Una sinossi sull'invecchiamento: teorie, meccanismi e prospettive future Parte 2

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A causa del fatto che i mitocondri sono i principali produttori di ROS nelle cellule dei mammiferi, il DNA mitocondriale (mtDNA) è quindi particolarmente suscettibile al danno ossidativo (Cui et al., 2011) e il principale prodotto purinico del danno ossidativo alla base del DNA è 7,{ {2}}diidro-8-osso-2'-deossiguanosina(8-ossido). Questo, dopo la replicazione, può causare trasversioni G: T caratteristiche a una frequenza relativamente bassa (Hanes et al, 2006), che si traduce in mutazioni che portano a componenti difettosi della catena di trasporto degli elettroni (ETC). La successiva incorporazione di questi nell'ETC provoca un ulteriore aumento delle specie ROS, portando infine a un "circolo vizioso" di produzione di ROS e mutazioni del mtDNA, portando infine a livelli di danno cellulare incompatibili con la vita (Alexeev,2009). Il mantenimento mitocondriale è, quindi, essenziale per preservare l'omeostasi cellulare e il mantenimento mitocondriale compromesso è stato descritto come un segno distintivo condiviso di numerose patologie umane e dell'invecchiamento (Artal-Sanz e Tavermarakis, 2009). Sebbene questo meccanismo non sia completamente compreso, studi recenti hanno dimostrato che la mitofagia, un tipo specifico e selettivo di autofagia che prende di mira i mitocondri per la degradazione, interagisce con la biogenesi mitocondriale al fine di regolare il contenuto mitocondriale e la longevità in C. elegans (Palikaras et al ..2015).

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Tuttavia, uno degli aspetti più considerati del danno indotto dai ROS nel DNA e dell'invecchiamento sono i livelli di metilazione del DNA. Questi variano con l'età ed è comunemente considerato che l'ipometilazione del DNA sia un aspetto tipico del processo di invecchiamento (Afanas'ev,2014). I ROS sono intermedi attivi della metilazione del DNA, così come la modifica dell'istone. Queste specie reattive dell'ossigeno possono svolgere un ruolo nei processi epigenetici (variazioni fenotipiche fisiologiche causate da fattori esterni o ambientali che attivano/disattivano i geni) attraverso reazioni di sostituzione nucleofila a livello del DNA.Cstanche antietàDi conseguenza, è stato suggerito che una migliore conservazione dei livelli di metilazione del DNA, un metabolismo cellulare più lento e un migliore controllo nella trasmissione del segnale attraverso meccanismi epigenetici potrebbero essere processi chiave coinvolti nella longevità umana. In altre parole, la segnalazione di ROS nelle cellule senescenti provoca probabilmente l'ipometilazione del DNA, sebbene non ci siano ancora dati sufficienti per sostenere tale ipotesi (Gentilini et al., 2013). Ci sono, tuttavia, alcune prove a sostegno del ruolo dei ROS nel processo di invecchiamento, vale a dire, studi sull'effetto delle radiazioni ionizzanti sulle cellule viventi, manipolazioni dietetiche e lavori che evidenziano la partecipazione dei radicali liberi nella patogenesi di malattie specifiche (Harman, 1993).

Questi legami genetici tra invecchiamento e danno ossidativo sono stati descritti per animali in cui la maggior parte delle cellule mature sono postmitotiche. Tali cellule possono essere più suscettibili al

