Sinopsis o starenju—teorije, mehanizmi i budući izgledi, 2. dio

Molimo kontaktirajteoscar.xiao@wecistanche.comza više informacija

Zbog činjenice da su mitohondriji glavni proizvođač ROS u stanicama sisara, mitohondrijska DNK (mtDNA) je stoga posebno osjetljiva na oksidativno oštećenje (Cui et al., 2011), a glavni purinski proizvod oksidativnog oštećenja baze DNK je 7,{ {2}}dihidro-8-okso-2'-deoksigvanozin (8-oksid). Ovo, nakon replikacije, može uzrokovati karakteristične G:T transverzije na relativno niskoj frekvenciji (Hanes et al, 2006), što rezultira mutacijama koje dovode do defektnih komponenti lanca transporta elektrona (ETC). Naknadna inkorporacija ovih u ETC uzrokuje dalje povećanje vrsta ROS, što na kraju dovodi do "začaranog kruga" proizvodnje ROS i mutacija mtDNA, što na kraju dovodi do nivoa oštećenja ćelija nekompatibilnih sa životom (Alexeyev,2009). Održavanje mitohondrija je stoga neophodno za očuvanje ćelijske homeostaze, a narušeno održavanje mitohondrija opisano je kao zajednički znak brojnih ljudskih patologija i starenja (Artal-Sanz i Tavermarakis, 2009). Iako ovaj mehanizam nije u potpunosti shvaćen, nedavne studije su pokazale da mitofagija, specifična i selektivna vrsta autofagije koja cilja mitohondrije na degradaciju, stupa u interakciju s mitohondrijalnom biogenezom kako bi regulirala sadržaj mitohondrija kao i dugovječnost kod C. elegans (Palikaras et al. ..2015).

Molimo kliknite ovdje da saznate više

Ipak, jedan od najvažnijih aspekata oštećenja DNK izazvanih ROS-om i starenja je nivo metilacije DNK. Oni variraju s godinama i uobičajeno se smatra da je hipometilacija DNK tipičan aspekt procesa starenja (Afanas'ev, 2014). ROS su aktivni intermedijeri DNK metilacije, kao i modifikacije histona. Ove reaktivne vrste kiseonika mogu igrati ulogu u epigenetskim procesima (fiziološke fenotipske varijacije uzrokovane vanjskim ili okolišnim faktorima koji uključuju/isključuju gene) kroz reakcije nukleofilne supstitucije na nivou DNK.Cistanche protiv starenjaShodno tome, sugerirano je da bolje očuvanje nivoa metilacije DNK, sporiji ćelijski metabolizam i poboljšana kontrola prijenosa signala putem epigenetskih mehanizama mogu biti ključni procesi uključeni u ljudsku dugovječnost. Drugim riječima, ROS signalizacija u starim stanicama vjerovatno uzrokuje hipometilaciju DNK, iako još uvijek nema dovoljno podataka da bi se podržala takva hipoteza (Gentilini et al., 2013). Ipak, postoje neki dokazi koji podržavaju ulogu ROS-a u procesu starenja, naime, studije o učinku jonizujućeg zračenja na žive ćelije, manipulacije ishranom i radovi koji naglašavaju učešće slobodnih radikala u patogenezi specifičnih bolesti (Harman, 1993).

Ove genetske veze između starenja i oksidativnog oštećenja opisane su za životinje kod kojih je većina zrelih stanica postmitotična. Takve ćelije mogu biti osjetljivije na

