Rapalogs и MTOR инхибитори като терапевтици против стареене

Рапамицин, инхибитор на механистичната цел на рапамицин (mTOR), има най-силната експериментална подкрепа до момента катопотенциална терапия против стареенепри бозайниците. За разлика от много други съединения, за които се твърди, че влияят върху дълголетието, рапамицинът е многократно тестван при дълголетни, генетично хетерогенни мишки, при които той удължава средната и максималната продължителност на живота. Въпреки това механизмът, който обяснява тези ефекти, далеч не е ясен и нарастващият списък от странични ефекти прави съмнително, че рапамицинът в крайна сметка би бил полезен при хората. Този преглед обсъжда перспективите за разработване на по-нови, по-безопаснитерапии против стареенебазирани на аналози на рапамицин (наречени rapalogs) или други подходи, насочени към mTOR сигнализиране.

Щракнете тук, за да получите повече информация за Cistanche за лечение против стареене

Кратка история на рапамицин и механична цел на рапамицин Рапамицин е открит в почвата на Великденския остров като съединение, произведено от Streptomyces hygroscopicus, което е способно да инхибира пролиферацията на дрождите Candida albicans, но не повлиява растежа на бактерии (1). При бозайници е установено, че рапамицин инхибира имунния отговор и впоследствие е приет като стандартна терапия за предотвратяване на отхвърлянето на присадката при реципиенти на трансплантант и за лечение на автоимунни заболявания (2, 3). Рапамицинът също като цяло инхибира растежа и пролиферацията на клетки от бозайници, стимулирайки по-скорошния интерес към използването му като терапия на рак (4). Механично, рапамицинът свързва FKBP12, имунофилин с пролил изомеразна активност. Два допълнителни протеина, необходими за неговите ефекти в дрождите, бяха идентифицирани в генетичен скрининг през 1991 г. и наречени цели на рапамицин 1 (TOR1) и TOR2 (5). През 1994 и 1995 г. три отделни групи изолират 289-kDa киназа, която е свързана и инхибирана от комплекса рапамицин-FKBP12 в клетки на бозайници (6-8). Тази киназа сега е известна като механична мишена на рапамицин (mTOR) и е приблизително 40 процента хомоложна на TOR протеините на Saccharomyces cerevisiae и силно запазена сред еукариотите. mTOR се намира в два комплекса, които имат различни функции и различна чувствителност към действието на рапамицин. mTOR комплекс 1 (mTORC1; състоящ се от mTOR, raptor, mLST8/GL, PRAS40, DEPTOR) играе ключова роля в регулирането на транслацията и клетъчния растеж чрез фосфорилиране на субстрати, които включват S6 киназа (S6K) и еукариотен инициационен фактор eIF4E свързващ протеин (4E-BP) и се инхибира силно от рапамицин. За разлика от това, mTORC2 (състоящ се от mTOR, Rictor, mLST8/GL, mSIN1, protor, DEPTOR) регулира разнообразен набор от субстрати, включително AKT S473, регулирана от серум/глюкокортикоид киназа и PKC-, и е силно резистентен към рапамицин, въпреки че може да се разстрои физически по време на хронично излагане. mTORCs получават входове чрез голямо разнообразие от сигнални механизми и имат роли в много аспекти на физиологията, които са прегледани в дълбочина (9). Накратко, mTORC1 отговаря на сигнали, които включват аминокиселини, глюкоза, WNT лиганди, кислород, cAMP и инсулин/IGF-1. Регулирането на активността на mTORC2 е по-малко ясно, но може да включва взаимодействие с рибозоми (10). Инсулин/IGF-1 сигнализиране към mTORC1 се медиира частично от mTORC2 чрез AKT фосфорилиране. На свой ред, активирането на mTORC1 се връща обратно, за да отслаби сигнала инсулин/IGF-1 чрез S6K1 и GRB10 (Фигура 1 и реф. 11).

