Резюме за стареенето — теории, механизми и бъдещи перспективи, част 2

Моля свържете сеoscar.xiao@wecistanche.comза повече информация

Поради факта, че митохондриите са основният производител на ROS в клетките на бозайниците, митохондриалната ДНК (mtDNA) следователно е особено податлива на окислително увреждане (Cui et al., 2011) и основният пуринов продукт на окислителното увреждане на ДНК основата е 7,{ {2}}дихидро-8-оксо-2'-деоксигуанозин(8-оксид). Това, при репликация, може да причини характерни G: T трансверсии при относително ниска честота (Hanes et al, 2006), което води до мутации, които водят до дефектни компоненти на електронната транспортна верига (ETC). Последващото им включване в ETC причинява по-нататъшно увеличаване на видовете ROS, което в крайна сметка води до "порочен кръг" на производство на ROS и мутации на mtDNA, което в крайна сметка води до нива на клетъчно увреждане, несъвместими с живота (Алексеев, 2009). Следователно поддържането на митохондриите е от съществено значение за запазване на клетъчната хомеостаза и нарушеното поддържане на митохондриите е описано като общ отличителен белег на множество човешки патологии и стареене (Artal-Sanz и Tavermarakis, 2009). Въпреки че този механизъм не е напълно разбран, последните проучвания показват, че митофагията, специфичен и селективен тип автофагия, която е насочена към митохондриите за разграждане, взаимодейства с митохондриалната биогенеза, за да регулира митохондриалното съдържание, както и дълголетието в C. elegans (Palikaras et al ..2015 г.).

Моля, щракнете тук, за да научите повече

Независимо от това, един от най-обмисляните аспекти на индуцираното от ROS увреждане в ДНК и стареенето са нивата на метилиране на ДНК. Те варират с възрастта и обикновено се счита, че хипометилирането на ДНК е типичен аспект на процеса на стареене (Afanas'ev, 2014). ROS са активни междинни продукти на метилирането на ДНК, както и модификацията на хистони. Тези реактивни кислородни видове могат да играят роля в епигенетичните процеси (физиологични фенотипни вариации, причинени от външни или екологични фактори, които включват/изключват гените) чрез реакции на нуклеофилно заместване на ниво ДНК.Цистанче против стареенеСледователно се предполага, че по-доброто запазване на нивата на метилиране на ДНК, по-бавният клетъчен метаболизъм и подобреният контрол на предаването на сигнала чрез епигенетични механизми могат да бъдат ключови процеси, включени в човешкото дълголетие. С други думи, сигнализирането на ROS в стареещи клетки вероятно причинява хипометилиране на ДНК, въпреки че все още няма достатъчно данни за поддържане на такава хипотеза (Gentilini et al., 2013). Въпреки това има някои доказателства, подкрепящи ролята на ROS в процеса на стареене, а именно проучвания за ефекта на йонизиращото лъчение върху живите клетки, диетични манипулации и работи, подчертаващи участието на свободните радикали в патогенезата на специфични заболявания (Harman, 1993).

Тези генетични връзки между стареенето и оксидативното увреждане са описани за животни, при които повечето зрели клетки са постмитотични. Такива клетки могат да бъдат по-податливи на

кумулативна повреда на ROS поради невъзможност да се заменят. Интересно е, че е доказано, че такава чувствителност към увреждане може да варира значително при бозайниците, дори при тези с идентични размери (Montgomery et al., 2011). Най-уязвимите органи в тези организми са сърцето, мозъкът и скелетните мускули. Това е така, защото това са богати на енергия тъкани и в случая на мозъка податливостта към ROS-индуцирано увреждане може да произтича от изобилието от редокс-активни съединения (de Magalhaes, 2013). Въпреки че ROS обикновено се считат за увреждащи съединения, проучванията потвърждават, че те играят важна роля в множество клетъчни функции (Miki and Funato, 2012; Ray et al, 2012; Sena and Chandel, 2012), като регулирането на митоген-активираните сигнални пътища на протеин киназа (MAPK) (Cuadrado и Nebreda, 2010) и нива на експресия на регулаторни протеини за желязо -1 и -2 (IRP1 и IRP2, участващи в хомеостазата на желязото) (Recalcati et al., 2010) . Освен това, следствие от този строг възглед за ROS като вредни съединения е, че антиоксидантите трябва да ограничат ефекта си върху стареенето и общото здраве (Vina et al., 2016). Многобройни проучвания обаче показват, че това не винаги е така (Fortmann et al., 2013; Grodstein et al., 2013; Higashida et al., 2011). ROS, включително в митохондриите, не са непременно вредни и всъщност , са докладвани някои ползи за здравето, включително положителна роля за продължителността на живота при условия на стрес (Lee et al., 2010). Следователно, ниските нива на тях могат да предизвикат адаптивен отговор, който в крайна сметка води до общо подобряване на системните защитни механизми, концепция, наречена митохондриална хормеза или митохормеза (Kawagishi and Finkel, 2014; Ristow, 2014).