kumulativno oštećenje ROS-a zbog nemogućnosti da se sami zamene. Zanimljivo je da je pokazano da takva osjetljivost na oštećenja može uvelike varirati kod sisara, čak i kod onih s identičnim veličinama (Montgomery et al., 2011). Najranjiviji organi u ovim organizmima su srce, mozak i skeletni mišići. To je zato što su to tkiva bogata energijom i, u slučaju mozga, osjetljivost na oštećenja izazvana ROS-om može proizaći iz obilja redoks aktivnih spojeva (de Magalhaes, 2013). Iako se ROS obično smatraju štetnim jedinjenjima, studije su potvrdile da oni igraju važnu ulogu u višestrukim ćelijskim funkcijama (Miki i Funato, 2012; Ray et al, 2012; Sena i Chandel, 2012), kao što je regulacija aktiviranog mitogenom signalni putevi protein kinaze (MAPK) (Cuadrado i Nebreda, 2010) i nivoi ekspresije regulatornih proteina gvožđa-1 i-2 (IRP1 i IRP2, uključeni u homeostazu gvožđa) (Recalcati et al.,2010) . Nadalje, posljedica ovog strogog pogleda na ROS kao štetna jedinjenja je da bi antioksidansi trebali smanjiti njihov učinak na starenje i općenito zdravlje (Vina et al., 2016). Međutim, višestruke studije su pokazale da to nije uvijek slučaj (Fortmann et al., 2013; Grodstein et al., 2013; Higashida et al., 2011). ROS, uključujući mitohondrije, nisu nužno štetni i zapravo , zabilježene su neke zdravstvene beneficije, uključujući pozitivnu ulogu u životnom vijeku u uslovima stresa (Lee et al., 2010). Stoga, niski nivoi njih mogu izazvati adaptivni odgovor koji na kraju dovodi do opšteg poboljšanja sistemskih odbrambenih mehanizama, koncepta koji se naziva mitohondrijalna hormeza ili mitohormeza (Kawagishi i Finkel, 2014; Ristow, 2014).

Cistanche može protiv starenja

Shodno tome, starenje može biti rezultat deregulacije ROS signalnih puteva, a ne samih reaktivnih vrsta (de Magalhaes, 2013). Međutim, bilo da se uzmu u obzir dostupni podaci za mitotičke ili postmitotičke ćelije, dokazi za direktnu vezu između ROS i starenja su u najboljem slučaju još uvijek slabi.

Dok utiče na DNK i lipide (slika 2), oksidativno oštećenje proteina je ireverzibilno i nepopravljivo (Thanan et al., 2014) i mora biti razgrađeno proteazomom. Proteasom je najvažniji proteolitički mehanizam u eukariotskim stanicama, u velikoj mjeri odgovoran za uklanjanje oksidiranih proteina i prevenciju njihove agregacije (Nystrom, 2005). Međutim, pokazalo se da je aktivnost proteasoma poremećena tokom starenja što dovodi do akumulacije oksidirajućih proteina, agresoma i lipofuscina, takozvanog pigmenta starosti.

U stvari, agregacija proteina je uobičajena karakteristika koja određuje starost

neurodegenerativne bolesti, kao što su Parkinsonova i Alchajmerova bolest (David, 2012). Prema ovom gledištu, starenje je, dakle, rastući kolaps proteinske homeostaze i ovisi o međudjelovanju između komponenti mreže proteostaze, koje imaju značajne posljedice na dugoročno zdravlje ćelije (Douglas i Dillin, 2010). Ove proteostazne mreže su sposobne da puferuju konstantan tok pogrešnog savijanja proteina, što je uzrokovano inherentno sklonom greškama karakteristikama sinteze proteina i mehanizama degradacije. Međutim, takve mreže također prolaze kroz vrijeme propadanja, čineći tako stanice ranjivijim na toksični stres izazvan proteinima (Morimoto, 2004.), ćelije su sposobne za

suzbijanje agregacije proteina bolesti u njihovim ranim fazama života smanjenjem protoka proteina bolesti putem povećane kontrole savijanja i degradacije, smanjene sinteze proteina i povoljne obrade proteina (Douglas i Dillin, 2010). Ipak, ovo su veoma složeni mehanizmi (Hetz i Glimcher, 2011) i njihova tačna priroda ostaje uglavnom nepoznata (Jaroszet al., 2010). Učinjeni su pokušaji da se poveća ekspresija i aktivnost proteasoma, što je dovelo do 15-20 posto povećanja dugovječnosti u ćelijskim modelima. Međutim, uprkos nekim uvjerljivim dokazima da postoji stvaranje proteinskih agregata u nekim bolestima povezanim sa starenjem, nejasno je da li agregacija proteina izaziva starenje ili obrnuto (Moronetti MazZeo et al., 2012).

