Rapalogs i MTOR inhibitori kao terapeutici protiv starenja

Rapamicin, inhibitor mehaničke mete rapamicina (mTOR), ima najjaču eksperimentalnu podršku do sada kaopotencijalno sredstvo protiv starenjakod sisara. Za razliku od mnogih drugih spojeva za koje se tvrdi da utječu na dugovječnost, rapamicin je više puta testiran na dugovječnim, genetski heterogenim miševima, u kojima produžava i srednji i maksimalni životni vijek. Međutim, mehanizam koji objašnjava ove efekte je daleko od jasnog, a rastuća lista nuspojava dovodi u sumnju da bi rapamicin na kraju bio koristan kod ljudi. Ovaj pregled razmatra izglede za razvoj novijih, sigurnijihterapije protiv starenjazasnovani na analozima rapamicina (nazvanim rapalogs) ili drugim pristupima koji ciljaju mTOR signalizaciju.

Kliknite ovdje da biste dobili više informacija o Cistanche za tretman protiv starenja

Kratka istorija rapamicina i mehanička meta rapamicina Rapamicin je otkriven u tlu Uskršnjeg ostrva kao jedinjenje koje proizvodi Streptomyces hygroscopicus koji je bio sposoban da inhibira proliferaciju kvasca Candida albicans, ali nije uticao na rast bakterija (1). Kod sisara je utvrđeno da rapamicin inhibira imuni odgovor i kasnije je prihvaćen kao standardna terapija za prevenciju odbacivanja transplantata kod primaoca transplantata i za liječenje autoimunih poremećaja (2, 3). Rapamicin takođe u velikoj meri inhibira rast i proliferaciju ćelija sisara, podstičući novije interesovanje za njegovu upotrebu kao terapiju raka (4). Mehanički, rapamicin vezuje FKBP12, imunofilin sa aktivnošću prolil izomeraze. Dva dodatna proteina potrebna za njegovo djelovanje u kvascu identificirana su u genetskom pregledu 1991. i nazvana su mete rapamicina 1 (TOR1) i TOR2 (5). Tokom 1994. i 1995. godine, tri odvojene grupe su izolovale 289-kDa kinazu koja je vezana i inhibirana kompleksom rapamicin-FKBP12 u ćelijama sisara (6-8). Ova kinaza je sada poznata kao mehanička meta rapamicina (mTOR) i približno je 40 posto homologna TOR proteinima Saccharomyces cerevisiae i visoko je očuvana među eukariotima. mTOR se nalazi u dva kompleksa koji imaju različite funkcije i različitu osjetljivost na djelovanje rapamicina. mTOR kompleks 1 (mTORC1; sastoji se od mTOR, raptora, mLST8/GL, PRAS40, DEPTOR) igra ključnu ulogu u regulaciji translacije i rasta stanica putem fosforilacije supstrata koji uključuju S6 kinazu (S6K) i eukariotski faktor inicijacije eIF4E vezujući protein (4E-BP), a snažno ga inhibira rapamicin. Nasuprot tome, mTORC2 (koji se sastoji od mTOR, Rictor, mLST8/GL, mSIN1, protor, DEPTOR) reguliše raznolik skup supstrata, uključujući AKT S473, serum/glukokortikoidno reguliranu kinazu i PKC-, i akutno je otporan na rapamicin. iako može postati fizički poremećen tokom hronične izloženosti. mTORC-ovi primaju inpute putem širokog spektra signalnih mehanizama i imaju ulogu u mnogim aspektima fiziologije, koji su detaljno pregledani (9). Ukratko, mTORC1 odgovara na signale koji uključuju aminokiseline, glukozu, WNT ligande, kiseonik, cAMP i insulin/IGF-1. Regulacija aktivnosti mTORC2 je manje jasna, ali može uključivati ​​interakciju s ribozomima (10). Insulin/IGF-1 signalizacija mTORC1 je dijelom posredovana mTORC2 putem AKT fosforilacije. Zauzvrat, mTORC1 aktivacija vraća povratne informacije kako bi se oslabila signalizacija insulina/IGF-1 preko S6K1 i GRB10 (Slika 1 i ref. 11).

