teorijski i eksperimentalni modeli starenja
DESCRIPTION
Teorijski i eksperimentalni modeli starenja. Goran Šimić Poslijediplomski kolegij “Neurobiologija starenja” 28. ožujak 2011. Medicinski fakultet Sveučilišta u Zagrebu. Starenje. 1. Evolucijske teorije 2. Teorije sistemskog starenja 3. Eksperimentalni pristupi - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
Teorijski i eksperimentalni modeli starenja
Goran Šimić
Poslijediplomski kolegij“Neurobiologija starenja”
28. ožujak 2011.
Medicinski fakultetSveučilišta u Zagrebu
Starenje
1. Evolucijske teorije 2. Teorije sistemskog starenja 3. Eksperimentalni pristupi 4. Mehanizmi u stanica koje se dijele 5. Mehanizmi u stanica koje se ne
dijele 6. Histološke promjene mozga 7. Smjernice za daljnja istraživanja
1. Evolucijske teorije starenja
1. Programirana smrt organizama uslijed ograničenog broja diobi somatskih stanica (Weismann, 1889)
2. Akumuliranje mutacija (Medawar, 1952)
3. Antagonistička pleiotropija (Williams, 1957)
4. Neinvestiranje u somatske stanice (Kirkwood i Holliday, 1979)
1.1. Programirana smrt organizama
Nastaje uslijed ograničenog broja diobi somatskih stanica (tzv. Weismann-Swim-Hayflickov limit), a da bi se oslobodio prostor i resursi za mlađe generacije Odbačena zbog 3 glavna razloga:
1. Postojanja velikih razlika u duljini života u prirodnoj i zaštićenoj okolini (npr. medijan duljine života čimpanzi u zatočeništvu je 23 g. za mužjake i 30 g. za ženke, a u prirodi oko 8 godina)
2. Glatkoće Gompertz-Makehamove krivulje 3. Kad bi mehanizam samouništenja bio oštećen
kakvom mutacijom ove bi jedinke brzo nadvladale preostale (dajući više potomstva ili pružajući dulju roditeljsku skrb)
1.2. Akumuliranje mutacija Ne postoji selekcijski tlak za dugovječnost jer smo
programirani samo da doživimo toliko dugo da bi smo se reproducirali: štetne mutacije što se izražavaju u mlađoj dobi podložne su jakom probiru (npr. Hutchinson-Guilford), a one koje poprimaju patološke razmjere tek u postreprod. dobi imaju malu mogućnost odstranjivanja (npr. AD), pa se takvi geni kumuliraju i prenose, a učestalost genetskih bolesti raste s porastom godina života dovodeći do sve većeg stupnja mortaliteta
Pomoću genealoških tablica potvrđena je pretpostavka teorije da je ovisnost duljine života potomaka povećana u onih potomaka čiji roditelji dulje žive (imprinting?)
Pretpostavlja da u starenju učestvuje većina gena (70%)
1.3. Antagonistička pleiotropija
Zbog sukoba interesa pleiotropnih gena (koji imaju učinak na više svojstava organizma) probir daje prednost mutaciji koja daje prednost u razdoblju reprodukcije (npr. gen što ugrađuje kalcij u kost: bez frakture u mladosti / prekomjerna kalcifikacija u starosti)
Objašnjava i ‘samoubilačke’ životne cikluse (npr. bambusa i pacifičkog lososa)
Predviđa da će uspješan odabir za produljeni život dovesti do smanjene reprodukt. sposobnosti u mlađoj dobi
Eksperiment odabira za produljeni život
1976. Michael Rose (Univ. of Sussex): u nekoliko boca mlijeka smjestio 200 vinskih mušica i nakon 5 tjedana, kad su mušice došle pred kraj reproduktivnog razdoblja, pokupio jajašca, uzgojio ih i ponovio isti postupak nadajući se da će živjeti nešto duže nego prethodna generacijaM.R. Rose. 2003. Can Human Aging Be
Postponed? E-Book, Scientific American.