danno cumulativo dei ROS per impossibilità di sostituirsi. È interessante notare che è stato dimostrato che tale suscettibilità al danno può variare notevolmente nei mammiferi, anche in quelli con dimensioni identiche (Montgomery et al.,2011). Gli organi più vulnerabili in questi organismi sono il cuore, il cervello e il muscolo scheletrico. Questo perché si tratta di tessuti ricchi di energia e, nel caso del cervello, la suscettibilità al danno indotto dai ROS può derivare dall'abbondanza di composti redox-attivi (de Magalhaes, 2013). Sebbene i ROS siano generalmente considerati composti dannosi, gli studi hanno confermato che questi svolgono un ruolo importante in molteplici funzioni cellulari (Miki e Funato, 2012; Ray et al, 2012; Sena e Chandel, 2012), come la regolazione del mitogeno attivato vie di segnalazione delle protein chinasi (MAPK)(Cuadrado e Nebreda,2010) e dei livelli di espressione delle proteine ​​regolatrici del ferro-1 e{11}} (IRP1 e IRP2, coinvolte nell'omeostasi del ferro)(Recalcati et al.,2010) . Inoltre, un corollario di questa visione rigorosa dei ROS come composti dannosi è che gli antiossidanti dovrebbero ridurre il loro effetto sull'invecchiamento e sulla salute generale (Vina et al.,2016). Tuttavia, numerosi studi hanno dimostrato che questo non è sempre il caso (Fortmann et al.,2013; Grodstein et al.,2013; Higashida et al.,2011). I ROS, compresi i mitocondri, non sono necessariamente dannosi e, infatti, , sono stati riportati alcuni benefici per la salute, incluso un ruolo positivo nella durata della vita in condizioni di stress (Lee et al., 2010). Quindi, bassi livelli di questi possono indurre una risposta adattativa che alla fine porta al miglioramento generale dei meccanismi di difesa sistemica, un concetto chiamato ormesi mitocondriale o mitoormesi (Kawagishi e Finkel, 2014; Ristow, 2014).

Cistanche può antietà

Di conseguenza, l'invecchiamento può essere il risultato della deregolazione delle vie di segnalazione dei ROS e non delle specie reattive stesse (de Magalhaes,2013). Tuttavia, se si considerano i dati disponibili per le cellule mitotiche o postmitotiche, le prove di un legame diretto tra ROS e invecchiamento sono ancora fragili, nella migliore delle ipotesi.

Pur interessando DNA e lipidi (Fig.2), il danno ossidativo alle proteine ​​è irreversibile e irreparabile (Thanan et al.,2014) e deve essere degradato dal proteasoma. Il proteasoma è il più importante meccanismo proteolitico nelle cellule eucariotiche, in gran parte responsabile della rimozione delle proteine ​​ossidate e della prevenzione della loro aggregazione (Nystrom, 2005). Tuttavia, è stato dimostrato che l'attività dei proteasomi è compromessa durante l'invecchiamento portando all'accumulo di proteine ​​ossidanti, aggresome e lipofuscina, il cosiddetto pigmento dell'età.

In effetti, l'aggregazione proteica è la caratteristica comune di definizione nei soggetti associati all'età

malattie neurodegenerative, come il Parkinson e l'Alzheimer (David, 2012). Secondo questa visione, l'invecchiamento è, quindi, il crescente collasso dell'omeostasi proteica e dipende dall'interazione tra i componenti della rete di proteostasi, che hanno una marcata conseguenza sulla salute a lungo termine della cellula (Douglas e Dillin, 2010). Queste reti di proteostasi sono in grado di tamponare il flusso costante di ripiegamento errato delle proteine, che è causato dalle caratteristiche intrinsecamente soggette a errori della sintesi proteica e dei meccanismi di degradazione. Tuttavia, tali reti subiscono anche un deterioramento nel tempo, rendendo così le cellule più vulnerabili allo stress tossico indotto dalle proteine ​​(Morimoto, 2004). Le cellule sono in grado di

contrastando l'aggregazione proteica della malattia nelle loro prime fasi di vita riducendo il flusso proteico della malattia attraverso un maggiore controllo del ripiegamento e della degradazione, ridotta sintesi proteica e elaborazione proteica favorevole (Douglas e Dillin, 2010). Tuttavia, si tratta di meccanismi altamente complessi (Hetz e Glimcher,2011) e la loro esatta natura rimane in gran parte sconosciuta (Jaroszet al.,2010). Sono stati fatti tentativi per aumentare l'espressione e l'attività del proteasoma, che portano a un aumento del 15-20 percento della longevità nei modelli cellulari. Tuttavia, nonostante alcune prove convincenti che vi sia la formazione di aggregati proteici in alcune malattie legate all'età, non è chiaro se l'aggregazione proteica induca l'invecchiamento o viceversa (Moronetti MazZeo et al.,2012).

