Efekti ograničenja kalorija na autofagiju: uloga u intervenciji starenja

Molimo klikniteoscar.xiao@wecistanche.comza više informacija

sažetak:Autofagija je važan proces održavanja koji održava pravilnu ćelijsku homeostazu u normalnim fiziološkim i/ili patološkim stanjima. Odgovoran je za odlaganje i recikliranje metaboličkih makromolekula i oštećenih organela kroz široke procese lizozomske degradacije. U uslovima stresa, uključujući nedostatak nutrijenata, autofagija se u velikoj mjeri aktivira kako bi se održala pravilna funkcija stanica i promovirao opstanak stanica. Promijenjeni procesi autofagije prijavljeni su u različitim studijama starenja, a disregulirana autofagija je povezana s različitim bolestima povezanim sa starenjem. Ograničenje kalorija (CR) smatra se zlatnim standardom za mnoge metode intervencije starenja. Iako je jasno da CR ima različite efekte u suzbijanju procesa starenja, tačni mehanizmi pomoću kojih modulira te procese su još uvijek kontroverzni. Nedavni napredak u istraživanju CR sugerirao je da je aktivacija autofagije povezana s uočenim korisnim efektima protiv starenja. Dokazi su pokazali da je CR izazvao snažan odgovor autofagije u različitim metaboličkim tkivima i da je inhibicija autofagije umanjila efekte CR protiv starenja. Mehanizmi pomoću kojih CR modulira složeni proces autofagije su detaljno istraženi. U ovom pregledu će se raspravljati o nekoliko velikih napretka vezanih za CR mehanizme protiv starenja i mimetike protiv starenja, fokusirajući se na modifikaciju odgovora autofagije.

Ključne riječi:starenje; autofagija;ograničenje kalorija (CR); CR mimetic

1. Uvod

1.1.Proces autofagije

Autofagija je evolucijski dobro očuvan proces koji se javlja u svim eukariotskim stanicama od kvasca do ljudi [1]. Vrlo složeni signalni putevi povezani s autofagijom su opsežno proučavani u posljednjih 30 godina, a razjašnjeni su kroz kombinovano proučavanje genetike i fiziologije kod različitih vrsta [2]. Do sada su identificirana najmanje tri različita oblika autofagije: makro-autofagija, mikro-autofagija i autofagija posredovana šaperonom. Sva tri oblika zavise od lizozomske degradacije, pri čemu je makro-autofagija (u daljem tekstu autofagija) najčešći oblik. Jednom aktivirana, autofagija uključuje sekvestraciju citosolnih komponenti (oštećenih ćelijskih organela, proteina ili drugih nutrijenata makromolekula) fagoforima koji sazrijevaju u autofagozome, koji su vezikule s dvostrukom membranom [2,3]. Autofagozomi se dalje translociraju i spajaju sa kiselim lizozomom i formiraju autolizozom, gdje dolazi do razgradnje i recikliranja. Raznovrsni supstrati i bazalna aktivnost ovih procesa ukazuju na to da ćelije u velikoj meri zavise od njih u održavanju ćelijske homeostaze. Dokazana je važnost održavanja adekvatnog odgovora autofagije iu fiziološkim i u patološkim stanjima [4].

kliknite ovdje da saznate više

1.2. Molekularna mašinerija procesa autofagije

Molekularni mehanizmi i signalni putevi koji kontroliraju autofagiju su opsežno proučavani [5]. Autofagija počinje de novo proizvodnjom autofagosomskih komponenti, nakon čega slijedi sklapanje vođeno usklađenim djelovanjem grupe proteina nazvanih ATG (geni povezani s autofagijom). Kako je detaljna molekularna mašinerija procesa autofagije prethodno opisana u nekoliko preglednih članaka, u ovom pregledu će biti razmotrene samo njegove ukupne karakteristike. Na početku procesa autofagije, formiranje fagofora započinje iz endoplazmatskog retikuluma (ER)-mitohondrijalnog interfejsa, a dalje produžavanje fagofora zavisi od Golgijeve i plazma membrane. Progresija formiranja autofagosoma uglavnom je karakterizirana regrutacijom ATG proteina u fagofor [6].