Glavna funkcija proteolitičkog sistema razgradnje oštećenih proteina je u prevenciji akumulacije najoštećenijih proteina. Ako se oštećeni protein ne prepozna i razgradi proteazomskom aktivnošću, može doći do daljnje oksidacije, kao i kovalentnog umrežavanja s drugim proteinskim nusproizvodima peroksidacije lipida, kao što je 4-hidroksi-2-trans-nominalni (HNE) (Friguet i Szweda. 1997) i malondialdehid (MDA) (Voitkun i Zhitkovich, 1999), dva obilna bifunkcionalna aldehidna oksidaciona proizvoda. Kada se ne razgrađuje dovoljno brzo i/ili kada je ćelija izložena ekstremnom oksidativnom stresu, postoji povećana vjerovatnoća da ćelije dođu u drugu fazu. U ovoj fazi, proteini se više ne mogu razgraditi proteazomom. Ovo rezultira stvaranjem proteinskih agregata, hidrofobnih i netopivih u prirodi, koji se nazivaju "agrezomi" (Amidi et al., 2007). Formiranje agresoma može biti termodinamički vođeno njihovim izloženim hidrofobnim ostacima, a nusprodukti peroksidacije lipida (poput MDA ili HNE) mogu uzrokovati kovalentno umrežavanje (Jung et al., 2009.) Proteazomska aktivnost se smanjuje u stanicama koje stare i pokazalo se da proteazomalna inhibicija u mladim ćelijama dovodi do pojačanog stvaranja (polibikvitiniranih) proteinskih agregata (Powell et al., 2005). Zanimljivo je da postoje neke indikacije da zdravi stogodišnjaci pokazuju nivoe i proteazomskih aktivnosti i oksidativno modifikovanih proteina identične onima pronađenim u mlađim kontrolnim grupama (Chondrogiani et al., 2000). Ova zapažanja su dovela do ideje o vještačkom aktiviranju proteazomalnog sistema kao strategije protiv starenja (Chondrogiani i Gonos, 2008). Unatoč tome što pokazuje značajno povećanu proteolizu, s većim prometom oštećenih/modificiranih proteina i poboljšanim oporavkom nakon vanjskog primijenjenog oksidativnog stresa, takve strategije su još uvijek daleko od izvodljivih. Istraženo je samo nekoliko posttranslacionih modifikacija ribosomskih podjedinica koje utiču na aktivnosti proteasoma tokom starenja i mnoga područja regulacije proteasoma nisu u potpunosti razjašnjena, uključujući specifične regulatore i transkripcionu regulaciju puteva aktivacije proteasoma.

Slično oksidativnom oštećenju, nitrozativno oštećenje – uzrokovano reaktivnim azotnim vrstama (RNS), kao što je dušikov oksid – također doprinosi bolestima povezanim sa starenjem, naime, jetrenoj steatozi i apoptozi (Abdelmegeed et al., 2016.), kao i funkcionalne i strukturne promjene u kardiovaskularnom sistemu (Novella et al., 2013; Surikow et al., 2015). Osim toga, također je povezan s oštećenjima homeostaze spavanja (Rytkönen et al., 2010), psihološkim poremećajima (Maurya et al, 2016) i demencijom (Mangialasche et al, 2009). Međutim, mehanizmi pomoću kojih RNS može stupiti u interakciju sa ćelijskim komponentama, poput mitohondrija, još uvijek su nejasni, posebno in vivo (Zelickson et al.2013). Shodno tome, postoji potreba da se bolje razumije kako nastaju ove vrste i procesi kroz koje utječu na mitohondrijalnu i staničnu funkciju.

