Kalorirajoituksen vaikutukset autofagiaan: rooli ikääntymisen estämisessä
May 06, 2022
Klikkaaoscar.xiao@wecistanche.comLisätietoja
Abstrakti:Autofagia on tärkeä kodinhoitoprosessi, joka ylläpitää oikeaa solujen homeostaasia normaaleissa fysiologisissa ja/tai patologisissa olosuhteissa. Se vastaa metabolisten makromolekyylien ja vaurioituneiden organellien hävittämisestä ja kierrätyksestä laajojen lysosomaalisten hajoamisprosessien kautta. Stressiolosuhteissa, mukaan lukien ravinteiden puutos, autofagia aktivoituu olennaisesti ylläpitämään solujen oikeaa toimintaa ja edistämään solujen eloonjäämistä. Muuttuneita autofagiaprosesseja on raportoitu erilaisissa ikääntymistutkimuksissa, ja säätelemätön autofagia liittyy erilaisiin ikään liittyviin sairauksiin. Kalorirajoitusta (CR) pidetään kultaisena standardina monille ikääntymisen interventiomenetelmille. Vaikka on selvää, että CR:llä on erilaisia vaikutuksia ikääntymisprosessia vastaan, tarkat mekanismit, joilla se moduloi näitä prosesseja, ovat edelleen kiistanalaisia. Viimeaikaiset edistysaskeleet CR-tutkimuksessa ovat osoittaneet, että autofagian aktivoituminen on yhteydessä havaittuihin hyödyllisiin ikääntymistä ehkäiseviin vaikutuksiin. Todisteet osoittivat, että CR indusoi vahvan autofagiavasteen erilaisissa metabolisissa kudoksissa ja että autofagian estäminen heikensi CR:n ikääntymistä estäviä vaikutuksia. Mekanismeja, joilla CR moduloi autofagian monimutkaista prosessia, on tutkittu perusteellisesti. Tässä katsauksessa käsitellään useita suuria edistysaskeleita, jotka liittyvät CR:n ikääntymistä estäviin mekanismeihin ja anti-aging-mimeetteihin, keskittyen autofagiavasteen modifioimiseen.
Avainsanat:ikääntyminen; autofagia;kalorirajoitus (CR); CR-mimetiikka
1. Esittely
1.1.Autofagiaprosessi
Autofagia on evoluutionaalisesti hyvin säilynyt prosessi, jota esiintyy kaikissa eukaryoottisoluissa hiivasta ihmiseen [1]. Erittäin monimutkaisia autofagiaan liittyviä signalointireittejä on tutkittu laajasti viimeisen 30 vuoden ajan, ja ne on selvitetty genetiikan ja fysiologian yhdistetyllä tutkimuksella eri lajeissa [2]. Tähän mennessä on tunnistettu ainakin kolme erilaista autofagiaa: makroautofagia, mikroautofagia ja kaperonivälitteinen autofagia. Kaikki kolme muotoa riippuvat lysosomaalisesta hajoamisesta, ja makroautofagia (jäljempänä autofagia) on yleisin muoto. Kun autofagia on aktivoitunut, se käsittää sytosolisten komponenttien (vaurioituneiden soluorganellien, proteiinien tai muiden makromolekyyliravinteiden) eristämisen fagoforien toimesta, jotka kypsyvät autofagosomeiksi, jotka ovat kaksoiskalvorakkuloita [2,3]. Autofagosomit siirtyvät edelleen ja sulautuvat happamaan lysosomiin ja muodostavat autolysosomin, jossa tapahtuu hajoamista ja kierrätystä. Näiden prosessien monipuoliset substraatit ja perusaktiivisuus viittaavat siihen, että solut ovat erittäin riippuvaisia niistä solujen homeostaasin ylläpitämisessä. Riittävän autofagiavasteen ylläpitämisen tärkeys on osoitettu sekä fysiologisissa että patologisissa olosuhteissa [4].