Formiranje UMC-51-kompleksa kinaze 1 (ULK1, homolognog ATG1 kvasca) je najraniji događaj u formiranju autofagosoma. Aktivacija ULK1 leži uzvodno od regrutacije drugih ATG proteina, a aktivnost ULK1 kinaze je potrebna za regrutovanje kompleksa VPS34 (klasa III PI3-kinaze) u fagofor. Ovo je ključno za fosforilaciju fosfatidilinozitola (PtdIns) i kasniju proizvodnju PtdIns 3-fosfata. Dalje regrutovanje proteina koji se vezuju za fosfolipide u fagoforu je važno za stabilizaciju proteinskih kompleksa u blizini mesta formiranja autofagosoma. Dva sistema konjugacije su uključena u proces elongacije vezikula. Konjugacija ATG5 sa ATG12 kompleksom zahteva sistem konjugacije sličan ubikvitinu koji uključuje ATG7 i ATG10.bioflavonoidi citrusaKonjugirani ATG5-ATG12 kompleksi su potrebni za daljnju konjugaciju fosfoetanolamina (PE) na ATG8 (protein 1 laki lanac 3 povezan s mikrotubulama; LC3). ATG4, ATG7 i ATG3 su potrebni za ovaj proces konjugacije. Smatra se da je konverzija LC3 iz LC3-I (topivi oblik) u LC3-II (forma povezana s vezikulom) PE konjugacijom potrebna za zatvaranje ekspandirajuće autofagozomalne membrane. Konačno, sazreli autofagosom se spaja sa lizozomom kako bi ispunio glavnu svrhu procesa, koji kulminira degradacijom i recikliranjem supstrata u autofagosomu.

1.3. Autofagija se reguliše signaliziranjem nutrijenata

Različiti fiziološki važni stimulansi izazivaju proces autofagije, uključujući oštećenje organela (ER, mitohondrije), hipoksiju i upalu [2]. Međutim, nutrijenti i energetski stres su najmoćniji regulatori procesa autofagije [7]. Promjene u staničnom energetskom statusu kao što je povlačenje nutrijenata, kao što su glukoza i aminokiseline, induciraju aktivaciju procesa autofagije, od inicijacije do završetka [8]. Nivoi nutrijenata mogu se direktno prepoznati uzvodnom signalnom mašinerijom autofagije kako bi se reguliralo njeno pokretanje kao odgovor na promjenjive nivoe ćelijske energije (Slika 1).

Cistanche može protiv starenja

Od svih signalnih molekula povezanih s nutrijentima, cilj rapamicina (mTOR) kod sisara se pokazao kao jedan od ključnih uzvodnih modulatora signalizacije autofagije [9,10]. mTOR je visoko očuvana serin/treonin kinaza koja je regulirana višestrukim signalima, uključujući nivoe energije, faktore rasta i druge ćelijske stresore, kako bi koordinirala proliferaciju/rast ćelije i održavala energetsku homeostazu. mTOR formira kompleks, poznat kao mTORC1 (mTOR kompleks1) i mTORC2 (mTOR kompleks 2).mTORC1 je povezan sa promjenama signalizacije autofagije i aktivira se u prisustvu nutrijenata ili faktora rasta. mTORC1 se obično aktivira u uslovima bogatim nutrijentima ]11. Može se direktno aktivirati povećanom koncentracijom aminokiselina u ćeliji ili kao nizvodno signaliziranje djelovanjem faktora rasta [11,12]. Jednom aktiviran, mTORC1 direktno fosforilira ULK1[13]. Kritično je da je aktivacija mTORC1 dovoljna da inhibira autofagiju u prisustvu dovoljno nutrijenata [14]. Direktna represija ULK1 kinaze od strane mTORC1 je također dobro očuvana među vrstama [15]. Ostale komponente ATG kompleksa direktno stupaju u interakciju sa mTORC1 i potiskuju proces autofagije [16]. Nadalje, mTORC1 može indirektno potisnuti autofagiju kontroliranjem biogeneze lizosoma [17,18]. Transkripcijski faktor EB (TFEB) odgovoran je za transkripciju lizozomalnih i autofagijskih gena[19]. mTORC1-posredovana TFEB fosforilacija smanjuje njegovu transkripcionu aktivnost, čime se smanjuje ukupna ekspresija genske ekspresije povezane sa autofagijom [20,21].