Povezivanje mTOR signalizacije sa godinama Uloga TOR signalizacije u starenju prvi put je otkrivena 2003. godine kada su Vellai i kolege pokazali da RNAi protiv let-363/ CeTor značajno produžava životni vijek Caenorhabditis elegans i funkcionira nezavisno od daf{{2} }, FOXO homolog za koji je ranije pokazano da utiče na životni vek (12). Ubrzo je uslijedila demonstracija da genetska inhibicija TOR signalizacije produžava životni vijek Drosophila melanogaster i kvasca koji pupa S. cerevisiae (13, 14). Genetska inhibicija mTOR signalizacije kod sisara je delikatna stvar, jer su mTOR protein kinaza, raptor, rictor i mLST8 neophodni za razvoj (15). Nedavno smo pokazali da ženke Mtor plus /–Mlst8 plus /– miševa imaju smanjenu aktivnost mTORC1 i povećanu dugovječnost, slično fenotipu o kojem su Selman i kolege izvijestili za miševe kojima nedostaje S6K1, jedan od glavnih supstrata mTORC1 (16, 17 ). Stoga se čini da je veza između mTOR signalizacije i dugovječnosti očuvana od kvasca do sisara (Tablica 1).

Učinci rapamicina na dugovječnost

Rapamicin produžava životni vek kvasca, crva i muva (Tabela 2 i ref. 18-21). Godine 2009. pokazalo se da rapamicin produžava i srednji i maksimalni životni vijek mužjaka i ženki genetski heterogenih miševa (potomak četverosmjernog križanja dugovječnih inbred sojeva) (22). Zanimljivo je da tretman nije započeo sve dok miševi nisu dostigli poodmakloj dobi (20 mjeseci), što je otprilike jednako ljudskoj starosti od 60 godina. U studiji praćenja koja je počela sa 9 mjeseci starosti, rapamicin je produžio srednji životni vijek kod muškaraca i žena za 10 posto i 18 posto, respektivno, a maksimalni životni vijek za 16 posto i 13 posto (23). Rapamicin je bio mikrokapsuliran u enteričkom omotaču koji je omogućio isporuku hrane tokom ovih studija, a postignuti nivo u krvi bio je približno tri puta veći od tipičnog terapijskog raspona za imunosupresiju kod ljudi (24).

Slika 1 mTOR signalizacija. mTOR se nalazi u dva kompleksa, mTORC1 i mTORC2. mTORC1 je djelomično reguliran preko TSC kompleksa, koji normalno djeluje kao protein koji aktivira GTPazu za Rheb da potisne mTORC1 signalizaciju. mTORC1 je također reguliran aminokiselinama putem porodice malih GTPaza vezanih za Ras GTP (Rag). Rag proteini aktiviraju mTORC1 lokalizacijom mTORC1 na lizozom kroz interakciju sa regulatornim kompleksom (110). mTORC1 potiče rast poboljšavajući biogenezu ribosoma, translaciju i druge anaboličke procese dok inhibira autofagiju. mTORC1 potiskuje signalizaciju insulina/IGF-1 putem direktne regulacije Grb10 i S6K, što potom smanjuje signalizaciju na mTORC2. AKT, inhibitor TSC1/2, jedan je od nekoliko direktnih supstrata mTORC2. Procesi koji su regulisani mTOR signalizacijom prikazani su crvenom bojom; oni koji su naniže regulisani mTOR signalizacijom su prikazani plavom bojom.

Druge studije su takođe otkrile pozitivan efekat rapamicina na životni vek. Chen et al. otkrili da je rapamicinsmanjila stopu mortaliteta kod starijih muškaracaC57BL/6 miševi (25). Anisimov i dr. pokazalo je da rapamicin produžava maksimalni životni vijek (srednji životni vijek zadnjih 10 posto preživjelih) kod kratkovječnog soja miševa sklonog tumorima (FVB/N HER-2/neu transgenic) (26). Iako ova studija pruža snažne dokaze da rapamicin može biti koristan u liječenju raka, izbor soja otežava odvajanje antikancerogenih efekata od starenja per se. Međutim, rapamicin takođe produžava životni vek kod 129/Sv miševa, inbred soja sa tipičnijim životnim vekom i incidencijom tumora (27). Impresivno, 22,9 posto tretiranih miševa ostalo je živo u trenutku smrti posljednje kontrolne životinje.

Uzeti zajedno, ova zapažanja čine rapamicin najbolje podržanim kandidatom za lijek za dugovječnost sisara. Razumijevanje njegovog mehanizma djelovanja ima potencijal da pruži uvid u prirodu osnovnog procesa starenja i može dovesti do novih terapijskih pristupa za ublažavanje tereta bolesti povezanih sa starenjem. Međutim, mehanizam koji objašnjava efekte rapamicina protiv starenja još uvijek nije jasan (Tabela 2).