Rezultat: maksimalni životni vijek mušica se povećava
Od početnih 200 sada ima više od milijun mušica, a eksperiment svakodnevno nastavlja veći broj asistenata na Univ. of Irvine, CA: današnji potomci prvotnih mušica žive prosječno dvostruko dulje (oko 120 dana), što bi kod čovjeka odgovaralo dobi od oko 150 godina, te i dalje žive sve dulje i dulje
Nađeni porast dugovječnosti razmjeran je smanjenoj fertilnosti u ranoj odrasloj dobi i produljenom razdoblju razvitka do odrasle jedinke
Zaključci eksperimenta
Geni igraju važnu ulogu u starenju (mušicama nije poboljšana kvaliteta života i time očekivano trajanje života, već maksimalni životni vijek)
Postoji veći broj gena uključenih u starenje, jer da ih je malo, oni bi bili probrani već nakon samo nekoliko generacija
Nedostatci ekperimenta: 1. Smjer probira je umjetno nametnut, 2. Ne može odijeliti učinak odabira kasne reprodukcije na dugovječnost od direktnog odabira za dugovječnost
Dokaz o utjecaju gena na starenje čovjeka
U istraživanju 2872 danskih blizanaca rođenih 1870-1880. g. (J Gerontol 1994)
nađeno je da je razlika u dobi kad su umrli jednojajčani blizanci bila značajno manja od razlike u dobi kad su umrli dvojajčani blizanci
Utjecaj naslijeđa na varijabilnost u doživljenoj dobi relativno malen: 26% za muškarce, te 23% za žene
A Twin Study of the Genetic Contribution to Age-Related Functional Impairment. Gurland et al. J Gerontol A Biol Sci Med Sci.2004; 59: 859-863.
2721 par blizanaca (USA): 22% : 78%Ž
Nedostatci teorije antagonističke pleiotropije
Predviđa da bi brži razvitak do reprod. zrelosti trebao korelirati s bržim starenjem, rezultati to ne potvrđuju
Predviđa da je većina dugovječnih ljudi imala oštećenu reproduktivnu sposobnost, rezultati to ne potvrđuju
Dugoživuće mutante npr. C. elegans pokazuju prednost u teškim prirodnim uvjetima nad divljim sojem, suprotno očekivanju prema ovoj teoriji
1.4. Neinvestiranje u somatske stanice
Na tragu ideje da su organizmi samo mediji (“survival machines”) ‘Sebičnog gena’ (Dawkins, 1976): Prirodni odabir favorizira manje investiranje organizama u popravak i održavanje somatskih stanica nego što je to neophodno za neograničeno preživljenje spolnih stanica (čiji je stupanj preciznosti održavanja visok, jer bi inače bile eliminirane)
Kroz odabir se mijenja investiranje u održavanje temeljnih staničnih sustava u odnosu na stupanj izvanjske opasnosti: ako je mortalitet uslijed okolišnih činitelja veći, to manje treba investirati u somatske stanice (a više u reprodukciju), npr. tvrdi oklop u dugovječnih kornjača ili nalaz da oposumi žive dulje ako im je stanište na otocima bez prirodnih neprijatelja
Kritika evolucijskih teorija starenja
Tvrde da je starenje nespecifičan proces, te da je u njega uključen ogroman broj gena; no, otkrića mutanti pojedinačnih gena što dovode do značajnog produljenja maksimalnog životnog vijeka ukazuju da mehanizmi starenja mogu uključivati samo manji broj gena i biti vrlo specifični
AGE-1 (1988, C. elegans) CLK-1 (1996, C. elegans) DAF-1 (1997, C. elegans) MTH (1998, D. melanogaster) P66SHC (1999, Mammalia) MORF4 (1998/99), MRG15 (2001) (Mammalia) kombinacijama se može postići aditivni učinak
2. Teorije sistemskog starenja
Do sada predloženo >300 teorija Imunološke (Walford, 1962: smanjena