Cistanche може да спре стареенето

Следователно, стареенето може да е резултат от дерегулация на сигналните пътища на ROS, а не от самите реактивни видове (de Magalhaes, 2013). Въпреки това, независимо дали се вземат предвид наличните данни за митотични или постмитотични клетки, доказателствата за пряка връзка между ROS и стареенето все още са крехки, в най-добрия случай.

Въпреки че засягат ДНК и липидите (фиг. 2), окислителното увреждане на протеините е необратимо и непоправимо (Thanan et al., 2014) и трябва да бъде разградено от протеазомата. Протеазомата е най-важната протеолитична машина в еукариотните клетки, до голяма степен отговорна за отстраняването на окислените протеини и предотвратяването на тяхната агрегация (Nystrom, 2005). Доказано е обаче, че активността на протеазомите се нарушава по време на стареене, което води до натрупване на окислителни протеини, агресоми и липофусцин, така нареченият възрастов пигмент.

Всъщност, агрегацията на протеини е общата дефинираща характеристика в свързаната с възрастта

невродегенеративни заболявания, като болестта на Паркинсон и Алцхаймер (David, 2012). Според тази гледна точка, стареенето е нарастващ колапс на протеиновата хомеостаза и зависи от взаимодействието между компонентите на протеостазната мрежа, които имат подчертано последствие върху дългосрочното здраве на клетката (Douglas and Dillin, 2010). Тези протеостазни мрежи са в състояние да буферират постоянния поток от неправилно нагъване на протеини, което е причинено от присъщите склонни към грешки характеристики на протеиновия синтез и механизмите за разграждане. Въпреки това, такива мрежи също претърпяват влошаване с течение на времето, като по този начин правят клетките по-уязвими към индуциран от протеини токсичен стрес (Morimoto, 2004). Клетките са способни на

противодействие на агрегацията на болестни протеини в ранните им етапи от живота чрез намаляване на потока на болестни протеини чрез повишен контрол на сгъването и разграждането, намален протеинов синтез и благоприятна обработка на протеини (Douglas and Dillin, 2010). Въпреки това, това са много сложни механизми (Hetz и Glimcher, 2011) и тяхната точна природа остава до голяма степен неизвестна (Jaroszet al., 2010). Правени са опити за увеличаване на протеазомната експресия и активност, което води до 15-20 процентно увеличение на дълголетието в клетъчни модели. Въпреки това, въпреки някои убедителни доказателства, че има образуване на протеинови агрегати при някои свързани с възрастта заболявания, не е ясно дали протеиновото агрегиране предизвиква стареене или обратното (Moronetti MazZeo et al., 2012).

Основната функция на системата за протеолитично разграждане на увредените протеини е в предотвратяването на натрупването на най-увредените протеини. Ако увреденият протеин не бъде разпознат и разграден чрез протеазомна активност, може да се осъществи по-нататъшно окисление, както и ковалентно омрежване към други протеинови странични продукти на липидната пероксидация, като 4-хидрокси-2-транс-номинал (HNE) (Friguet and Szweda. 1997) и малондиалдехид (MDA) (Voitkun и Zhitkovich, 1999), два изобилни бифункционални алдехидни окислителни продукта. Когато не се разгради достатъчно бързо и/или когато клетката е изложена на екстремен оксидативен стрес, има повишена вероятност клетките да достигнат различен етап. На този етап протеините вече не се разграждат от протеазомата. Това води до образуването на протеинови агрегати, хидрофобни и неразтворими по природа, наричани "агресоми" (Amidi et al., 2007). Образуването на агресоми може да бъде термодинамично управлявано от техните открити хидрофобни остатъци и страничните продукти на липидната пероксидация (като MDA или HNE) могат да причинят ковалентно омрежване (Jung et al., 2009). Протеазомната активност намалява в стареещите клетки и тя е показано, че протеазомното инхибиране в млади клетки води до засилено образуване на (полиубиквитинирани) протеинови агрегати (Powell et al., 2005). Интересното е, че има някои индикации, че здравите столетници проявяват нива както на протеазомни активности, така и на окислително модифицирани протеини, идентични с тези, открити в по-младите контролни групи (Chondrogianni et al., 2000). Тези наблюдения са довели до идеята за изкуствено активиране на протеазомната система като стратегия против стареене (Chondrogianni и Gonos, 2008). Въпреки че показват значително повишена протеолиза, с по-висок оборот на увредени/модифицирани протеини и подобрено възстановяване след външно приложен оксидативен стрес, такива стратегии все още са далеч от осъществими. Само няколко от пост-транслационните модификации на рибозомни субединици, които влияят на протеазомните дейности по време на стареене, са изследвани и много области на протеазомна регулация не са напълно изяснени, включително специфични регулатори и транскрипционната регулация на протеазомните активиращи пътища.