Potencijalni mehanizmi produženja životnog vijeka rapamicinom

Antikancerogena dejstva. Rak je najčešći uzrok smrti laboratorijskih miševa, a rapamicin je lijek protiv raka. Stoga je i dalje moguće da je produženje životnog vijeka rapamicinom sekundarno u odnosu na supresiju tumora i nije povezano s osnovnim procesom starenja. Postoji nekoliko razloga zašto ne favorizujemo ovaj model. Prvo, početni eksperimenti koji povezuju inhibiciju rapamicina i mTOR sa dugovječnošću izvedeni su na organizmima koji su uglavnom postmitotični (crvi i muhe) ili jednoćelijski (kvasac) i stoga ne doživljavaju rak. Drugo, rapamicin produžava maksimalnu dugovječnost, pružajući podršku ideji da usporava višestruke patologije povezane sa starenjem. Usmjeravanje na jednu bolest ne bi trebalo značajno produžiti životni vijek najdugovječnijih pojedinaca u grupi, jer će najstariji pojedinci biti pod vrlo visokim rizikom za većinu ili sve uzroke smrti osim ako se osnovni proces starenja ne odgodi. Treće, pokazalo se da rapamicin odgađa višestruke promjene u dobi kod miševa, uključujući gubitak funkcije matičnih stanica (25), kognitivni pad (28), retinopatiju (29), nakupljanje subcelularnih promjena u miokardu, degeneraciju jetre, hiperplaziju endometrijuma , ukrućenje tetiva i pad fizičke aktivnosti (30). Štaviše, rapamicin je terapeutski kod glodarskih modela srčane hipertrofije (31, 32) i neurodegenerativnih bolesti (33-35), stanja koja utiču na starenje ljudi. Iako prevencija raka očito igra glavnu ulogu u koristi za preživljavanje koju daje rapamicin, važno je razumjeti da je rak bolest povezana sa starenjem i da je njegova prevencija očekivana posljedica bilo koje terapije koja usporava starenje.

Prevod. mTORC1, preko S6K i 4E-BP, igra centralnu ulogu u regulaciji translacije, te je vrijedno razmotriti da li smanjena sinteza proteina sama po sebi može posredovati u efektima rapamicina na dugovječnost. Na primjer, smanjenje ukupne stope translacije može omogućiti bolju vjernost tokom sinteze i/ili ublažiti stres na mehanizme koji razgrađuju pogrešne, pogrešno savijene ili oštećene proteine ​​(36). Zaista, eksperimenti na S. cerevisiae, C. elegans i D. melanogaster su pokazali da delecija ili siRNA posredovano uništavanje ribosomskih podjedinica, S6K ili faktora inicijacije translacije rezultira produljenim životnim vijekom, a brisanje S6K1 produžava životni vijek ženki miševa, dok brisanje 4E-BP blokira efekte kalorijskog ograničenja (CR) koji produžavaju život kod muva (13, 37–40).

Nedavni nalazi dovode u pitanje stav da je prevod sam po sebi ključ prednosti inhibicije TOR/mTOR. Dok ženke miševa kojima nedostaje S6K1 imaju produženi životni vijek, nema primjetnog efekta na ukupnu translaciju, barem u skeletnim mišićima (41). Osim toga, dug životni vijek crva kojima nedostaje ključni faktor inicijacije translacije još uvijek se može dodatno produžiti brisanjem TOR-a, što implicira da su u igri različiti mehanizmi (38). Štaviše, produženje životnog vijeka zbog brisanja faktora iniciranja translacije ovisi o daf-16, dok produženje životnog vijeka iscrpljivanjem TOR, S6K ili ribosomskih podjedinica nije, što opet ukazuje na uključenost više različitih mehanizama (12 , 37). Zanimljivo je da smanjenje TOR pomoću RNAi ne uspijeva dalje produžiti životni vijek mutantnih crva eat-2, što je model za CR, uprkos suzbijanju ionako niske stope sinteze proteina za dodatnih 49 posto (37). Nadalje, inaktivacija homologa crva AMPK dovoljna je za suzbijanje produženja životnog vijeka kod životinja kojima nedostaje S6K, naizgled bez utjecaja na translaciju (16). Jasno je da je odnos između prijevoda i dugovječnosti složeniji nego što se u početku pretpostavljalo

Prevođenje specifičnih mRNA može utjecati na životni vijek.