Свързване на mTOR сигнализирането с възрастта Ролята на TOR сигнализирането при стареенето беше разкрита за първи път през 2003 г., когато Vellai и колеги показаха, че RNAi срещу let-363/CeTor значително удължава продължителността на живота на Caenorhabditis elegans и функционира независимо от daf{{2} }, FOXO homo log, за който преди беше доказано, че влияе върху продължителността на живота (12). Това бързо беше последвано от демонстрацията, че генетичното инхибиране на TOR сигнализацията удължава продължителността на живота на Drosophila melanogaster и напъпилите дрожди S. cerevisiae (13, 14). Генетичното инхибиране на mTOR сигнализацията при бозайници е деликатен въпрос, тъй като mTOR протеин киназата, рапторът, рикторът и mLST8 са от съществено значение за развитието (15). Наскоро демонстрирахме, че женски Mtor плюс /–Mlst8 плюс /– мишки имат намалена активност на mTORC1 и увеличена продължителност на живота, подобно на фенотипа, докладван от Sel man и колеги за мишки, които нямат S6K1, един от основните субстрати на mTORC1 (16, 17 ). Следователно връзката между сигнализирането на mTOR и дълголетието изглежда се запазва от дрождите до бозайниците (Таблица 1).

Ефекти на рапамицин върху дълголетието

Рапамицинът удължава продължителността на живота на дрожди, червеи и мухи (Таблица 2 и справки 18–21). През 2009 г. беше доказано, че рапамицинът удължава както средната, така и максималната продължителност на живота на мъжки и женски генетично хетерогенни мишки (потомство от четирипосочна кръстоска между дълго живели инбредни щамове) (22). Забележително е, че лечението не е започнато, докато мишките не са достигнали напреднала възраст (20 месеца), приблизително еквивалентна на човешка възраст от 60 години. В последващо проучване, започващо на 9-месечна възраст, рапамицинът удължава средната продължителност на живота при мъже и жени с 10 процента и 18 процента, съответно, и максималната продължителност на живота с 16 процента и 13 процента (23). Рапамицинът е микрокапсулиран в ентерично покритие, което позволява доставянето му в храната по време на тези проучвания и постигнатото кръвно ниво е приблизително три пъти по-високо от типичния терапевтичен диапазон за имуносупресия при хора (24).

Фигура 1 mTOR сигнализация. mTOR се намира в два комплекса, mTORC1 и mTORC2. mTORC1 се регулира отчасти чрез TSC комплекса, който обикновено действа като GTPase-активиращ протеин за Rheb, за да потисне mTORC1 сигнализирането. mTORC1 също се регулира от аминокиселини чрез Ras-свързаното GTP свързващо (Rag) семейство от малки GTPases. Протеините Rag активират mTORC1 чрез локализиране на mTORC1 към лизозомата чрез взаимодействие с регулаторния комплекс (110). mTORC1 насърчава растежа чрез засилване на рибозомната биогенеза, транслацията и други анаболни процеси, като същевременно инхибира автофагията. mTORC1 потиска сигнализирането на инсулин/IGF-1 чрез директно регулиране на Grb10 и S6K, което впоследствие намалява сигнализирането към mTORC2. AKT, инхибитор на TSC1/2, е един от няколкото директни субстрата на mTORC2. Процесите, които се регулират нагоре от mTOR сигнализация, са показани в червено; тези, които са регулирани надолу от mTOR сигнализиране, са показани в синьо.

Други проучвания също са открили положителен ефект на рапамицин върху продължителността на живота. Чен и др. установи, че рапамициннамалява смъртността сред възрастните мъжеC57BL/6 мишки (25). Анисимов и др. показаха, че рапамицинът удължава максималната продължителност на живота (средната продължителност на живота на последните 10 процента оцелели) при краткотраен, предразположен към тумор щам мишки (FVB/N HER-2/neu трансгенен) (26). Въпреки че това проучване предоставя сериозни доказателства, че рапамицинът може да бъде полезен при рак, изборът на щам затруднява отделянето на противораковите ефекти от стареенето само по себе си. Въпреки това, рапамицинът също така удължава продължителността на живота при 129/Sv мишки, инбредна линия с по-типична продължителност на живота и честота на тумори (27). Впечатляващо е, че 22,9% от третираните мишки остават живи при смъртта на последното контролно животно.

Взети заедно, тези наблюдения правят рапамицин най-добре поддържаният кандидат за лекарство за дълголетие при бозайници. Разбирането на неговия механизъм на действие има потенциала да предложи вникване в природата на основния процес на стареене и може да доведе до нови терапевтични подходи за облекчаване на тежестта на свързаните с възрастта заболявания. Въпреки това, механизмът, отчитащ ефектите на рапамицин против стареене, все още не е ясен (Таблица 2).