Подобно на оксидативното увреждане, се предполага, че нитрозативното увреждане, причинено от реактивни азотни видове (RNS), като азотен оксид, също допринася за заболявания, свързани с възрастта, а именно чернодробна стеатоза и апоптоза (Abdelmegeed et al., 2016), както и функционални и структурни промени в сърдечно-съдовата система (Novella et al., 2013; Surikow et al., 2015). Освен това се свързва и с нарушения в хомеостазата на съня (Rytkönen et al., 2010), психологически разстройства (Maurya et al, 2016) и деменция (Mangialasche et al, 2009). Въпреки това, механизмите, чрез които RNS може да взаимодейства с клетъчни компоненти, като митохондриите, все още са неясни, особено in vivo (Zelickson et al.2013). Следователно има нужда да се разбере по-добре как се формират тези видове и процесите, чрез които те влияят на митохондриалната и клетъчната функция.

Разширените крайни продукти на гликиране (AGEs) са сложна и силно хетерогенна група от съединения, способни да индуцират клетъчно окислително увреждане. Те се образуват, когато редуциращата захар реагира по неензимен начин с протеини, липиди или ДНК (фиг. 3), наречена реакция на Maillard (Luevano-Contreras и Chapman-Novakofski, 2010). Тази реакция играе критична роля в хранително-вкусовата промишленост, тъй като нейните продукти придават желания вкус и оцветяване на храните (Rufian-Henares и Pastoriza, 2016). In vivo, AGEs са получили все по-голямо внимание поради факта, че те са били свързани със специфични хронични заболявания, а именно диабет (Forbes et al. 2004), сърдечно-съдови патологии (Bucala et al., 1994) и, наскоро, когнитивни увреждане (West et al., 2014; Yaffe et al., 2011). Техните биологични вредни ефекти могат да бъдат приписани на техните прооксидативни, възпалителни и химични действия (Ahmed, 2005), които се упражняват от два различни механизма. Единият е независим от рецептора, докато другият включва рецептора за AGEs (RAGE) (Luevano-Contreras и Chapman-Novakofski, 2010) (фиг.4). Взаимодействието на RAGE и AGE в крайна сметка води до цикъл на положителна обратна връзка (Ishibashi et al., 2014; Lohwasser et al. 2006; Nakamura et al 2009; Tanaka et al., 2000), увеличавайки експресията на RAGE. В допълнение, взаимодействието AGEs-RAGE активира NADPH оксидазата, която се регулира нагоре, като по този начин увеличава вътреклетъчния оксидативен стрес (Luevano-Contreras и Chapman-Novakofski, 2010). Въпреки някои интересни трудове, описващи натрупването на AGE при заболявания, свързани с възрастта (Srikanth et al., 2011; West et al., 2014), и при възрастните хора (Peppa et al., 2008; Uribarriet al., 2007; Vlassara et al, 2009), все още няма установена пряка връзка между тях и стареенето.

Друга преобладаваща теория за увреждането като причина за стареенето е тази за нестабилността на генома, подробно прегледана другаде (Lopez-Otin et al., 2013). Както стабилността, така и целостта на ДНК са подлагани на предизвикателство непрекъснато от множество ендогенни и екзогенни фактори, включително грешки в репликацията на ДНК и физически,cistanche benefíciosхимични и биологични агенти (Lopez-Otin et al., 2013). Организмите са развили сложна система от механизми за възстановяване на ДНК, които в повечето случаи се справят ефективно с тези щети, нанесени на ДНК. Въпреки това, ако са дефектни, тези механизми могат да доведат до нестабилност на генома и да доведат до синдроми на преждевременно стареене. ДНК хеликазите играят съществена роля в поддържането на геномната стабилност и всъщност редица мутации в човешки хеликазни гени са свързани с болести на хромозомна нестабилност, характеризиращи се със свързани с възрастта заболявания (Suhasini и Brosh, 2013), включително Xeroderma Pigmentosum ( XP), синдром на Cockayne (CS) и синдром на Werner (WS) (Brosh, 2013; Fang Evandro et al, 2014). Смята се, че ядрените събития, включително възстановяване, свързано с транскрипция (TCR), възстановяване чрез ексцизия на нуклеотиди (NER) и, може би по-познато на по-широката публика, поддържане на теломерите, се повлияват индивидуално от CS-A/CS-B, XP-B /XP-D и WRN хеликази, съответно (Uchiumi et al., 2015).