La funzione principale del sistema di degradazione proteolitica delle proteine ​​danneggiate nella prevenzione dell'accumulo delle proteine ​​più danneggiate. Se la proteina danneggiata non viene riconosciuta e degradata tramite l'attività proteasomiale, può aver luogo un'ulteriore ossidazione, nonché reticolazione covalente ad altri sottoprodotti proteici della perossidazione lipidica, come 4-idrossi-2-transnominale (HNE) (Friguet e Szweda. 1997) e malondialdeide (MDA) (Voitkun e Zhitkovich, 1999), due abbondanti prodotti di ossidazione aldeidica bifunzionale. Quando non si degradano sufficientemente rapidamente e/o quando la cellula è esposta a uno stress ossidativo estremo, aumenta la probabilità che le cellule raggiungano uno stadio diverso. In questa fase, le proteine ​​non sono più degradabili dal proteasoma. Ciò si traduce nella formazione di aggregati proteici, di natura idrofobica e insolubile, denominati "aggresomi" (Amidi et al., 2007). La formazione di aggresomi può essere guidata termodinamicamente dai loro residui idrofobici esposti e i sottoprodotti della perossidazione lipidica (come MDA o HNE) possono causare reticolazione covalente (Jung et al., 2009) L'attività proteasomica diminuisce nelle cellule che invecchiano e è stato dimostrato che l'inibizione del proteasoma nelle cellule giovani porta a una maggiore formazione di aggregati proteici (poliubiquitinati) (Powell et al.,2005). È interessante notare che ci sono state alcune indicazioni che i centenari sani esibiscono livelli sia di attività proteasomiali che di proteine ​​modificate ossidativamente identici a quelli trovati nei gruppi di controllo più giovani (Chondrogianni et al.,2000). Queste osservazioni hanno portato all'idea di attivare artificialmente il sistema proteasomale come strategia anti-invecchiamento (Chondrogianni e Gonos, 2008). Nonostante mostri una proteolisi notevolmente aumentata, con un maggiore turnover delle proteine ​​danneggiate/modificate e un migliore recupero dopo lo stress ossidativo applicato esternamente, tali strategie sono ancora lontane dall'essere fattibili. Sono state studiate solo alcune delle modifiche post-traduzionali delle subunità ribosomiali che influenzano le attività del proteasoma durante l'invecchiamento e molte aree della regolazione del proteasoma non sono state del tutto chiarite, inclusi regolatori specifici e la regolazione trascrizionale delle vie di attivazione del proteasoma.

Analogamente al danno ossidativo, è stato suggerito che il danno nitrosativo, quello causato da specie reattive dell'azoto (RNS), come l'ossido nitrico, contribuisca anche a malattie legate all'età, in particolare steatosi e apoptosi epatica (Abdelmegeed et al.,2016), nonché cambiamenti funzionali e strutturali nel sistema cardiovascolare (Novella et al., 2013; Surikow et al., 2015). Inoltre, è stato anche associato a disturbi dell'omeostasi del sonno (Rytkönen et al., 2010), disturbi psicologici (Maurya et al, 2016) e demenza (Mangialasche et al, 2009). Tuttavia, i meccanismi attraverso i quali l'RNS può interagire con i componenti cellulari, come il mitocondrio, non sono ancora chiari, in particolare in vivo (Zelickson et al.2013). Di conseguenza, è necessario comprendere meglio come si formano queste specie e i processi attraverso i quali influenzano la funzione mitocondriale e cellulare.