Потенциални механизми за удължаване на продължителността на живота от рапамицин

Противоракови ефекти. Ракът е най-честата причина за смърт на лабораторни мишки, а рапамицинът е противораково лекарство. Следователно остава възможно удължаването на продължителността на живота от рапамицин да е вторично на туморната супресия и да не е свързано с основния процес на стареене. Има няколко причини, поради които не предпочитаме този модел. Първо, първоначалните експерименти, свързващи инхибирането на рапамицин и mTOR с дълголетието, бяха проведени в организми, които са главно постмитотични (червеи и мухи) или едноклетъчни (дрожди) и следователно не страдат от рак. Второ, рапамицинът увеличава максималната продължителност на живота, осигурявайки подкрепа за идеята, че забавя множество свързани с възрастта патологии. Насочването към едно заболяване не трябва значително да увеличава продължителността на живота на най-дълголетните индивиди в група, тъй като най-възрастните индивиди ще бъдат изложени на много висок риск за повечето или всички причини за смърт, освен ако основният процес на стареене не е отложен. Трето, доказано е, че рапамицин забавя множество свързани с възрастта промени при мишки, включително загуба на функция на стволови клетки (25), когнитивен спад (28), ретинопатия (29), натрупване на субклетъчни промени в миокарда, чернодробна дегенерация, хиперплазия на ендометриума , втвърдяване на сухожилията и намаляване на физическата активност (30). Освен това рапамицинът е терапевтичен при модели на сърдечна хипертрофия (31, 32) и невродегенеративни заболявания (33–35) при гризачи, състояния, които засягат стареещите хора. Въпреки че превенцията на рака очевидно играе основна роля в ползата за оцеляването, предоставена от рапамицин, важно е да се разбере, че ракът е свързано с възрастта заболяване и предотвратяването му е очаквана последица от всяка терапия, която забавя стареенето

Превод. mTORC1, чрез S6K и 4E-BP, играе централна роля в регулирането на транслацията и си струва да се обмисли дали намаленият протеинов синтез сам по себе си може да медиира ефектите на рапамицин върху дълголетието. Например, намаляването на общата скорост на транслация може да позволи по-добра прецизност по време на синтеза и/или облекчаване на стреса върху механизмите, които разграждат грешни, неправилно нагънати или повредени протеини (36). Наистина, експерименти в S. cerevisiae, C. elegans и D. melanogaster са показали, че делецията или медиираното от siRNA нокдаун на рибозомни субединици, S6K или фактори за иницииране на транслацията води до увеличена продължителност на живота, а делецията на S6K1 удължава продължителността на живота при женски мишки, като има предвид, че делецията на 4E-BP блокира удължаващите живота ефекти на калорийното ограничение (CR) при мухи (13, 37–40).

Последните открития оспорват мнението, че преводът сам по себе си е ключът към ползите от инхибирането на TOR/mTOR. Докато женските мишки без S6K1 имат удължен живот, няма забележим ефект върху цялостния превод, поне в скелетните мускули (41). В допълнение, дългата продължителност на живота на червеите, които нямат ключов фактор за иницииране на транслацията, все още може да бъде допълнително увеличена чрез изтриване на TOR, което означава, че са включени различни механизми (38). Освен това удължаването на продължителността на живота поради изтриване на факторите за иницииране на транслацията зависи от daf-16, докато удължаването на продължителността на живота чрез изчерпване на TOR, S6K или рибозомни субединици не зависи, което отново сочи към участието на множество различни механизми (12 , 37). Интересното е, че намаляването на TOR с помощта на RNAi не успява да удължи допълнително продължителността на живота на мутантните червеи eat-2, модел за CR, въпреки потискането на и без това ниската скорост на протеинов синтез с допълнителни 49 процента (37). Освен това, инактивирането на хомолога на червея на AMPK е достатъчно, за да потисне удължаването на продължителността на живота при животни без S6K, привидно без да се засяга транслацията (16). Ясно е, че връзката между превода и дълголетието е по-сложна, отколкото първоначално се предполагаше

Транслацията на специфични иРНК може да повлияе на продължителността на живота.