klikkaa tästä saadaksesi lisätietoja
1.2. Autofagiaprosessin molekyylikoneisto
Autofagiaa sääteleviä molekyylimekanismeja ja signalointireittejä on tutkittu laajasti [5]. Autofagia alkaa autofagosomikomponenttien de novo -tuotannolla, jota seuraa kokoonpano, jota ohjaa ATG-nimisen proteiiniryhmän (autofagiaan liittyvät geenit) yhteisvaikutus. Koska autofagiaprosessin yksityiskohtainen molekyylikoneisto on kuvattu aiemmin useissa katsausartikkeleissa, tässä katsauksessa käsitellään vain sen yleisiä ominaisuuksia. Autofagiaprosessin alussa fagoforin muodostuminen alkaa endoplasmisen retikulumin (ER) ja mitokondrioiden rajapinnasta, ja fagoforin pidentyminen riippuu Golgista ja plasmakalvoista. Autofagosomien muodostumisen etenemiselle on pitkälti tunnusomaista ATG-proteiinien värvääminen fagoforiin [6].
UMC{0}}kuten kinaasi 1 (ULK1, homologinen hiivan ATG1) -kompleksien muodostuminen on varhaisin tapahtuma autofagosomin muodostumisessa. ULK1-aktivaatio on ylävirtaan muista ATG-proteiinien rekrytoinnista, ja ULK1-kinaasiaktiivisuutta tarvitaan VPS34-kompleksin (luokan III PI3--kinaasi) rekrytoimiseksi fagoforiin. Tämä on ratkaisevan tärkeää fosfatidyyli-inositolin (PtdIns) fosforylaatiolle ja sitä seuraavalle PtdIns-3-fosfaatin tuotannolle. Fosfolipidiä sitovien proteiinien lisääminen fagoforiin on tärkeää proteiinikompleksien stabiloimiseksi lähellä autofagosomin muodostumispaikkaa. Vesikkelin pidennysprosessissa on mukana kaksi konjugaatiojärjestelmää. ATG5:n konjugointi ATG12-kompleksiin vaatii ubikvitiinin kaltaisen konjugaatiojärjestelmän, johon osallistuvat ATG7 ja ATG10.sitrushedelmien bioflavonoiditKonjugoituja ATG5-ATG12-komplekseja tarvitaan edelleen konjugoimaan fosfoetanoliamiini (PE) ATG8:ksi (mikrotubuluksiin liittyvä proteiini 1:n kevyt ketju 3; LC3). Tähän konjugointiprosessiin tarvitaan ATG4, ATG7 ja ATG3. LC3:n muuntamisen LC3-I:stä (liukoinen muoto) LC3-II:ksi (vesikkeleihin liittyvä muoto) PE-konjugaation avulla uskotaan olevan tarpeen laajenevan autofagosomaalisen kalvon sulkemiseksi. Lopuksi kypsynyt autofagosomi fuusioidaan lysosomin kanssa prosessin päätavoitteen täyttämiseksi, mikä huipentuu substraattien hajoamiseen ja kierrätykseen autofagosomissa.
1.3. Autofagiaa säätelee ravinteiden tunnistava signaali
Useat fysiologisesti tärkeät ärsykkeet indusoivat autofagiaprosessia, mukaan lukien organellien (ER, mitokondrioiden) vauriot, hypoksia ja tulehdus [2]. Ravinteet ja energiastressi ovat kuitenkin autofagiaprosessin tehokkaimpia säätelijöitä [7]. Muutokset solujen energiatilanteessa, kuten ravinteiden, kuten glukoosin ja aminohappojen, poistaminen indusoivat autofagiaprosessin aktivoitumisen alusta loppuun [8]. Autofagian ylävirran signalointikoneisto voi tunnistaa ravinnetasot suoraan sen alkamisen säätelemiseksi vasteena muuttuville solun energiatasoille (kuva 1).