Dok potpuni gubitak mTOR funkcije ima veliki utjecaj na opću translaciju, rapamicin ima suptilniji učinak, najvjerovatnije zato što je podskup funkcija 4E-BP otporan na rapamicin (42, 43). I rapamicin i potpuna inhibicija mTOR preferencijalno potiskuju translaciju mRNA sa 5′ terminalnim oligopirimidinskim motivima, sugerirajući potencijalnu ulogu ovih gena u dugovječnosti (43, 44). Unatoč smanjenju ukupne sinteze proteina, CR kod muva posebno poboljšava translaciju podskupine mRNA koje imaju kratke i manje strukturirane 5′ UTR, uključujući nuklearno kodirane mitohondrijske gene (40). Za ovaj efekat i za produženje životnog veka potreban je TOR supstrat 4E-BP. Kod kvasca koji nemaju ribosomske podjedinice ili TOR, produženje punog životnog vijeka zahtijeva povećano prevođenje specifičnog transkripta, GCN4 (45). Ekspresija GCN4 je ograničena višestrukim uzvodnim ORF-ovima koji normalno sekvestriraju ribozome koji se vezuju za mRNA. U uslovima smanjene TOR aktivnosti ili velike količine ribosomskih podjedinica, uzvodni ORF se češće zaobilaze kako bi se inicirala translacija GCN4 ORF. Ovi primjeri ističu suptilnosti u regulaciji prijevoda koje tek počinjemo cijeniti.

Tabela 2. Efekti rapamicina na dugovječnost

Autofagija. Drugi efekat inhibicije mTOR-a koji je povezan sa dugovječnošću je indukcija autofagije, procesa kojim ćelije recikliraju svoje proteine ​​i organele. Autofagija omogućava ćelijama da prežive uslove ograničene nutrijentima i predstavlja centralni mehanizam pomoću kojeg se uklanjaju oštećene komponente. U uslovima dovoljnosti nutrijenata, mTOR fosforilira i inhibira kinazu ULK1 koja inicira autofagiju (46). Inaktivacija gena uključenih u autofagiju smanjuje životni vek kvasca (hronološki), C. elegans i Drosophila, a promocija autofagije u nervnom sistemu muva produžava životni vek (47-49). Nadalje, autofagija je potrebna za produženje hronološkog životnog vijeka kvasca pomoću rapamicina (47) i za produženje životnog vijeka CR ili genetskom inhibicijom mTOR signalizacije kod crva (50).

Čini se da autofagija kod sisara također igra značajnu ulogu u procesu starenja. Najdramatičnije je da je indukcija autofagije dovoljna da podmladi histologiju i funkciju jetre ostarjelih miševa (51). Nadalje, izgleda da je autofagija pojačana kod CR miševa i da posreduje u nekim od korisnih efekata CR dijete na srce, jetru i bubrege (52-54). Ćelije dugovječnih Snell patuljastih miševa također pokazuju dokaze povećane autofagije (55).Kardiomiociti iizdvojeni od ostarjelih miševa imaju nižu autofagiju i pokazuju defekte u rukovanju kalcijem, a oba su korigirana izlaganjem rapamicinu ex vivo (56). Međutim, povećana autofagija ne mora uvijek biti korisna, i zaista može doprinijeti fenotipu progeroidnih miševa koji promiču starenje (57).

Zanimljivo je da rapamicin poboljšava nuklearne mjehuriće i prezrelo starenje u stanicama dobivenim od pacijenata s Hutchinson Gilfordovom progerijom, rijetkim sindromom preranog starenja (58). Bolest je rezultat pogrešno napisane varijante lamina A, nazvane progerin, koja se akumulira u velikom stepenu kod pacijenata i takođe se otkriva u manjim količinama tokom normalnog ćelijskog starenja (59, 60). Čini se da rapami cin stimulira klirens progerina iz oboljelih stanica putem autofagije i tako može ograničiti i normalnu akumulaciju progerina vezano za starenje. Sve u svemu, odgovarajuća regulacija autofagije će vjerovatno biti kritična determinanta zdravog starenja.

Slika 2. Hronični tretman rapamicinom remeti mTORC2. (A) In vivo, hranjivi sastojci i faktori rasta pokreću aktivnost mTORC1 i mTORC2, koji potiču rast, starenje i osjetljivost na inzulin. (B) Akutni tretman rapamicinom inhibira mTORC1 signalizaciju, ograničavajući rast i promovirajući dugovječnost bez smanjenja osjetljivosti na inzulin. (C) Hronični tretman rapamicinom inhibira i mTORC1 i mTORC2, ograničavajući rast i narušavajući signalizaciju inzulina, ali promičući dugovječnost