I prodotti finali della glicazione avanzata (AGE) sono un gruppo complesso e altamente eterogeneo di composti in grado di indurre danno ossidativo cellulare. Si formano quando lo zucchero riducente reagisce in modo non enzimatico con proteine, lipidi o DNA (Fig. 3), soprannominato reazione di Maillard (Luevano-Contreras e Chapman-Novakofski, 2010). Questa reazione gioca un ruolo critico nell'industria alimentare, poiché i suoi prodotti aggiungono gusto e colorante desiderabili agli alimenti (Rufian-Henares e Pastoriza, 2016). In vivo, gli AGE hanno ricevuto una crescente attenzione a causa del fatto che questi sono stati associati a specifiche malattie croniche, in particolare diabete (Forbes et al.2004), patologie cardiovascolari (Bucala et al., 1994) e, più recentemente, cognitive compromissione (West et al.,2014; Yaffe et al.,2011). I loro effetti biologici deleteri possono essere attribuiti alle loro azioni pro-ossidative, infiammatorie e chimiche (Ahmed, 2005), che sono esercitate da due distinti meccanismi. Uno è indipendente dal recettore, mentre l'altro coinvolge il recettore per AGEs(RAGE)(Luevano-Contreras e Chapman-Novakofski,2010)(Fig.4). L'interazione di RAGE e AGE porta infine a un ciclo di feedback positivo (Ishibashi et al.,2014; Lohwasser et al.2006; Nakamura et al 2009; Tanaka et al.,2000), aumentando l'espressione di RAGE. Inoltre, l'interazione AGEs-RAGE attiva la NADPH ossidasi, che è sovraregolata, aumentando così lo stress ossidativo intracellulare (Luevano-Contreras e Chapman-Novakofski, 2010). Nonostante alcuni lavori interessanti che descrivono l'accumulo di AGE nelle malattie legate all'età (Srikanth et al.,2011; West et al.,2014) e negli anziani (Peppa et al.,2008; Uribarriet al.,2007; Vlassara et al. al,2009), non esiste ancora un legame diretto stabilito tra questi e la senescenza.

Un'altra teoria del danno prevalente come causa dell'invecchiamento è quella dell'instabilità del genoma, ampiamente rivista altrove (Lopez-Otin et al.,2013). Sia la stabilità che l'integrità del DNA sono messe continuamente alla prova da numerosi fattori endogeni ed esogeni, inclusi errori di replicazione del DNA e fisici,cistanche benefíciosagenti chimici e biologici (Lopez-Otin et al.,2013). Gli organismi hanno sviluppato un complesso sistema di meccanismi di riparazione del DNA che, nella maggior parte dei casi, affrontano efficacemente questi danni inflitti al DNA. Tuttavia, se difettosi, questi meccanismi possono provocare instabilità del genoma e produrre sindromi da invecchiamento precoce. Le elicasi del DNA svolgono un ruolo essenziale nel mantenimento della stabilità genomica e, infatti, un certo numero di mutazioni nei geni dell'elicasi umana sono state collegate a malattie dell'instabilità cromosomica caratterizzate da disturbi legati all'età (Suhasini e Brosh, 2013), tra cui Xeroderma Pigmentosum ( XP), sindrome di Cockayne (CS) e sindrome di Werner (WS) (Brosh, 2013; Fang Evandro et al, 2014). Si ritiene che gli eventi nucleari, tra cui la riparazione accoppiata alla trascrizione (TCR), la riparazione dell'escissione del nucleotide (NER) e, forse più familiare al pubblico più ampio, il mantenimento dei telomeri siano influenzati individualmente da CS-A/CS-B, XP-B /XP-D e WRN elicasi, rispettivamente (Uchiumi et al.,2015).

La maggior parte dei sostenitori della teoria dell'instabilità genomica dell'invecchiamento fa riferimento all'accorciamento dei telomeri (Kruk et al., 1995) (Fig. 4). I telomeri sono le sequenze ripetute di DNA alle estremità dei cromosomi lineari, che non possono essere completamente replicate dalle DNA polimerasi (Johnson et al., 1999). Di conseguenza, i telomeri si accorciano ad ogni divisione cellulare, a meno che non siano mantenuti dalla telomerasi, un enzima ribonucleoproteico (Fig. 5). Tuttavia, la maggior parte dei mammiferi è priva di questo enzima e l'esaurimento dei telomeri è, infatti, la radice del cosiddetto limite di Hayflick, la massima capacità proliferativa di alcuni tipi di cellule coltivate in vitro (Hayflick e Moorhead, 1961). Ciò accade a causa della presenza di shelterin, un complesso multiproteico che lega i telomeri, fungendo da barriera contro le proteine ​​di riparazione del DNA. Inoltre, l'introduzione della telomerasi nelle cellule umane normali ha prodotto linee cellulari immortali (Bodnar et al., 1998; Stampfer e Garbe, 2015).