Cistanche voi ehkäistä ikääntymistä
Kaikista ravintoaineisiin liittyvistä signalointimolekyyleistä rapamysiinin (mTOR) nisäkäskohde on osoitettu yhdeksi tärkeimmistä autofagiasignaloinnin ylävirran modulaattoreista [9,10]. mTOR on erittäin konservoitunut seriini/treoniinikinaasi, jota säätelevät useat signaalit, mukaan lukien energiatasot, kasvutekijät ja muut solun stressitekijät, jotka koordinoivat solujen lisääntymistä/kasvua ja ylläpitävät energiahomeostaasia.mTOR muodostaa kompleksin, joka tunnetaan nimellä mTORC1 (mTOR). kompleksi1) ja mTORC2 (mTOR-kompleksi 2). mTORC1 liittyy autofagian signaalin muutoksiin ja aktivoituu ravinteiden tai kasvutekijöiden läsnä ollessa. mTORC1 aktivoituu yleensä ravinnerikkaissa olosuhteissa]11. Se voidaan aktivoida suoraan lisääntyneellä aminohappopitoisuudella solussa tai alavirran signaalina kasvutekijöiden vaikutuksesta [11,12]. Kun mTORC1 on aktivoitu, se fosforyloi suoraan ULK1:n[13]. Kriittisesti mTORC1:n aktivaatio riittää estämään autofagian riittävien ravintoaineiden läsnä ollessa [14]. ULK1-kinaasin suora tukahduttaminen mTORC1:llä on myös hyvin säilynyt kaikissa lajeissa [15]. Muut ATG-kompleksin komponentit ovat suoraan vuorovaikutuksessa mTORC1:n kanssa ja tukahduttavat autofagiaprosessin [16]. Lisäksi mTORC1 voi epäsuorasti tukahduttaa autofagiaa säätelemällä lysosomien biogeneesiä [17,18]. Transkriptiotekijä EB (TFEB) on vastuussa lysosomaalisten ja autofagiaan liittyvien geenien transkriptiosta[19]. mTORC1-välitteinen TFEB-fosforylaatio vähentää sen transkriptionaalista aktiivisuutta, mikä vähentää autofagiaan liittyvän geenin ilmentymisen yleistä ilmentymistä [20,21].
Kuva 1. Autofagiaa säätelee ravinteiden tunnistava signalointi. Autofagian signalointia moduloivat pääasiassa ravinteiden tunnistavat signalointireitit. Insuliini ja IGF (insuliinin kaltainen kasvutekijä) indusoivat rapamysiinin (mTOR) signaalin nisäkäskohteen aktivoitumista ja estävät autofagian alkamista. AMP-aktivoidun proteiinikinaasin (AMPK) aktivoituminen kohonneella AMP/ATP-suhteella nälänhädän aikana lisää suoraan autofagiaa ja estää mTOR-kompleksia. CRE:tä sitovan proteiinin (CREB) aktivaatio glukagonin signaloinnilla ja peroksisomiproliferaatiotekijän aktivoiman reseptorin (PPAR) aktivaatio sen ligandeilla lisää autofagian ja lysosomeihin liittyvien proteiinien geenitranskriptiotasoa.
Ravinteiden puutteellisissa olosuhteissa autofagian aktivaatiota säätelevät useat hyvin tunnetut ravinteita tunnistavat signaaliproteiinit. Yksi merkittävimmistä toimijoista ravinteiden puutteen havaitsemisessa on AMP-aktivoitu proteiinikinaasi (AMPK)[13,22]. ATP:n ja AMP:n molekyylisuhde heijastaa solun energiatasoa, ja kohonneet AMP-tasot edustavat solun sisäistä varoitusjärjestelmää, joka saa solun säästämään energiaa metabolisen homeostaasin ylläpitämiseksi. AMPK havaitsee suoraan AMP:n, ja aktivoidulla AMPK:lla on karakterisoitu ja osoitettu olevan useita toimintoja solujen aineenvaihdunnan säätelyssä. On olemassa useita mekanismeja, joilla AMPK indusoi autofagiaa. Ensinnäkin AMPK fosforyloi suoraan ULK:ta, joka on prosessi, jota tarvitaan ULK1:n aktivoitumiseen ja autofagian käynnistämiseen ravinteiden puutteen olosuhteissa[13]. AMPK:n ja ULK1:n välinen vuorovaikutus voidaan estää mTORC1-välitteisellä ULK1-fosforylaatiolla, mikä osoittaa monimutkaisen yhteyden näiden kahden reitin välillä. Toiseksi AMPK on mTOR-signalointireitin negatiivinen säätelijä [23]. Mekaanisesti AMPK fosforyloi suoraan tuberkuloosiin liittyvän kompleksin (TSC), joka on mTORC1-aktivaation negatiivinen säätelijä. AMPK myös fosforyloi suoraan mTORC1-kompleksin Raptor-alayksikön, mikä lisää mTORC1-kompleksin hajoamista. Nämä tutkimukset osoittivat selvästi, että AMPK, ravinteiden saatavuuden kriittinen säätelijä, pystyy säätelemään autofagian aktiivisuutta koordinoimalla mTOR-riippuvaisia ja riippumattomia mekanismeja.
