistanche herbatemelji na ideji, da staranje v osnovi ni kemijski proces, temveč bolj biofizikalni mehanizem električne narave. Teorija staranja o bledeči električni energiji (De Loof et al., 2013) trdi, da ko celice postopoma izgubljajo sposobnost proizvajanja lastne elektrike, začnejo delovati biokemični procesi, ki so bili predlagani kot gonila staranja, kar sčasoma vodi v smrt. s staranjem. Čeprav je vsekakor verjetna, tej teoriji manjka podatkov, ki bi podpirali hipotezo. Kljub temu odpira zanimiv vidik pri raziskavah staranja: znanstveniki se ne bi smeli omejiti na biokemične in genetske vzroke staranja. Upoštevati je treba vse biofizične aktivnosti žive celice, in sicer bioelektrično, kot možen vzrok za staranje.

Čeprav je bilo predlaganih več teorij o staranju, do danes ni soglasja o tej zadevi. Pravzaprav se zdi, da veliko predlaganih mehanizmov na tak ali drugačen način deluje med seboj (Jin, 2010). Zato je potrebna integrativna analiza kvantitativnih razpoložljivih dokazov na različnih ravneh biološke hierarhije, da bi temeljno razumeli, kako poteka proces staranja. Opravljenih je bilo več poskusov iskanja sinergij in združevanja različnih pogledov in teorij staranja (Barja, 2013; Bengtson et al., 1999; Gems, 2000; Miquel, 1991; Weinert in Timiras, 2003), vendar se nobena ni uveljavila kot prevladuje podroben in celovit pogled na to, kaj je in, kar je najpomembnejše, kako nastane staranje. Kljub temu kombinirane teorije gledajo na staranje kot na zelo omrežen proces na sistemski ravni, reguliran s povratnimi zankami med nivoji biološke organizacije (Kriete et al., 2006) (slika 6).

Ta članek je izvleček iz rokopisa Aging Res Rev. Author; na voljo v PMC 2018, 7. junija.