Sebbene la presenza di shelterin possa, a prima vista, sembrare dannosa per la cellula, tali meccanismi impediscono le fusioni cromosomiche (Meena et al.,2015). Nonostante tutte queste prove apparentemente schiaccianti dell'accorciamento dei telomeri come uno dei principali fattori di invecchiamento, molte opere hanno gettato un'ombra di dubbio su questa affermazione. Studi su campioni sia trasversali che longitudinali hanno rivelato che, se lo stato di salute del donatore e le condizioni della biopsia sono controllate, non è possibile determinare alcuna correlazione significativa tra l'età del donatore e la durata della vita replicativa delle cellule di coltura (Holliday, 2014). Inoltre, è stato dimostrato che il processo di invecchiamento prematuro dei fibroblasti progeroidi (cellule che invecchiano potenziate) condivide solo una parte del processo di invecchiamento in vitro dei fibroblasti normali (Toda et al, 1998), sebbene recenti lavori sperimentali abbiano dimostrato che la telomerasi conferisce protezione dell'invecchiamento accelerato nelle cellule staminali specifiche del lignaggio della sindrome di Werner (Cheung et al.2014). Infine, contrariamente a quanto previsto, le cellule T CD28-, che mostrano telomeri accorciati e capacità proliferativa notevolmente ridotta in coltura, si accumulano con l'età (Effros, 1998). Quindi, l'accorciamento dei telomeri può essere coinvolto nell'invecchiamento, ma sicuramente non è l'unica causa della senescenza e il suo meccanismo d'azione, sebbene apparentemente semplice in linea di principio, resta da comprendere appieno.

Anche le mutazioni e le delezioni nel DNA mitocondriale (mtDNA) possono contribuire all'invecchiamento.Estratto di Cistanche Anti RadiazioniQuesto tipo di DNA è estremamente denso di geni e codifica per numerosi fattori critici per la fosforilazione ossidativa. Quindi, le mutazioni nel mtDNA - che si ritiene siano dieci volte superiori a quello del DNA nucleare (Jeppesen et al.201l) - causano un'ampia gamma di malattie mitocondriali umane e sono state implicate in malattie legate all'età e all'invecchiamento (Park e Larsson , 2011), che è ulteriormente potenziato dal microambiente ossidativo dei mitocondri e dalla mancanza di istoni protettivi, coinvolti nei meccanismi di riparazione del DNA nucleare (Pinto e Moraes, 2015). L'evidenza causale del ruolo del danno del mtDNA nell'invecchiamento viene da studi su topi che sono carenti della DNA polimerasi Y mitocondriale. Questi mutanti mostrano aspetti di invecchiamento prematuro e ridotta durata della vita (Vermulst et al., 2008).Negli esseri umani, le eliminazioni avvengono attraverso È stata descritta l'espansione clonale di eventi di singola mutazione nei cervelli invecchiati (Williams et al.2013), cosa interessante, in regioni del cervello altamente suscettibili al danno ossidativo (Pickrell et al., 2011). Tuttavia, l'implicazione delle mutazioni del mtDNA nell'invecchiamento è controversa, a causa della molteplicità dei genomi mitocondriali (Lopez-Otin et al, 2013). Ciò significa che i genomi mutanti e wild-type possono coesistere all'interno della stessa cellula, un fenomeno chiamato "eteroplasmia", e, recentemente, il grado di eteroplasmia è stato suggerito come un predittore semplice e non invasivo di disturbi neurologici e motori legati all'età (Tranah et al., 2015). Nonostante questa possibile coesistenza di mtDNA e di un livello globalmente basso di mutazioni del mtDNA, le analisi unicellulari hanno rivelato che un carico di singole cellule che invecchiano diventa significativo (Khrapko et al., 1999) e può infine raggiungere uno stato di omoplasmia, in cui un genoma mutante domina (Lopez-Otin et al., 2013). Sebbene siano stati descritti i meccanismi attraverso i quali la disfunzione mitocondriale porta a malattie (Ylikallio e Suomalainen. 2012), non è stato completamente chiarito come le mutazioni del mtDNA possano indurre l'invecchiamento (Pinto e Moraes, 2015). Un limite chiave di questa teoria è che il modo in cui una compromissione focale della funzione mitocondriale può diffondersi in tutto il tessuto rimane inspiegabile. Pertanto, è chiaro che sono necessari ulteriori studi per chiarire meglio come le mutazioni del mtDNA alla fine portano all'invecchiamento.