Krajnji proizvodi napredne glikacije (AGE) su složena i vrlo heterogena grupa spojeva sposobnih da izazovu ćelijsko oksidativno oštećenje. Nastaju kada redukcioni šećer reaguje na neenzimski način sa proteinima, lipidima ili DNK (slika 3), nazvana Maillardova reakcija (Luevano-Contreras i Chapman-Novakofski, 2010). Ova reakcija igra ključnu ulogu u prehrambenoj industriji, jer njeni proizvodi daju poželjan ukus i boju hrani (Rufian-Henares i Pastoriza, 2016). In vivo, AGE-ovi su dobili sve veću pažnju zbog činjenice da su povezani sa specifičnim hroničnim bolestima, naime, dijabetesom (Forbes et al. 2004), kardiovaskularnim patologijama (Bucala et al., 1994) i, odnedavno, kognitivnim oštećenje (West et al., 2014; Yaffe et al., 2011). Njihovi biološki štetni efekti mogu se pripisati njihovom prooksidativnom, inflamatornom i hemijskom djelovanju (Ahmed, 2005.), koje se ostvaruje pomoću dva različita mehanizma. Jedan je nezavisan od receptora, dok drugi uključuje receptor za AGE (RAGE) (Luevano-Contreras i Chapman-Novakofski, 2010) (Sl.4). Interakcija RAGE i AGE na kraju dovodi do pozitivnog povratnog ciklusa (Ishibashi et al., 2014; Lohwasser et al. 2006; Nakamura et al. 2009; Tanaka et al., 2000), povećavajući ekspresiju RAGE. Dodatno, interakcija AGEs-RAGE aktivira NADPH oksidazu, koja je povećana, čime se povećava unutarćelijski oksidativni stres (Luevano-Contreras i Chapman-Novakofski, 2010). Uprkos nekim zanimljivim radovima koji opisuju akumulaciju AGE kod bolesti povezanih sa starenjem (Srikanth et al.,2011; West et al.,2014) i kod starijih osoba (Peppa et al.,2008; Uribarriet al.,2007; Vlassara i dr. al, 2009), još uvijek ne postoji uspostavljena direktna veza između njih i starenja.

Još jedna preovlađujuća teorija oštećenja kao uzroka starenja je nestabilnost genoma, koja je detaljno razmotrena na drugim mjestima (Lopez-Otin et al., 2013). I stabilnost i integritet DNK su kontinuirano dovedeni u pitanje brojnim endogenim i egzogenim faktorima, uključujući greške u replikaciji DNK i fizičke,cistanche benefícioshemijski i biološki agensi (Lopez-Otin et al., 2013). Organizmi su razvili složen sistem mehanizama za popravku DNK koji se, u većini slučajeva, efikasno nose sa ovim oštećenjima nanesenim DNK. Međutim, ako su defektni, ovi mehanizmi mogu dovesti do nestabilnosti genoma i dovesti do sindroma preranog starenja. DNK helikaze igraju ključnu ulogu u održavanju genomske stabilnosti i, zapravo, brojne mutacije u ljudskim genima helikaze su povezane s bolestima hromozomske nestabilnosti koje karakteriziraju bolesti povezane sa starenjem (Suhasini i Brosh, 2013), uključujući Xeroderma Pigmentosum ( XP), Cockayneov sindrom (CS) i Wernerov sindrom (WS) (Brosh, 2013; Fang Evandro et al, 2014). Smatra se da CS-A/CS-B, XP-B pojedinačno utiču na nuklearne događaje, uključujući popravku povezanu s transkripcijom (TCR), popravku ekscizijom nukleotida (NER) i, možda poznatije široj publici, održavanje telomera. /XP-D, odnosno WRN helikaze (Uchiumi et al., 2015).

Većina pristalica teorije genomske nestabilnosti starenja poziva se na skraćivanje telomera (Kruk et al., 1995) (slika 4). Telomere su ponovljene DNK sekvence na krajevima linearnih hromozoma, koje DNK polimeraze ne mogu u potpunosti replicirati (Johnson et al., 1999). Posljedično, telomeri se skraćuju sa svakom diobom stanice, osim ako ih ne održava telomeraza, enzim ribonukleoprotein (slika 5). Ipak, većini sisara nedostaje ovaj enzim, a iscrpljenost telomera je, u stvari, korijen takozvane Hayflickove granice, maksimalnog proliferativnog kapaciteta nekih vrsta in vitro kultiviranih stanica (Hayflick i Moorhead, 1961). To se događa zbog prisustva shelterina, multiproteinskog kompleksa koji veže telomere, funkcionirajući kao barijera protiv proteina za popravku DNK. Nadalje, uvođenje telomeraze u normalne ljudske ćelije je dalo besmrtne ćelijske linije (Bodnar et al., 1998; Stampfer i Garbe, 2015).