Slika 1. Autofagija je regulirana signaliziranjem nutrijenata. Signalizacija autofagije je uglavnom modulirana signalnim putevima koji osjete nutrijente. Inzulin i IGF (inzulinu sličan faktor rasta) induciraju aktivaciju sisara za signalizaciju rapamicina (mTOR) i inhibiraju inicijaciju autofagije. Aktivacija AMP-aktivirane protein kinaze (AMPK) povećanim omjerom AMP/ATP tokom gladovanja direktno povećava autofagiju i inhibira mTOR kompleks. Aktivacija CRE-vezujućeg proteina (CREB) signalizacijom glukagona i aktivacija receptora aktiviranog faktora proliferacije peroksizoma (PPAR) njegovim ligandima povećava nivo genske transkripcije autofagije i proteina povezanih s lizozomima.

U uslovima nedostatka nutrijenata, aktivacija autofagije je regulisana od strane nekoliko dobro poznatih signalnih proteina koji osećaju nutrijente. Jedan od najistaknutijih igrača u otkrivanju nedostatka nutrijenata je AMP-aktivirana protein kinaza (AMPK)[13,22]. Molekularni odnos ATP-a i AMP-a odražava nivo energije ćelije, a povećani nivoi AMP-a predstavljaju unutrašnji sistem upozorenja ćelije koji indukuje ćeliju da štedi energiju za održavanje metaboličke homeostaze. AMP direktno osjeti AMPK, a aktivirani AMPK je okarakterisan i pokazano da ima višestruke funkcije u regulaciji ćelijskog metabolizma. Postoji nekoliko mehanizama pomoću kojih AMPK izaziva autofagiju. Prvo, AMPK direktno fosforiliše ULK, što je proces koji je neophodan za aktivaciju ULK1 i iniciranje autofagije u uslovima nedostatka nutrijenata[13]. Interakcija između AMPK i ULK1 može biti blokirana mTORC1-posredovanom ULK1 fosforilacijom, što ukazuje na zamršenu vezu između ova dva puta. Drugo, AMPK je negativan regulator mTOR signalnog puta [23]. Mehanički, AMPK direktno fosforiliše kompleks povezan sa tuberkulozom (TSC), koji je negativan regulator aktivacije mTORC1. AMPK također direktno fosforilira Raptor podjedinicu mTORC1 kompleksa, povećavajući degradaciju mTORC1 kompleksa. Ove studije su jasno pokazale da AMPK, kritični regulator dostupnosti nutrijenata, može regulirati aktivnost autofagije koordinacijom mTOR-ovisnih i nezavisnih mehanizama.

1.4.Autofagija i starenje

Starenje je povezano s različitim promjenama uključujući genomsku nestabilnost, gubitak proteostaze, epigenetske promjene i deregulirane puteve osjetljivosti na nutrijente [24]. Ove promjene su također povezane s brojnim bolestima vezanim za starenje, uključujući kardiovaskularne bolesti, neurodegenerativne bolesti i metaboličke bolesti. Među promjenama koje se javljaju tokom starenja, neke su povezane sa signalnim putevima povezanim s autofagijom [24,25]. Smanjenje ukupne proteolitičke aktivnosti i izmijenjena signalizacija senzora nutrijenata direktno je povezana s autofagijom. Zaista, smanjena autofagija sa starenjem je opširno prijavljena u širokom spektru organizama, gdje se pokazalo da se javlja progresivna akumulacija oštećenih proteina i ćelijskih organela [26].cynomorium prednostiSmanjen nivo transkripata gena i proteina povezanih s autofagijom je otkriven kod nematoda i voćne mušice [27-29]. Ostarjela tkiva sisara i ljudi također su pokazala nižu ekspresiju ključnih proteina autofagije [30-32]. U skladu sa promjenama u nivoima komponenti autofagije, nedavne studije su dalje pokazale smanjen ukupni autofagijski kapacitet tokom starenja kod C.elegansa [33]. Posmatranja elektronskom mikroskopom su pokazala akumulaciju autofagnih vakuola vezanu za starenje, što predstavlja blokadu toka autofagije. Slično, ukupna aktivnost proteolize je poremećena tokom procesa starenja, a dugovječni proteini koji nisu pravilno razgrađeni otkriveni su u jetri kod ostarjelih pacova [34].