1.4. Autofagia ja ikääntyminen
Ikääntyminen liittyy erilaisiin muutoksiin, kuten genomisen epävakauteen, proteostaasin menettämiseen, epigeneettisiin muutoksiin ja ravinteiden aistien säätelyyn [24]. Nämä muutokset liittyvät myös lukuisiin ikääntymiseen liittyviin sairauksiin, kuten sydän- ja verisuonisairauksiin, hermoston rappeumasairauksiin ja aineenvaihduntasairauksiin. Ikääntymisen aikana tapahtuvista muutoksista osa liittyy autofagiaan liittyviin signalointireitteihin [24,25]. Kokonaisproteolyyttisen aktiivisuuden lasku ja muuttunut ravinteiden tunnistava signalointi liittyvät suoraan autofagiaan. Ikääntymisen myötä vähentynyttä autofagiaa on todellakin raportoitu laajalti useissa eri organismeissa, joissa vaurioituneiden proteiinien ja soluorganellien asteittaisen kertymisen on osoitettu tapahtuvan [26].cynomoriumin edutAutofagiaan liittyvien geenitranskriptien ja proteiinien vähentynyt taso on havaittu sukkulamadoissa ja hedelmäkärpäsessä [27-29]. Ikääntyneet nisäkkäiden ja ihmisten kudokset osoittivat myös avainautofagian proteiinien vähäisempää ilmentymistä [30-32]. Autofagian komponenttien tasojen muutosten mukaisesti viimeaikaiset tutkimukset osoittivat edelleen vähentyneen yleisen autofagisen kapasiteetin ikääntymisen aikana C.elegansissa [33]. Elektronimikroskopiahavainnot osoittivat ikään liittyvää autofagisten tyhjiöiden kertymistä, mikä edustaa autofagiavuon tukkeutumista. Samoin yleinen proteolyysiaktiivisuus heikkenee ikääntymisprosessin aikana, ja iäkkäiden rottien maksassa on havaittu pitkäikäisiä proteiineja, jotka eivät ole asianmukaisesti hajoaneet [34].
Lisää silmiinpistäviä todisteita ikääntymisen ja autofagian välillä tulee useista heikentyneen autofagian geneettisistä malleista. Puolueeton seulonta hiivan, sukkulamatojen ja hedelmäkärpästen ikääntymistekijöille paljasti lyhytikäisiä mutantteja, joilla oli puutteita autofagiassa [27, 35, 36]. Lisäksi knockout-hiirillä autofagiaan liittyvien geenien koko kehon deleetio johti varhaiseen postnataaliseen kuolemaan, mikä osoittaa autofagian olennaisen roolin fysiologisten prosessien yleisessä ylläpidossa [37-39]. Kudosspesifiset ehdolliset knockout-hiirimallit paljastivat myös useita ikääntymisen fenotyyppejä, mukaan lukien solunsisäisten proteiinien, soluorganellien ja muiden makromolekyylien aggregoituminen ja kertyminen [40-43]. Autofagisen aktiivisuuden menetys näissä malleissa todennäköisesti rajoittaa yhä enemmän solujen kykyä ylläpitää laadunvalvontaa, mikä johtaa myrkyllisten loukkausten kerääntymiseen ja johtaa ikääntymiseen ja ikään liittyviin patologioihin [3]. Toisaalta kertyvä näyttö viittaa siihen, että kokeellisesti tehostettu autofagia pidentää elinikää ja viivyttää ikääntyvää fenotyyppiä. Spesifisten autofagiageenien yli-ilmentyminen voi pidentää useiden lajien elinikää. Autofagisen aktiivisuuden lisääntyminen voi pidentää pitkäikäisyyttä C.elegansissa sekä hiivassa, kun taas Atg5:n kaikkialla esiintyvä yli-ilmentyminen hiirissä riittää stimuloimaan autofagiaa ja pidentämään elinikää [44,45]. Yhdessä nämä havainnot osoittavat, että muutokset autofagisessa aktiivisuudessa voivat liittyä pitkäikäisyyteen ja että autofagisen toiminnan lisääminen voi olla tehokas tapa viivyttää ikääntymistä ja edistää pitkäikäisyyttä eri lajeissa, mukaan lukien nisäkkäät.