Iako se prisustvo shelterina na prvi pogled može činiti štetnim za ćeliju, takvi mehanizmi sprječavaju fuziju hromozoma (Meena et al., 2015). Uprkos svim ovim očigledno neodoljivim dokazima za skraćivanje telomera kao glavnog pokretača starenja, mnogi radovi bacili su senku sumnje na ovu tvrdnju. Studije i poprečnih i longitudinalnih uzoraka otkrile su da, ako se kontroliše zdravstveni status donora i uslovi biopsije, ne može se utvrditi značajna korelacija između starosti donora i replikativnog životnog vijeka ćelija kulture (Holliday, 2014). Osim toga, pokazalo se da proces preranog starenja progeroidnih fibroblasta (ćelije pojačanog starenja) dijeli samo dio in vitro procesa starenja normalnih fibroblasta (Toda et al, 1998), iako je nedavni eksperimentalni rad pokazao da telomeraza pruža zaštitu od ubrzanog starenja. kod Wernerovog sindroma matičnih ćelija specifičnih za lozu (Cheung et al.2014). Konačno, suprotno onome što se očekivalo, CD28-T ćelije, koje pokazuju skraćene telomere i značajno smanjeni proliferativni kapacitet u kulturi, akumuliraju se sa godinama (Effros, 1998). Dakle, skraćivanje telomera može biti uključeno u starenje, ali sigurno nije jedini uzrok starenja, a njegov mehanizam djelovanja, iako naizgled jednostavan u principu, tek treba u potpunosti razumjeti.

Mutacije i delecije u mitohondrijskoj DNK (mtDNK) također mogu doprinijeti starenju.Ekstrakt Cistanche protiv zračenjaOvaj tip DNK je izuzetno gust genima i kodira brojne faktore koji su kritični za oksidativnu fosforilaciju. Stoga, mutacije u mtDNK – za koje se vjeruje da su deset puta veće od nuklearne DNK (Jeppesen et al.201l) – uzrokuju širok spektar ljudskih mitohondrijalnih bolesti i upletene su u bolesti povezane sa starenjem i starenje (Park i Larsson , 2011), što je dodatno pojačano oksidativnim mikrookruženjem mitohondrija i nedostatkom zaštitnih histona, uključenih u mehanizme popravke nuklearne DNK (Pinto i Moraes, 2015). Uzročni dokaz o ulozi oštećenja mtDNK u starenju dolazi iz studija na miševima kojima nedostaje mitohondrijalna DNK polimeraza Y. Ovi mutanti pokazuju aspekte preranog starenja i smanjenog životnog vijeka (Vermulst et al., 2008.). opisana je klonska ekspanzija pojedinačnih mutacijskih događaja u ostarjelim mozgovima (Williams et al. 2013), zanimljivo, u dijelovima mozga koji su vrlo osjetljivi na oksidativno oštećenje (Pickrell et al., 2011). Međutim, implikacija mutacija mtDNA u starenju je kontroverzna, zbog mnoštva mitohondrijalnih genoma (Lopez-Otin et al, 2013). To znači da genomi mutanta i genoma divljeg tipa mogu koegzistirati unutar iste ćelije, što je fenomen koji se naziva "heteroplazmija", a nedavno je predložen stepen heteroplazme kao jednostavan i neinvazivan prediktor neuroloških i pokretnih oštećenja povezanih sa starenjem (Tranah et al., 2015). Uprkos ovoj mogućoj koegzistenciji mtDNK i globalno niskog nivoa mutacija mtDNK, analize jedne ćelije su otkrile da opterećenje pojedinačnih ćelija koje stare postaje značajno (Khrapko et al., 1999) i može na kraju dostići stanje homoplazme, u kojem dominira jedan mutantni genom (Lopez-Otin et al., 2013). Iako su opisani mehanizmi pomoću kojih mitohondrijska disfunkcija dovodi do bolesti (Ylikallio i Suomalainen. 2012), kako mutacije mtDNK mogu izazvati starenje nije u potpunosti razjašnjeno (Pinto i Moraes, 2015). Jedno ključno ograničenje ove teorije je da ostaje neobjašnjeno kako se fokalno oštećenje mitohondrijske funkcije može širiti kroz tkivo. Stoga je jasno da su potrebne daljnje studije kako bi se bolje razjasnilo kako mutacije mtDNK na kraju dovode do starenja.

