Rapalogs a MTOR inhibítory ako terapia proti starnutiu

Rapamycín, inhibítor mechanického cieľa rapamycínu (mTOR), má doteraz najsilnejšiu experimentálnu podporu akopotenciálny liek proti starnutiuu cicavcov. Na rozdiel od mnohých iných zlúčenín, o ktorých sa tvrdilo, že ovplyvňujú dlhovekosť, bol rapamycín opakovane testovaný na dlhovekých, geneticky heterogénnych myšiach, u ktorých predlžuje strednú aj maximálnu dĺžku života. Mechanizmus, ktorý zodpovedá za tieto účinky, však nie je ani zďaleka jasný a narastajúci zoznam vedľajších účinkov spochybňuje, že by bol rapamycín v konečnom dôsledku prospešný pre ľudí. Táto recenzia pojednáva o vyhliadkach na vývoj novších, bezpečnejšíchterapie proti starnutiuzaložené na analógoch rapamycínu (nazývaných rapalogs) alebo iných prístupoch zameraných na signalizáciu mTOR.

Kliknite sem a získajte viac informácií o Cistanche pre ošetrenie proti starnutiu

Stručná história rapamycínu a mechanistický cieľ rapamycínu Rapamycín bol objavený v pôde Veľkonočného ostrova ako zlúčenina produkovaná Streptomyces hygroscopicus, ktorá bola schopná inhibovať proliferáciu kvasinky Candida albicans, ale neovplyvňovala rast baktérií (1). U cicavcov sa zistilo, že rapamycín inhibuje imunitnú odpoveď a následne bol prijatý ako štandardná terapia na prevenciu odmietnutia štepu u príjemcov transplantátu a na liečbu autoimunitných porúch (2, 3). Rapamycín tiež vo veľkej miere inhibuje rast a proliferáciu buniek cicavcov, čo podnecuje novší záujem o jeho použitie ako terapiu rakoviny (4). Mechanicky rapamycín viaže FKBP12, imunofilín s prolylizomerázovou aktivitou. Dva ďalšie proteíny potrebné pre jeho účinky v kvasinkách boli identifikované v genetickom skríningu v roku 1991 a nazývané ciele rapamycínu 1 (TOR1) a TOR2 (5). Počas rokov 1994 a 1995 tri samostatné skupiny izolovali 289-kDa kinázu, ktorá je viazaná a inhibovaná komplexom rapamycín-FKBP12 v bunkách cicavcov (6–8). Táto kináza je teraz známa ako mechanický cieľ rapamycínu (mTOR) a je približne zo 40 percent homológna s proteínmi TOR Saccharomyces cerevisiae a medzi eukaryotmi je vysoko konzervovaná. mTOR sa nachádza v dvoch komplexoch, ktoré majú odlišné funkcie a rôznu citlivosť na pôsobenie rapamycínu. mTOR komplex 1 (mTORC1; pozostávajúci z mTOR, raptor, mLST8/GL, PRAS40, DEPTOR) hrá kľúčovú úlohu v regulácii translácie a bunkového rastu prostredníctvom fosforylácie substrátov, ktoré zahŕňajú S6 kinázu (S6K) a eukaryotický iniciačný faktor eIF4E viažuci proteín (4E-BP) a je silne inhibovaný rapamycínom. Na rozdiel od toho mTORC2 (pozostávajúci z mTOR, Rictor, mLST8/GL, mSIN1, pro tor, DEPTOR) reguluje rôznorodý súbor substrátov vrátane AKT S473, sérom/glukokortikoidmi regulovanej kinázy a PKC- a je akútne odolný voči rapamycínu, aj keď sa pri chronickej expozícii môže fyzicky narušiť. mTORC dostávajú vstupy prostredníctvom širokej škály signalizačných mechanizmov a majú úlohy v mnohých aspektoch fyziológie, ktoré boli do hĺbky preskúmané (9). Stručne povedané, mTORC1 reaguje na signály, ktoré zahŕňajú aminokyseliny, glukózu, WNT ligandy, kyslík, cAMP a inzulín/IGF-1. Regulácia aktivity mTORC2 je menej jasná, ale môže zahŕňať interakciu s ribozómami (10). Signalizácia inzulínu/IGF-1 do mTORC1 je čiastočne sprostredkovaná mTORC2 prostredníctvom fosforylácie AKT. Aktivácia mTORC1 zase spätne zoslabuje signál inzulínu/IGF-1 cez S6K1 a GRB10 (obrázok 1 a odkaz 11).