sposobnost razlikovanja tuđih od vlastitih antigena; Burnet, 1970: iscrpljenje klonova i smanjenje imunološke obrane)
Greške u sintezi (protein error theory, Orgel, 1963) i održavanju strukture proteina (chaperon theory, Miyaishi, 1995)
Teorija stresa: trošenje “adaptivne energije” (Selye, 1970); tijesno povezana s drugim endokrinološkim teorijama sistemskog starenja
Endokrinološke teorije starenja
Temelje se na uočenim smanjenim konc. cirkulirajućih humoralnih činitelja, poglavito hormona: estrogena (u menopauzi) i testosterona (u andropauzi), DHEA (dihidroepiandrosteron) i DHEAS (sulfat) (u adrenopauzi), te hormona rasta i IGF-1 (u somatopauzi)
Supstitucijska terapija npr. estrogenom u žena smanjuje mortalitet i za 10 godina (+poboljšava kogn. sposobnosti), ali ne povećava maks. životni vijek (što također nije dokazano ni za jedan drugi hormon)
DHEA (dehidroepiandrosteron) i hormon rasta
Baltimore Longitudinal Study of AgingTraje od 1958. g., prati 1500 ljudi;2002 pokazala da je povećan životnivijek povezan s:1. Manjom tjelesnom temp.2. Manjom prosj. konc. inzulina3. Većom konc. DHEAS
DHEA je univezalni prekursor za nastanak androgenih i estrogenih steroida u perifernim tkivima; ima najveću konc. u dobi od 20-25 g., a zatim se postupno smanjuje do na oko 10-20% vrijednosti u dobi od 80 godina
3. Eksperimentalni pristupi
1. Progerije
2. Kalorijska restrikcija
3. Eksperimentalni modeli
3.1. Progerije
1. Wernerov sindrom 2. Hutchinson-Guilfordov
sindrom 3. Down sindrom 4. Cockayne sindrom 5. Ataxia teleangiectasia
3.1.1. Wernerov sindrom
14. g. 48. g.
1903/4. kao student medicine syprvi opisao Otto Werner, a zatim Oppenheimer i Kugel 1935.
Očekivana dob života 44-48 g.
Simptomi: arterioskleroza, ulceracije, maligniteti, dijabetes, osteoporoza, katarakta, itd. (“mozaičko starenje”)
1996. Shellenberg GD i Martin GM otkrili WRN gen na 8. kromosomu što kodira jednu DNA helikazu (vrši despiralizaciju prije popravka DNA)
Lamin A/CChen L et al. LMNA mutationsin atypical Werner’s syndrome.Lancet 2003;362:440-5.
Oshima J et al. Homozygous andcompound heterozygous mutationsat the Werner syndrome locus.Hum Mol Genet. 1996;5:1909-13.
3.1.2. Hutchinson- Guilford
1886. Jonathan Hutchinson, 1904. Hastings Guilford
Očekivana dob života 15-20 g. Simptomi i znakovi: brzo boranje
kože, generalizirana alopecia, mali rast, distrofični nokti, usporeno spolno sazrijevanje, povećana ekskrecija hijaluronske kiseline?, smanjena mitotička aktivnost većine tkiva (“mozaičko starenje”)
Od 6300 pretraženih gena dosad nađeno 76 mutiranih (15 od njih su uključeni u kontrolu staničnog ciklusa pri mitozi, dezmoplakin I što se veže za kolagene, gen za galaktozil-transferazu, itd.)
3.1.3. Down sindrom
Uslijed jedne prekobrojne kopije gena za APP na 21. krom.razvijaju patološke promjene karakteristične za AD (SP i NFT)
3.1.4. Cockayne sindrom
Multisistemski AR poremećaj popravka DNA, mikrocefalija, mentalna retardacija, atrofija retine, demijelinizacija, intrakran. kalcifikacije, u neuropatološkom nalazu još i NFT i bizarni astrociti
CSA protein (krom. 5), CSB protein, učestvuju u transkripciji i popravku DNA; tip I kasni, tip II rani
Ostali simptomi: fotosenzitivni dermatitis, osjetljivost na ionizirajuće zračenje, itd.