Докато пълната загуба на функцията на mTOR има голям ефект върху общия превод, рапамицинът има по-фин ефект, най-вероятно защото част от функциите на 4E-BP е резистентна на рапамицин (42, 43). Както рапамицинът, така и пълното инхибиране на mTOR за предпочитане потискат транслацията на иРНК с 5' крайни олигопиримидинови мотиви, което предполага потенциална роля на тези гени в дълголетието (43, 44). Въпреки намаляването на цялостния протеинов синтез, CR при мухите специфично подобрява транслацията на подгрупа от иРНК, които имат къси и по-малко структурирани 5' UTRs, включително ядрено кодирани митохондриални гени (40). За този ефект и за удължаване на живота е необходим TOR субстрат 4E-BP. При дрождите, лишени от рибозомни субединици или TOR, пълното удължаване на продължителността на живота изисква повишена транслация на специфичен транскрипт, GCN4 (45). Експресията на GCN4 е ограничена от множество ORF нагоре по веригата, които обикновено изолират рибозоми, които се свързват с иРНК. При условия на намалена активност на TOR или голямо изобилие на рибозомна субединица, ORF нагоре по веригата се заобикалят по-често, за да инициират транслация на GCN4 ORF. Тези примери подчертават тънкости в регулирането на превода, които тепърва започваме да оценяваме.

Таблица 2 Ефекти на рапамицин върху дълголетието

Автофагия. Друг ефект от инхибирането на mTOR, който е свързан с дълголетието, е индуцирането на автофагия, процес, чрез който клетките рециклират своите протеини и органели. Автофагията позволява на клетките да оцелеят при условия с ограничени хранителни вещества и е централен механизъм, чрез който увредените компоненти се отстраняват. При условия на достатъчно хранителни вещества, mTOR фосфорилира и инхибира иницииращата автофагия киназа ULK1 (46). Инактивирането на гените, участващи в автофагията, намалява продължителността на живота на дрождите (хронологично), C. elegans и Drosophila, а насърчаването на автофагията в нервната система на мухата удължава продължителността на живота (47–49). Освен това, аутофагията е необходима за удължаване чрез рапамицин на хронологичната продължителност на живота на дрождите (47) и за удължаване на продължителността на живота чрез CR или генетично инхибиране на mTOR сигнализиране при червеи (50).

При бозайниците автофагията също изглежда играе важна роля в процеса на стареене. Най-драматичното е, че индукцията на аутофагия е достатъчна за подмладяване на чернодробната хистология и функция на възрастни мишки (51). Освен това изглежда, че аутофагията се регулира нагоре при CR мишки и медиира някои от полезните ефекти на CR диета върху сърцето, черния дроб и бъбреците (52–54). Клетки от дълголетни мишки джуджета Snell също показват доказателства за повишена автофагия (55).Кардиомиоцити iизолирани от възрастни мишки имат по-ниска аутофагия и проявяват дефекти в обработката на калция, като и двата се коригират чрез излагане на рапамицин ex vivo (56). Въпреки това, повишената аутофагия не винаги може да бъде от полза и наистина може да допринесе за фенотипа на стареенето на прогероидни мишки (57).

Интересно е, че рапамицинът подобрява ядреното бълбукане и преждевременното стареене в клетки, получени от пациенти с Hutchinson Gilford progeria, рядък синдром на преждевременно стареене (58). Заболяването е резултат от грешно изписан вариант на ламин А, наречен прогерин, който се натрупва в голяма степен при пациентите и също се открива в по-малки количества по време на нормално клетъчно стареене (59, 60). Rapamy cin изглежда стимулира клирънса на прогерин от болните клетки чрез автофагия и по този начин може също да ограничи нормалното свързано с възрастта натрупване на прогерин. Като цяло, подходящото регулиране на автофагията вероятно ще бъде критичен фактор за здравословното стареене.