Mekanismit, joilla autofagian komponentit tai autofagiset prosessit vähenevät iän myötä, ovat edelleen epäselviä. Koska autofagiaprosessi aloituksesta loppuun, on monimutkainen ja liittyy useisiin vaiheisiin ja erilaisiin proteiineihin, on todennäköistä, että ikään liittyvään autofagian vähenemiseen vaikuttavat mekanismit ovat monitekijäisiä. Todennäköisin säätelymekanismi, joka myötävaikuttaa autofagian tukahduttamiseen ikääntymisessä, on muutos ylävirran signaloinnissa autofagian alkamisen aikana. Kahdella tärkeällä ravinteita tunnistavalla proteiinilla, mTOR:lla ja AMPK:lla, on tärkeä rooli autofagian alkamisen säätelyssä[10,13]. Lisäksi nämä tekijät heijastavat solun tilaa, kuten hormonaalista säätelyä (solun ulkopuolella) ja ravitsemusstressiä (solun sisällä). Ravintoanturi mTOR ei estä voimakkaasti vain autofagian alkamista, vaan sillä on myös estävä vaikutus useisiin autofagiaprosessin vaiheisiin. On mahdollista, että lisääntynyt mTOR-signalointi ikääntymisen aikana on tärkeä rooli ikään liittyvässä autofagian tukahduttamisessa. Koska lisääntynyttä mTOR-aktiivisuutta on raportoitu useissa ikään liittyvissä sairauksissa, mukaan lukien aineenvaihdunta- ja rappeutumishäiriöt, on todennäköistä, että lisääntynyt mTOR-signalointi on pääasiallinen syy yleisen autofagiaprosessin heikkenemiseen [46]. Toisin kuin mTOR, joka yleensä hyperaktivoituu ikääntymisen aikana, AMPK:n aktiivisuus tai ilmentyminen on tyypillisesti tukahdutettu [47]. On todennäköistä, että AMPK:n väheneminen saattaa vaikuttaa tai tukahduttaa autofagiaa ja toimia yhdessä mTOR:n kanssa. Tätä varten, vaikka mekanismit, jotka häiritsevät autofagian signalointia ikääntymisen aikana, ovat monitekijäisiä, on selvää, että muutokset sen ylävirran reiteillä ovat kriittisiä sen säätelylle.
Toinen mahdollinen mekanismi, joka on vastuussa ikääntymisen aikana havaitusta autofagian vähenemisestä, on transkription säätely. TFEB on aiemmin kuvattu autofagiaan liittyvän geenitranskription säätelijäksi; viimeaikaiset tutkimukset ovat kuitenkin paljastaneet muita tärkeitä transkriptiotekijöitä, jotka säätelevät autofagiaan liittyvien proteiinien geeniekspressiota. Glukagoni säätelee paaston transkriptionaalista tekijää CRE-sitovaa proteiinia (CREB) ravinteiden puutteessa, ja se lisää myös autofagiageenin ilmentymistä, mukaan lukien ATG7, ULK1 ja TFEB. CREB:n lisäksi peroksisomiproliferaatiotekijä-aktivoitu reseptori (PPAR), toinen transkriptiotekijä, jolla on rooli nälkään, ohjaa myös autofagiageenien transkriptiota [19,4849]. Molemmat transkriptiotekijät voivat toimia yhdessä lisäämään autofagiaan liittyvää geeniekspressiota. Molempien transkriptiotekijöiden geneettinen deleetio vähensi autofagiaa ja johti riittämättömään metaboliseen vasteeseen, erityisesti ravinteiden puutteessa. Vaikka ei ole suoraa näyttöä siitä, olisiko niillä rooli viallisessa autofagiassa ikääntymisen aikana, on jonkin verran näyttöä siitä, että ne ovat tärkeitä ja epäsäänneltyjä ikääntymisen aikana [50-52]. Lisätutkimukset ovat tarpeen näiden transkriptiotekijöiden ja viallisen autofagian välisen suhteen paljastamiseksi ikääntymisen aikana.