Daljnji upečatljivi dokazi između starenja i autofagije dolaze iz nekoliko genetskih modela poremećene autofagije. Nepristrasan pregled faktora starenja kod kvasca, nematoda i voćnih mušica otkrio je kratkotrajne mutante sa defektima u autofagiji [27,35,36]. Štaviše, kod nokaut miševa, delecija gena povezanih s autofagijom u cijelom tijelu dovela je do rane postnatalne smrti, što ukazuje na suštinsku ulogu autofagije u ukupnom održavanju fizioloških procesa [37-39]. Tkivo-specifični modeli uslovnih nokaut miševa također su otkrili višestruke fenotipove starenja, uključujući agregaciju i akumulaciju intracelularnih proteina, ćelijskih organela i drugih makromolekula [40-43]. Gubitak autofagne aktivnosti u ovim modelima vjerovatno će sve više ograničiti sposobnost stanica da održe kontrolu kvaliteta, što će dovesti do akumulacije toksičnih uvreda i rezultirati starenjem i patologijama povezanim sa starenjem [3]. S druge strane, akumulirani dokazi sugeriraju da eksperimentalno pojačana autofagija produžava životni vijek i odgađa fenotip starenja. Prekomjerna ekspresija specifičnih gena autofagije može produžiti životni vijek nekoliko vrsta. Povećanje autofagne aktivnosti može produžiti dugovječnost kod C.elegansa, kao i kod kvasca, dok je sveprisutna prekomjerna ekspresija Atg5 kod miševa dovoljna da stimulira autofagiju i produži životni vijek [44,45]. Kolektivno, ova zapažanja ukazuju na to da promjene u autofagnoj aktivnosti mogu biti povezane s dugovječnošću i da povećanje autofagne funkcije može biti efikasan pristup odgađanju starenja i promoviranju dugovječnosti kod različitih vrsta, uključujući sisare.

Mehanizmi kojima se komponente autofagije ili autofagijski procesi smanjuju s godinama ostaju nejasni. Budući da je proces autofagije, od inicijacije do završetka, složen i povezan s različitim koracima i različitim proteinima, vjerovatno je da su mehanizmi koji doprinose smanjenju autofagije povezane sa starenjem multifaktorski. Najvjerovatniji regulatorni mehanizam koji doprinosi potisnutoj autofagiji u starenju je promjena u uzvodnoj signalizaciji tokom inicijacije autofagije. Dva važna proteina koji osjete nutrijente, mTOR i AMPK, igraju važnu ulogu u regulaciji pokretanja autofagije[10,13]. Nadalje, ovi faktori odražavaju status ćelije, kao što je hormonska regulacija (izvan ćelije) i nutritivni stres (unutar ćelije). Senzor nutrijenata mTOR snažno inhibira ne samo inicijaciju autofagije, već i djeluje inhibitorno na više koraka u procesu autofagije. Moguće je da povećana mTOR signalizacija tokom starenja igra važnu ulogu u supresiji autofagije povezanoj sa starenjem. Budući da je povećana aktivnost mTOR zabilježena kod različitih bolesti povezanih sa starenjem, uključujući metaboličke i degenerativne poremećaje, moguće je da je povećana mTOR signalizacija dominantan uzrok smanjenja ukupnog procesa autofagije [46]. Za razliku od mTOR, koji se obično hiperaktivira tokom starenja, aktivnost ili ekspresija AMPK je tipično potisnuta [47]. Moguće je da smanjeni AMPK može utjecati ili potisnuti autofagiju i djelovati u skladu s mTOR-om. U tom cilju, iako su mehanizmi koji ometaju signalizaciju autofagije tokom starenja multifaktorski, jasno je da su modifikacije u njegovim uzvodnim putevima kritične za njegovu regulaciju.