3.1.5. Ataxia teleangiectasia
Nasljedni nedostatak popravka puknuća oba lanca DNA (karcinogeneza, naročito leukemije u djece i rak dojke, 100x veća učestalost) uslijed mutacije ATM gena
ATM gen na 11. kromosomu kloniran 1995.g. kodira jednu fosfatidil-inozitol 3 kinazu što ima važnu ulogu u zaustavljanju staničnog ciklusa, aktivaciji gena za popravak DNA i regulaciji duljine telomera
Neurološki simptomi: ataksija i koreoatetoza (“little clowns”), progresivna neurološka deterioracija
3.2. Kalorijska restrikcija
Glodavci s kalorijski ograničenom dijetom žive dvostruko dulje, za trećinu su manji, imaju manju tjelesnu temperaturu i manje obolijevaju
Iako još nisu poznati precizni mehanizmi, mnogobrojna istraživanja potvrđuju da uslijed smanjene razine oksidativne fosforilacije dolazi do posljedično smanjene produkcije ROS
Ograničenje kalorijskog unosa još uvijek je jedina eksperimentalna intervencija koja nepobitno dovodi do usporenja starenja i produljenja životnog vijeka u svih proučavanih vrsta
3.3. Eksperimentalni modeli
1. Kvasac (Saccharomyces cerevisiae) Ima 6000 gena
2. Crv oblić (Caenorhabditis elegans) >40% homologija s genomom čovjeka
3. Vinska mušica (Drosophila melanogaster) 4 para krom., najveća DNA molekula uopće (41 x 109 kDa)
4. Miš (Mus musculus) Stupanj divergencije od čovjeka >100 mil. godina
Gompertz-Makehamove krivulje
Uspjeli ‘prirodni eksperiment’: Golokrtičasti štakor
Primjerak opisan 2002. g. imao je 27. god. i 4 mj., a većina članova kolonije starija je od 20 g. Pretpostavlja se da je uzrok dugovječnosti ovih štakora kombinacija sporog metabolizma, te života u dobro zaštićenim nastambama pod zemljom
Buffenstein R, Jarvis JU. The naked mole rat--a new record for theoldest living rodent. Sci Aging Knowledge Environ 2002;29:7Sherman PW, Jarvis JUM. Extraordinary life spans of naked mole-rats(Heterocephalus glaber). J Zool Lond 2002;258:307-311.
4. Mehanizmi starenja u mitotički aktivnih stanica (>600 tipova)
Odličan model jer su: individualne stanice smrtne (a ne besmrtne kako se to prije mislilo), Gompertz-Makehamova krivulja sliči višim vrstama, stanice prolaze karakteristične biokemijske (utišavanje oba lokusa za parenje) i morfološke promjene (akumulacija ožiljaka od stanica kćeri prilikom asimetrične diobe, povećanje veličine uslijed usporavanja staničnog ciklusa) po kojima se točno može znati koliko je stanica stara, razvijena prakt. metoda razdvajanja starih stanica
Leonard Guarente &David Sinclair labs
4.1. Genetska nestabilnost
Uzrok starenja je ‘ispadanje’ 150-200 kratkih ponavljajućih slijedova DNA na krom. 12 To se dogodi negdje oko sredine životnog vijeka, a ta ERC (izvankromosomska kružna DNA) se dalje sama umnaža: kad dosegne između 500 i 1000 kopija, jezgrica se fragmentira a kvasac umre Nedostatak modela: u matičnih stanica sisavaca nema nikakve ERC
4.2. Genetski programirano skraćivanje telomera
FISH, Donax trunculus,Metafaza, CCAGGG
Telomere u eukariota služe zaštiti otvorenih krajeva DNA (od razgradnje enzimima, sljepljivanja s drugim kromosomima, mogućeg pogrešnog prepoznavanja otvorenih krajeva DNA) Slijed TTAAGG (kralježnjaci, školjkaši i bodljikaši), TTAGG (kukci) ili pak TTTAGGG (biljke) ponavlja se nekoliko stotina do nekoliko tisuća puta); prilikom diobe ne mogu se u potpunosti replicirati DNA polimerazama jer one dodaju nukleotide samo u jednom smjeru
Telomeraza
Duljinu telomera nadoknađuje ribonukleoprotein telomeraza (koja prepoznaje jednolančane krajeve)
Aktivnost telomeraze je slaba u većini somatskih stanica starih ljudi, a stalno je aktivna samo u spolnim (telomerni nizovi su stalne duljine svojstvene za vrstu), tumorskim (otvara mogućnost da se inhibicijom možda zaustavi rast tumora) i nekim stanicama koje se stalno dijele (npr. krvotvorne)
Za razliku od životinja kod kojih se telomere skraćuju pri svakoj diobi, u biljaka je duljina stalno ista uslijed nepromijenjenog izražaja telomeraza (npr. stanice sekvoje se dijele više od 4000 godina)
Telomere možda ipak nisu molekularni sat jer:
1. Nema jasne korelacije između starosti donora i replikativnog starenja njegovih stanica
2. Većina progeroidnih stanica umre i prije nego li im se skrate telomere
3. Miševi bez gena za telomerazu ne pokazuju odstupanja, osim za mitotički jako aktivna tkiva u poodmakloj dobi
(4.) Pokušaj produljivanja tumorigeneza
5. Mehanizmi starenja u mitotički neaktivnih stanica
1. Zn/Cu SOD 2. Katalaza 3. Glutation reduktaza itd.
Transgenična drozofila za 1. i 2. živi 34% dulje,a uslijed umetanja SOD čovjeka 40% dulje
Antioksidativni enzimi:
MPTP H2O2 + MPP+ (model PD)(1-metil-4-fenil-1,2,3,6 tetrahidropiridin)
5.1. Oksidativno oštećenje slobodnim radikalima kisika
Melatonin (cave: miš s povećanom koncentracijom melatonina opak ima skraćen životni vijek uslijed nastanka tumora)
Biljezi oksidacije kao nitrotirozin, 8OHdG (8-hidroksi-2’-deoksigvanozin) i drugi pokazuju veći stupanj oksid. u moždanom tkivu starijih osoba
5.2. Mutacije mtDNA
1. Uobičajeni stupanj mutacija 10-20x veći nego u jezgri
2. Oštećenja dovode do smanjene produkcije ATP i omjera NAD/NADH, što povećava konc. ROS
3. Transgenični C. elegans za CLK1 gen (kodira koenzim Q) produljuje život za oko 30%
4. Veći rizik za nastanak AD imaju osobe kojima je majka oboljela od AD, a ne otac
6. Neke najčešće univerzalne histološke promjene mozga u normalnom starenju
Lipofuscin (oks. lipidi i proteini) Neuromelanin (nusprod. sinteze katehol.)
Corpora amylacea Umjerena astroglioza
Promjene mozga u starenju većine normalnih ljudi
Leukoaraioza (vaskularne promjene malih krvnih žila uslijed hijalinih arteriosklerotskih promjena s nastankom tortuoziteta)
Ireverzibilna glikozilacija mnogobrojnih proteina
Neuropatološki pojam ‘čistog starenja’ (sela na Sardiniji)
7. Neke smjernice za daljnja istraživanja
1. Integracija genskih i fizičkih mapa genoma čovjeka (~2% DNA s oko 30000 gena 98.77% jednakih čimpanzi) + dešifriranje negenomske DNA (~98%), mehanizmi genske regulacije 2. Mikropostrojbena analiza DNA u starih osoba (već znamo da su sa starenjem povezani npr. geni za apoE, ACE, HLA-DR i PAI-1) 3. Otkriti zašto neki klonovi stare sporije (npr. većina klonova teladi)
Utišavanje gena kao jedna od novijih teorija starenja
The aging process involves silencing of the genes through methylation of promoter sequences and the acetylation of histones (this process contributes not only to aging, but also cancer when silencing affects tumor suppressor genes).
Evidence of activation of silenced genes can be pursued by documenting the relationship between 'molecular switches‘ (antineoplastons) - DNA-demethylating agents and histone deacetylation inhibitors, genes which are turned on by them, and clinical anti-aging changes.
Sir 2, 3 i 4 geni (nalaze se na krajevima kromosoma u blizini telomera) uključeni su u kontrolu starenja stanica jer Sir proteini djeluju kao deacetilaze
Burzynski SR. Gene silencing - a new theory of aging. Med Hypotheses. 2003;60:578-83.
96-godišnja manekenka poznate kozmetičke kuće (U.K.)