2. Kalorirajoitus (CR) moduloi autofagiaprosesseja
2.1. Johdatus kalorirajoitukseen
Kalorirajoituksen (CR) on osoitettu olevan vakiintunut eliniän pidentämismenetelmä, joka säätelee ikään liittyviä sairauksia sekä itse ikääntymistä.aavikon hyasinttiVaikka menetelmät ovat erilaiset (yleensä 20 prosenttia -40 prosenttia ad libitum -saannista, 40 prosenttia vähennys useimmissa tapauksissa), CR osoitti pidentyneen eliniän monilla lajeista hiivasta kädellisiin ja tukee ihmisen tervettä ikääntymistä [ 53]. Lisäksi CR:llä on ennaltaehkäiseviä vaikutuksia erilaisiin ikään liittyviin sairauksiin, kuten syöpään, hermostoa rappeutuviin sairauksiin, sydän- ja verisuonisairauksiin ja muihin aineenvaihduntasairauksiin [54]. CR:n monipuolinen tehokkuus ikääntymisen ja ikääntymiseen liittyvien sairauksien torjunnassa on tehnyt siitä ikääntymisen interventiotutkimusten kultastandardin. Vaikka CR:n ikääntymistä estävät vaikutukset ovat toistettavissa, CR:n ikääntymistä estävän vaikutuksensa tarkat mekanismit ovat kiistanalaisia, koska CR säätelee useita fysiologian eri näkökohtia. Näitä muutoksia ovat muunnokset energiaa tunnistavassa signaloinnissa, oksidatiivisessa stressissä, tulehduksessa ja muissa solujen välisissä ja intrasellulaarisissa prosesseissa. Monien CR:n aiheuttamien muutosten joukossa energian tuotanto ja käyttö ovat suorimmin säädeltyä CR:n aiheuttamaa signalointia[55,56]. Koska energiansaannin väheneminen ja ravitsemustilan muutokset CR:n jälkeen voivat muuttaa energiantunnistusmekanismeihin liittyviä molekulaarisia signalointireittejä, muut mekanismit voivat olla tämän prosessin toissijaisia vaikutuksia.
2.2. Todisteita CR-välitteisen autofagian hyödyllisistä vaikutuksista
Perustuen autofagian induktiomekanismiin ja sen rooliin nälänhädän aikana, ennustettiin, että CR saattaa indusoida autofagisen prosessin. Todellakin, monissa erilaisissa ravinteiden puutteen olosuhteissa, mukaan lukien CR, autofagia indusoituu säätelemään organismin homeostaasia. Vaikka on selvää, että CR edustaa vahvaa fysiologisesti autofagista indusoijaa, on epävarmaa, edistääkö autofagia CR:n ikääntymistä estäviä vaikutuksia. Viime aikoina useat tutkimukset ovat osoittaneet, että autofagian induktio oli välttämätön CR:n ikääntymistä ehkäiseville vaikutuksille (taulukko 1).flavonoidin uuttomenetelmä pdfCR:n osoitettiin edistävän pitkäikäisyyttä tai suojaavan hypoksialta Sirtuin{0}}riippuvaisen autofagian induktioprosessin kautta [57,58]. Toinen tutkimus osoitti myös, että eliniän pidentäminen metioniinirestriktiolla vaati autofagian aktivointia[59]. Kasvava näyttö tukee käsitystä, että autofagialla on merkittävä rooli CR:n hyödyllisissä vaikutuksissa[60,61]. Pitkäikäisyyden tutkimuksen lisäksi muut tutkimukset ovat osoittaneet, että CR indusoi voimakkaasti autofagiaa erilaisissa fysiologisissa ja patologisissa olosuhteissa ja että sillä on suojaava vaikutus elimistön normaalien toimintojen ylläpitämiseen. Seuraavassa osiossa käsitellään autofagian suojaavaa roolia CR-olosuhteissa.
Taulukko 1. Tutkimukset osoittavat kalorirajoituksen (CR) aiheuttaman autofagian suojaavia vaikutuksia eri elimiin. LC3: kevytketju 3.
Tämä artikkeli on Nutrients 2019, 11, 2923; doi:10.3390/nu11122923 www.mdpi.com/journal/nutrients