Фигура 2 Хроничното лечение с рапамицин нарушава mTORC2. (A) In vivo хранителните вещества и растежните фактори управляват активността на mTORC1 и mTORC2, които насърчават растежа, стареенето и инсулиновата чувствителност. (B) Острото лечение с рапамицин инхибира mTORC1 сигнализирането, ограничавайки растежа и насърчавайки дълголетието, без да намалява инсулиновата чувствителност. (C) Хроничното лечение с рапамицин инхибира както mTORC1, така и mTORC2, ограничавайки растежа и увреждайки инсулиновото сигнализиране, но насърчавайки дълголетието

Поддръжка на стволови клетки. Рапамицинът има редица интересни ефекти върху функцията на стволовите клетки. Хиперактивното сигнализиране нагоре по веригата на mTORC1 поради делеция на Pten, делеция на туберозна склероза 1 (Tsc1) или конститутивно активиране на AKT намалява броя и функционалния капацитет на HSC (61–63). Лечението с рапамицин може да възстанови нормалния капацитет за самообновяване в субпопулация от миши HSCs, които имат спонтанно висок оксидативен стрес и намален функционален капацитет (64). Съвсем наскоро Chen et al. отбелязва, че активността на mTORC1 е повишена в HSCs, получени от възрастни мишки, които показват функционални дефицити, напомнящи тези, причинени от Tsc1 делеция (25). Рапамицин възстановява функционалния капацитет в HSCs от възрастни мишки и засилва имунния отговор към грипния вирус. Рапамицин също повишава самообновяването на чревните стволови клетки чрез инхибиране на mTORC1 в съседните клетки на Paneth, подобно на ефектите, които са наблюдавани при CR животни (65). В допълнение, рапамицин подобрява препрограмирането на соматичните клетки за генериране на индуцирани плурипотентни стволови клетки, което предполага общо насърчаване на функцията на стволовите клетки (66). От друга страна, рапамицинът уврежда плурипотентността, намалява пролиферацията и насърчава диференциацията в човешки ембрионални стволови клетки (67, 68). В миши ембрионални стволови клетки, експресията на маркери за плурипотентност е по-устойчива на лечение с рапамицин, но въпреки това размерът на клетките и пролиферацията все още са намалени и диференциацията е повишена (67, 69). Интересно е, че рапамицинът изчерпва клетките, иницииращи левкемия, и инхибира способността за самообновяване и диференциация на стволови клетки, получени от инфантилен хемангиом, което предполага защитен ефект срещу ракови стволови клетки (61, 70). Взети заедно, тези резултати предполагат, че рапамицинът модулира поведението на стволовите клетки и като цяло благоприятства запазването на „стволовостта“ и по-младежкия фенотип в изследваните типове стволови клетки за възрастни.

като имуносупресор не трябва да се пренебрегва, когато става дума за дълголетие.

хроничен,нискостепенното възпаление е характеристика на стареенето, и почти всяко хронично заболяване има възпалителен компонент (71). Пълното обсъждане на имунологичните ефекти на рапамицин е извън обхвата на този преглед и темата е разгледана другаде (72). Важно е, че лекарството има както положителни, така и отрицателни ефекти върху вродения и адаптивен имунитет, с нетен резултат, който е по-сложен от обикновеното имунно потискане, както е илюстрирано от способността му да подобрява имунизацията на възрастни мишки срещу грипния вирус (25). mTORC2-зависими механизми. Въпреки високата специфичност на рапамицин за mTORC1 по време на остро лечение, хроничната експозиция може също да инхибира mTORC2. Този ефект е наблюдаван за първи път в определени култивирани клетъчни линии (73) и наскоро показахме, че той се проявява и in vivo в множество тъкани, включително черен дроб, мускули и мастна тъкан (виж Фигура 2). Понастоящем не е ясно дали инхибирането на mTORC2 играе роля в ефектите на рапамицин за дълголетие. Женски мишки без S6K1 и женски Mtor плюс /–Mlst8 плюс /– мишки са привидно дълголетни поради увреждания в mTORC1-зависимата сигнализация, но данните от C. elegans предполагат, че инхибирането на mTORC2 може също да насърчи дълголетието ( 21, 74). Интересното е, че удължаването на продължителността на живота чрез разрушаване на mTORC1 при червеите изисква кожа-1 (хомологът на NRF1/2 на бозайници) и daf-16 (хомологът на FOXO на бозайници), и двата транскрипционни фактора, които контролират гените, участващи в защита срещу стрес. Удължаването на продължителността на живота чрез прекъсване на рапамицин или mTORC2 обаче изисква само SKN-1. В съответствие с ролята на общата защита срещу стрес в ползите от рапамицин, както червеите, така и мухите с увредена TOR функция са устойчиви на стрес и индукция на NRF1/2 и FOXO целеви гени е открита в черния дроб на мишки, третирани с рапамицин (2 mg /kg дневно в продължение на две седмици) (20, 21).