Drugi mogući mehanizam odgovoran za smanjenu autofagiju uočenu u starenju je regulacija transkripcije. TFEB je ranije opisan kao regulator transkripcije gena u vezi sa autofagijom; međutim, nedavne studije su otkrile druge važne faktore transkripcije koji regulišu ekspresiju gena proteina povezanih sa autofagijom. Transkripcijski faktor natašte CRE-vezujući protein (CREB) je pojačano reguliran glukagonom u uvjetima nedostatka nutrijenata, a također povećava ekspresiju gena autofagije uključujući ATG7, ULK1 i TFEB. Pored CREB, receptor aktiviran faktorom proliferacije peroksizoma (PPAR), drugi transkripcijski faktor koji igra ulogu u gladovanju, također usmjerava transkripciju gena autofagije [19,4849]. Oba faktora transkripcije mogu djelovati zajedno kako bi povećali ekspresiju gena povezanu s autofagijom. Genetsko brisanje oba transkripciona faktora smanjilo je autofagiju i dovelo do neadekvatnog metaboličkog odgovora, posebno u uslovima nedostatka nutrijenata. Iako nema direktnih dokaza da li igraju ulogu u defektnoj autofagiji tokom starenja, postoje neki dokazi da su važni i neregulisani tokom starenja [50-52]. Dalja istraživanja će biti neophodna kako bi se otkrila veza između ovih faktora transkripcije i defektne autofagije tokom starenja.

2. Ograničenje kalorija (CR) modulira procese autofagije

2.1. Uvod u ograničenje kalorija

Pokazalo se da je ograničenje kalorija (CR) uspostavljena metoda produženja života koja reguliše bolesti povezane sa starenjem, kao i samo starenje.pustinjski zumbulIako se razlikuje po metodologiji (obično 20 posto -40 posto ad libitum unosa, 40 posto smanjenje u većini slučajeva), CR je pokazao produženi životni vijek u širokom spektru vrsta od kvasca do neljudskih primata i podržava zdravo starenje ljudi [ 53]. Nadalje, CR ima preventivne efekte na različita stanja povezana sa starenjem kao što su rak, neurodegenerativne bolesti, kardiovaskularne i druge metaboličke bolesti [54]. Raznolika efikasnost CR u borbi protiv starenja i bolesti povezanih sa starenjem učinila ga je zlatnim standardom u studijama intervencije starenja. Iako su efekti CR protiv starenja ponovljivi, tačni mehanizmi kako CR ispoljava svoje efekte protiv starenja su diskutabilni, jer CR reguliše nekoliko različitih aspekata fiziologije. Ove promjene uključuju modifikacije u signalizaciji senzora energije, oksidativni stres, upalu i druge međustanične i intracelularne procese. Među mnogim promjenama koje izaziva CR, proizvodnja i korištenje energije su najdirektnije regulirana signalizacija koju vrši CR[55,56]. Budući da smanjeni unos energije i promjene u nutritivnom statusu nakon CR mogu promijeniti molekularne signalne puteve povezane s mehanizmima senzora energije, drugi mehanizmi mogu biti sekundarni efekti ovog procesa.

2.2. Dokazi o korisnim efektima autofagije posredovane CR

Na osnovu mehanizma indukcije autofagije i njene uloge tokom gladovanja, predviđeno je da CR može inducirati autofagijski proces. Zaista, pod mnogim različitim postavkama uslova nedostatka nutrijenata, uključujući i CR, autofagija je indukovana da reguliše homeostazu organizma. Iako je jasno da CR predstavlja snažan fiziološki autofagni induktor, nije sigurno da li autofagija doprinosi efektima CR protiv starenja. Nedavno je nekoliko studija pokazalo da je indukcija autofagije ključna za efekte CR protiv starenja (Tabela 1).metoda ekstrakcije flavonoida pdfPokazalo se da CR promoviše dugovječnost ili štiti od hipoksije kroz proces indukcije autofagije ovisnog o Sirtuinu [57,58]. Druga studija je također pokazala da produženje života kroz restrikciju metionina zahtijeva aktivaciju autofagije[59]. Sve veći dokazi podržavaju ideju da autofagija ima značajnu ulogu u blagotvornim efektima CR[60,61]. Pored istraživanja o dugovječnosti, druge studije su pokazale da CR snažno inducira autofagiju u različitim fiziološkim i patološkim stanjima i da ima zaštitni učinak na održavanje normalnih funkcija u organizmu. U sljedećem odjeljku će se raspravljati o zaštitnoj ulozi autofagije u CR uvjetima.

Tabela 1. Studije pokazuju zaštitne efekte autofagije izazvane ograničenjem kalorija (CR) u različitim organima. LC3: laki lanac 3.

Ovaj članak je Nutrients 2019, 11, 2923; doi:10.3390/nu11122923 www.mdpi.com/journal/nutrients