(3) Teorie combinate

Uno dei primi sforzi per sviluppare una teoria unificata per l'invecchiamento è stato condotto da Strehler (1976) 1976. Ha formulato quattro postulati: (1) l'invecchiamento è universale e,crescita del pene cistanchecome tale, un fenomeno legato all'invecchiamento deve verificarsi in tutti gli individui di una specie, anche se in misura diversa;(2)l'invecchiamento deve essere intrinseco: le cause devono essere endogene e non dipendono da fattori estrinseci;(3)l'invecchiamento è progressivo e deve verificarsi in modo incrementale per tutta la durata della vita e;(4)l'invecchiamento deve essere deleterio, ovvero un fenomeno associato all'invecchiamento sarà considerato una parte del processo di invecchiamento solo se non presenta vantaggi per l'individuo.

Subito dopo, partendo da questi postulati, si sviluppò un'ipotesi di invecchiamento di membrana (Zs.-Nagy,1978), basata sul fatto che le membrane cellulari si irrigidiscono con l'invecchiamento e che una diminuzione del contenuto intracellulare di potassio potrebbe portare ad una sorta di "ringiovanimento". In altre parole, l'invecchiamento era correlato ai cambiamenti nella capacità delle cellule di trasferire sostanze chimiche, calore e processi elettrici.

All'inizio degli anni '80, Cutler avanzò l'ipotesi dis-differenziativa dell'invecchiamento e della longevità dei mammiferi (Cutler, 1982), basata sull'idea che la causa alla base della maggior parte delle vaste complessità del processo di invecchiamento fosse l'allontanamento delle cellule dal loro corretto stato di differenziazione, poiché le cellule differenziate di giorni sono responsabili dell'inizio di una cascata di cambiamenti nell'intero organismo e che la somma di questi è l'invecchiamento (Taylor e Johnson, 2008). Sebbene alcuni studi siano stati condotti con l'ipotesi dis-differenziativa dell'invecchiamento come premessa di fondo (Kator et al, 1985; Ono et al., 1985), questa idea è stata in gran parte abbandonata a favore di alcuni dei punti di vista precedentemente descritti nel processo di senescenza.

Più recentemente è stata proposta una nuova teoria integrativa,cistanche erbabasato sulla nozione che l'invecchiamento non è fondamentalmente un processo chimico, ma piuttosto un meccanismo biofisico, di natura elettrica. La teoria dell'invecchiamento sull'elettricità in dissolvenza (De Loof et al.,2013) postula che, man mano che le cellule perdono gradualmente la capacità di produrre la propria elettricità, i processi biochimici che sono stati suggeriti come fattori determinanti dell'invecchiamento entrano in gioco, portando alla fine alla morte per senescenza. Sebbene certamente plausibile, questa teoria manca di dati a sostegno dell'ipotesi. Tuttavia, solleva un aspetto interessante nella ricerca sull'invecchiamento: gli scienziati non dovrebbero limitarsi alle cause biochimiche e genetiche dell'invecchiamento. Vanno prese in considerazione tutte le attività biofisiche della cellula vivente, in particolare quella bioelettrica, come possibile causa di senescenza.

Sebbene siano state proposte molteplici teorie sull'invecchiamento, fino ad oggi non c'è consenso sull'argomento. In effetti, molti dei meccanismi suggeriti sembrano, in un modo o nell'altro, interagire tra loro (Jin, 2010). Pertanto, è necessaria un'analisi integrativa delle prove quantitative disponibili ai diversi livelli della gerarchia biologica per comprendere fondamentalmente come avviene il processo di invecchiamento. Sono stati fatti molteplici tentativi di trovare sinergie e combinare diverse visioni e teorie dell'invecchiamento (Barja, 2013; Bengtson et al., 1999; Gems, 2000; Miquel, 1991; Weinert e Timiras, 2003), sebbene nessuno si sia affermato come un visione dettagliata e completa prevalente di ciò che è e, soprattutto, di come si verifica l'invecchiamento. Tuttavia, le teorie combinate vedono l'invecchiamento come un processo altamente interconnesso a livello sistemico, regolato da circuiti di feedback tra i livelli di organizzazione biologica (Kriete et al., 2006) (Fig. 6).

Questo articolo è estratto dal manoscritto Aging Res Rev. Author; disponibile in PMC 2018 giugno 07.