Održavanje matičnih ćelija. Rapamicin ima niz zanimljivih efekata na funkciju matičnih ćelija. Hiperaktivna signalizacija uzvodno od mTORC1 zbog delecije Pten, delecije tuberozne skleroze 1 (Tsc1) ili konstitutivne aktivacije AKT smanjuje broj i funkcionalni kapacitet HSC (61–63). Tretman rapamicinom može obnoviti normalan kapacitet samoobnavljanja u subpopulaciji mišjih HSC koji imaju spontano visok oksidativni stres i smanjen funkcionalni kapacitet (64). Nedavno su Chen et al. primijetio je da je aktivnost mTORC1 povišena u HSC dobijenim od ostarjelih miševa, koji pokazuju funkcionalne deficite koji podsjećaju na one uzrokovane delecijom Tsc1 (25). Rapamicin je obnovio funkcionalni kapacitet u HSC kod ostarjelih miševa i pojačao imuni odgovor na virus gripe. Rapamicin takođe povećava samoobnavljanje crevnih matičnih ćelija putem inhibicije mTORC1 u susednim Paneth ćelijama, slično efektima koji su primećeni kod CR životinja (65). Osim toga, rapamicin pojačava reprogramiranje somatskih stanica kako bi se stvorile inducirane pluripotentne matične stanice, što sugerira opću promociju funkcije matičnih stanica (66). S druge strane, rapamicin umanjuje pluripotenciju, smanjuje proliferaciju i promovira diferencijaciju u ljudskim embrionalnim matičnim stanicama (67, 68). U embrionalnim matičnim ćelijama miša, ekspresija markera pluripotencije je otpornija na tretman rapamicinom, ali su veličina ćelije i proliferacija i dalje smanjeni, a diferencijacija je pojačana (67, 69). Intrigantno, rapamicin iscrpljuje ćelije koje iniciraju leukemiju i inhibira i sposobnost samoobnavljanja i diferencijacije matičnih ćelija izvedenih iz infantilnog hemangioma, što ukazuje na zaštitni efekat protiv matičnih ćelija raka (61, 70). Uzeti zajedno, ovi rezultati upućuju na to da rapamicin modulira ponašanje matičnih stanica i općenito favorizira zadržavanje "matičnosti" i mlađeg fenotipa kod odraslih tipova matičnih stanica koji su proučavani.

in kao imunosupresiv ne treba zanemariti kada je u pitanju dugovječnost.

hronično,upala niskog stepena je karakteristika starenja, a gotovo svaka kronična bolest ima inflamatornu komponentu (71). Potpuna rasprava o imunološkim efektima rapamicina je izvan okvira ovog Pregleda, a tema je pokrivena na drugom mjestu (72). Važno je da lijek ima i pozitivne i negativne učinke na urođeni i adaptivni imunitet, s neto ishodom koji je složeniji od jednostavne supresije imuniteta, što je primjer njegove sposobnosti da poboljša imunizaciju ostarjelih miševa protiv virusa gripe (25). mTORC2-zavisni mehanizmi. Uprkos visokoj specifičnosti rapamicina za mTORC1 tokom akutnog lečenja, hronična izloženost takođe može inhibirati mTORC2. Ovaj efekat je prvi put uočen u određenim kultivisanim ćelijskim linijama (73), a nedavno smo pokazali da se javlja i in vivo u više tkiva uključujući jetru, mišiće i masno tkivo (vidi sliku 2). Trenutno nije jasno da li inhibicija mTORC2 igra ulogu u efektima rapamicina na dugovječnost. Ženke miševa kojima nedostaje S6K1 i ženke miševa Mtor plus /–Mlst8 plus /– su navodno dugovječne zbog poremećaja u mTORC1-zavisnoj signalizaciji, ali podaci iz C. elegans sugeriraju da inhibicija mTORC2 također može promovirati dugovječnost ( 21, 74). Zanimljivo je da produženje životnog vijeka poremećajem mTORC1 kod crva zahtijeva kožu-1 (homolog NRF1/2 sisara) i daf-16 (homolog FOXO-a sisara), oba transkripciona faktora koji kontroliraju gene uključene u odbrane od stresa. Produženje životnog vijeka rapamicinom ili poremećajem mTORC2, međutim, zahtijeva samo SKN-1. U skladu s ulogom opće odbrane od stresa u prednostima rapamicina, i crvi i muhe s poremećenom funkcijom TOR otporne su na stres, a indukcija NRF1/2 i FOXO ciljnih gena je otkrivena u jetri miševa tretiranih rapamicinom (2 mg /kg dnevno tokom dve nedelje) (20, 21).