(3) Kombinovane teorije

Jedan od prvih napora u razvoju jedinstvene teorije starenja izveo je Strehler (1976) 1976. Formulirao je četiri postulata: (1) starenje je univerzalno, i,cistanche rast penisakao takav, fenomen povezan sa starenjem mora se pojaviti kod svih individua neke vrste, iako u različitim stupnjevima; (2) starenje mora biti intrinzično: uzroci moraju biti endogeni i ne zavise od vanjskih faktora; (3) starenje je progresivno i mora se javljati postepeno tokom životnog vijeka i;(4)starenje mora biti štetno, tj., fenomen povezan sa starenjem smatrat će se dijelom procesa starenja samo ako nema prednosti za pojedinca.

Ubrzo nakon toga, proizašla iz ovih postulata, razvijena je membranska hipoteza starenja (Zs.-Nagy,1978), zasnovana na činjenici da ćelijske membrane postaju čvršće tokom starenja i da bi smanjenje unutarćelijskog sadržaja kalija moglo dovesti do neke vrste "podmlađivanje". Drugim rečima, starenje je bilo povezano sa promenama u sposobnosti ćelija da prenose hemikalije, toplotu i električne procese.

Početkom 1980-ih, Cutler je iznio disdiferencijativnu hipotezu starenja i dugovječnosti sisara (Cutler, 1982), zasnovanu na ideji da je osnovni uzrok većine ogromnih složenosti procesa starenja udaljavanje stanica od njihovih pravilno stanje diferencijacije, jer su dane diferencirane ćelije odgovorne za pokretanje kaskade promjena u cijelom organizmu i da je zbir ovih starenje (Taylor i Johnson, 2008). Iako su neke studije sprovedene sa disdiferencijativnom hipotezom starenja kao osnovnom premisom (Kator et al, 1985; Ono et al., 1985), ova ideja je uglavnom napuštena u korist nekih od prethodno opisanih gledišta u proces starenja.

Nedavno je predložena nova integrativna teorija,cistanche herbazasnovano na ideji da starenje u osnovi nije hemijski proces, već biofizički, električne prirode, mehanizam. Teorija starenja koji blijedi elektricitetom (De Loof et al., 2013) postulira da, kako ćelije postepeno gube svoju sposobnost da proizvode sopstvenu električnu energiju, u igru ​​stupaju biohemijski procesi koji su sugerisani kao pokretači starenja, koji na kraju dovode do smrti. po starenju. Iako je svakako uvjerljiva, ovoj teoriji nedostaju podaci koji podržavaju hipotezu. Ipak, to otvara zanimljiv aspekt u istraživanju starenja: naučnici se ne bi trebali ograničavati na biohemijske i genetske uzroke starenja. Treba uzeti u obzir sve biofizičke aktivnosti žive ćelije, odnosno bioelektričnu, kao mogući uzrok starenja.

Iako je predloženo više teorija starenja, do danas ne postoji konsenzus o tome. U stvari, čini se da mnogi od predloženih mehanizama, na ovaj ili onaj način, međusobno djeluju (Jin, 2010). Stoga je neophodna integrativna analiza kvantitativnih dostupnih dokaza na različitim nivoima biološke hijerarhije da bi se fundamentalno razumjelo kako se odvija proces starenja. Učinjeno je više pokušaja pronalaženja sinergije i kombinovanja različitih pogleda i teorija starenja (Barja, 2013; Bengtson et al., 1999; Gems, 2000; Miquel, 1991; Weinert i Timiras, 2003), iako se nijedan nije etablirao kao preovlađujući detaljan i sveobuhvatan pogled na ono što je, i, što je najvažnije, kako nastaje starenje. Ipak, kombinovane teorije gledaju na starenje kao na visoko umreženi proces na nivou sistema, regulisan kroz povratne veze između nivoa biološke organizacije (Kriete et al., 2006) (slika 6).

Ovaj članak je izvučen iz rukopisa Aging Res Rev. Author; dostupno u PMC-u 2018 07. juna.