Повечето поддръжници на теорията за геномната нестабилност на стареенето се отнасят до скъсяването на теломерите (Kruk et al., 1995) (фиг. 4). Теломерите са повтарящи се ДНК последователности в краищата на линейни хромозоми, които не могат да бъдат напълно репликирани от ДНК полимерази (Johnson et al., 1999). Следователно, теломерите се съкращават с всяко клетъчно делене, освен ако не се поддържат от теломераза, рибонуклеопротеинов ензим (фиг. 5). Въпреки това, повечето бозайници нямат този ензим и изчерпването на теломерите всъщност е коренът на така наречената граница на Хейфлик, максималният пролиферативен капацитет на някои видове in vitro култивирани клетки (Hayflick и Moorhead, 1961). Това се случва поради наличието на shelterin, мултипротеинов комплекс, който свързва теломерите, функционирайки като бариера срещу протеини за възстановяване на ДНК. Освен това, въвеждането на теломераза в нормални човешки клетки е довело до безсмъртни клетъчни линии (Bodnar et al., 1998; Stampfer and Garbe, 2015).

Въпреки че наличието на shelterin може на пръв поглед да изглежда вредно за клетката, такива механизми предотвратяват сливането на хромозоми (Meena et al., 2015). Въпреки всички тези очевидно убедителни доказателства за скъсяването на теломерите като основен двигател на стареенето, много трудове хвърлят сянка на съмнение върху това твърдение. Проучвания както на проби от напречно сечение, така и на надлъжни проби разкриха, че ако здравният статус на донора и условията за биопсия се контролират, не може да се определи значима корелация между възрастта на донора и репликативния живот на клетките на културата (Holliday, 2014). Освен това е доказано, че процесът на преждевременно стареене на прогероидните фибробласти (клетки с повишено стареене) споделя само част от процеса на стареене in vitro на нормалните фибробласти (Toda et al, 1998), въпреки че скорошна експериментална работа показва, че теломераза осигурява защита срещу ускорено стареене в стволови клетки, специфични за линията на синдрома на Вернер (Cheung et al.2014). И накрая, противно на очакваното, CD28-T клетките, които показват скъсени теломери и значително намален пролиферативен капацитет в културата, се натрупват с възрастта (Effros, 1998). Следователно скъсяването на теломерите може да е свързано със стареенето, но със сигурност не е единствената причина за стареенето и неговият механизъм на действие, макар и да изглежда прост по принцип, остава да бъде напълно разбран.

Мутациите и делециите в митохондриалната ДНК (mtDNA) също могат да допринесат за стареенето.Екстракт от цистанче против радиацияТози тип ДНК е с изключително генна плътност и кодира множество фактори, които са критични за окислителното фосфорилиране. Следователно, мутациите в mtDNA - за които се смята, че са десет пъти по-високи от тези на ядрената ДНК (Jeppesen et al.201l) - причиняват широк спектър от човешки митохондриални заболявания и са замесени в свързани с възрастта заболявания и стареене (Park and Larsson , 2011), което е допълнително подсилено от окислителната микросреда на митохондриите и от липсата на защитни хистони, участващи в механизмите за възстановяване на ядрената ДНК (Pinto and Moraes, 2015). Причинно доказателство за ролята на увреждането на mtDNA при стареенето идва от проучвания върху мишки, които имат дефицит на митохондриална ДНК полимераза Y. Тези мутанти показват аспекти на преждевременно стареене и намалена продължителност на живота (Vermulst et al., 2008). При хората делециите се извършват чрез описано е клоново разширяване на единични мутационни събития в стари мозъци (Williams et al. 2013), което е интересно, в региони на мозъка, силно податливи на оксидативно увреждане (Pickrell et al., 2011). Въпреки това, значението на мутациите на mtDNA при стареенето е противоречиво, поради множеството митохондриални геноми (Lopez-Otin et al, 2013). Това означава, че мутантните и дивите геноми могат да съществуват съвместно в рамките на една и съща клетка, феномен, наречен "хетероплазмия", и наскоро степента на хетероплазмия беше предложена като прост и неинвазивен предиктор за свързани с възрастта неврологични и двигателни увреждания (Tranah и др., 2015). Въпреки това възможно съвместно съществуване на mtDNA и глобално ниско ниво на mtDNA мутации, анализите на единични клетки разкриха, че натоварването на отделните стареещи клетки става значително (Khrapko et al., 1999) и може в крайна сметка да достигне състояние на хомоплазма, в което един мутантен геном доминира (Lopez-Otin et al., 2013). Въпреки че механизмите, чрез които митохондриалната дисфункция води до заболявания, са описани (Ylikallio и Suomalainen. 2012). Как мутациите на mtDNA могат да предизвикат стареене, не е напълно изяснено (Pinto and Moraes, 2015). Едно ключово ограничение на тази теория е, че как фокалното увреждане на митохондриалната функция може да се разпространи в тъканта остава необяснено. По този начин е ясно, че са необходими допълнителни проучвания, за да се изясни по-добре как мутациите на mtDNA в крайна сметка водят до стареене.

(3) Комбинирани теории

Едно от първите усилия за разработване на единна теория за стареенето е направено от Strehler (1976) през 1976 г. Той формулира четири постулата: (1) стареенето е универсално и,растеж на пениса cistancheкато такова, явление, свързано със стареенето, трябва да се появи при всички индивиди от даден вид, макар и в различна степен; (2) стареенето трябва да е вътрешно присъщо: причините трябва да са ендогенни и да не зависят от външни фактори; (3) стареенето е прогресивно и трябва да се появява постепенно през целия живот и; (4) стареенето трябва да бъде вредно, т.е. явление, свързано със стареенето, ще се счита за част от процеса на стареене само ако не носи предимства за индивида.

Скоро след това, произтичаща от тези постулати, беше разработена мембранна хипотеза за стареенето (Zs.-Nagy, 1978), основана на факта, че клетъчните мембрани стават по-твърди по време на стареене и че намаляването на вътреклетъчното съдържание на калий може да доведе до нещо като "подмладяване". С други думи, стареенето е свързано с промени в способността на клетките да пренасят химикали, топлина и електрически процеси.

В началото на 80-те години Кътлър излага дисдиференциращата хипотеза за стареенето и дълголетието на бозайниците (Cutler, 1982), основана на идеята, че основната причина за повечето от огромните сложности на процеса на стареене е отдалечаването на клетките от техните правилното състояние на диференциация, тъй като дните диференцирани клетки са отговорни за инициирането на каскада от промени в целия организъм и че сборът от тях е стареене (Taylor and Johnson, 2008). Въпреки че някои проучвания са проведени с дис-диференциращата хипотеза за стареенето като основна предпоставка (Kator et al, 1985; Ono et al., 1985), тази идея е до голяма степен изоставена в полза на някои от описаните по-рано възгледи в процес на стареене.

Съвсем наскоро беше предложена нова интегративна теория,цистанче билкавъз основа на идеята, че стареенето не е фундаментално химичен процес, а по-скоро биофизичен механизъм с електрическа природа. Изчезващата електрическа теория за стареенето (De Loof et al., 2013) постулира, че тъй като клетките постепенно губят способността си да произвеждат собствено електричество, биохимичните процеси, които се предполагат като двигатели на стареенето, влизат в действие, което в крайна сметка води до смърт чрез стареене. Въпреки че със сигурност е правдоподобна, на тази теория липсват данни в подкрепа на хипотезата. Все пак това повдига интересен аспект в изследването на стареенето: учените не трябва да се ограничават до биохимичните и генетичните причини за стареенето. Трябва да се имат предвид всички биофизични дейности на живата клетка, а именно биоелектрическата, като възможна причина за стареене.

Въпреки че са предложени множество теории за стареенето, до момента няма консенсус по въпроса. Всъщност много от предложените механизми изглежда по един или друг начин взаимодействат един с друг (Jin, 2010). Следователно е необходим интегративен анализ на наличните количествени доказателства на различните нива на биологична йерархия, за да се разбере основно как протича процесът на стареене. Направени са множество опити за намиране на синергии и комбиниране на различни възгледи и теории за стареенето (Barja, 2013; Bengtson et al., 1999; Gems, 2000; Miquel, 1991; Weinert и Timiras, 2003), въпреки че нито една не се е утвърдила като преобладаващ подробен и цялостен поглед върху това какво е и най-важното как се случва стареенето. Въпреки това, комбинираните теории разглеждат стареенето като силно свързан процес на системно ниво, регулиран чрез вериги за обратна връзка между нивата на биологична организация (Kriete et al., 2006) (фиг. 6).

Тази статия е извлечена от ръкописа на Aging Res Rev. Author; наличен в PMC 2018 юни 07.