Spojenie signalizácie mTOR s vekom Úloha signalizácie TOR pri starnutí bola prvýkrát odhalená v roku 2003, keď Vellai a kolegovia ukázali, že RNAi proti let-363/ CeTor výrazne predĺžila životnosť Caenorhabditis elegans a fungovala nezávisle od daf{{2} }, homo log FOXO, o ktorom sa predtým ukázalo, že ovplyvňuje dĺžku života (12). Toto bolo rýchlo nasledované demonštráciou, že genetická inhibícia TOR signalizácie predlžuje životnosť u Drosophila melanogaster a pučivej kvasinky S. cerevisiae (13, 14). Genetická inhibícia signalizácie mTOR u cicavcov je chúlostivá záležitosť, pretože mTOR proteínkináza, dravec, ricor a mLST8 sú nevyhnutné pre vývoj (15). Nedávno sme demonštrovali, že samice myší Mtor plus /–Mlst8 plus /– znížili aktivitu mTORC1 a predĺžili dlhovekosť, podobne ako fenotyp opísaný Sel manom a kolegami pre myši, ktorým chýba S6K1, jeden z hlavných substrátov mTORC1 (16, 17 ). Preto sa zdá, že spojenie medzi signalizáciou mTOR a dlhovekosťou je zachované od kvasiniek po cicavce (tabuľka 1).

Účinky rapamycínu na dlhovekosť

Rapamycín predlžuje životnosť kvasiniek, červov a múch (tabuľka 2 a odkazy 18–21). V roku 2009 sa ukázalo, že rapamycín predlžuje priemernú aj maximálnu dĺžku života samcov a samíc geneticky heterogénnych myší (potomkov štvorcestného kríženia medzi dlhovekými inbrednými kmeňmi) (22). Je pozoruhodné, že liečba sa nezačala, kým myši nedosiahli pokročilý vek (20 mesiacov), približne ekvivalentný ľudskému veku 60 rokov. V následnej štúdii, ktorá sa začala vo veku 9 mesiacov, rapamycín predĺžil strednú dĺžku života u mužov o 10 percent a o 18 percent u žien a maximálnu dĺžku života o 16 percent a 13 percent (23). Rapamycín bol mikroenkapsulovaný v enterosolventnom obale, ktorý umožňoval dodávanie v potrave počas týchto štúdií a dosiahnutá hladina v krvi bola približne trojnásobne vyššia ako typické terapeutické rozmedzie pre imunosupresiu u ľudí (24).

Obrázok 1 Signalizácia mTOR. mTOR sa nachádza v dvoch komplexoch, mTORC1 a mTORC2. mTORC1 je čiastočne regulovaný prostredníctvom komplexu TSC, ktorý normálne pôsobí ako proteín aktivujúci GTPázu pre Rheb na potlačenie signalizácie mTORC1. mTORC1 je tiež regulovaný aminokyselinami prostredníctvom rodiny malých GTPáz súvisiacich s GTP (Rag) súvisiacou s Ras. Proteíny Rag aktivujú mTORC1 lokalizáciou mTORC1 do lyzozómu prostredníctvom interakcie s komplexom regulátora (110). mTORC1 podporuje rast zvýšením ribozomálnej biogenézy, translácie a iných anabolických procesov pri inhibícii autofágie. mTORC1 potláča signalizáciu inzulínu/IGF{13}} prostredníctvom priamej regulácie Grb10 a S6K, čo následne znižuje signalizáciu mTORC2. AKT, inhibítor TSC1/2, je jedným z niekoľkých priamych substrátov mTORC2. Procesy, ktoré sú upregulované signalizáciou mTOR, sú zobrazené červenou farbou; tie, ktoré sú down-regulované signalizáciou mTOR, sú zobrazené modrou farbou.

Iné štúdie tiež zistili pozitívny účinok rapamycínu na dĺžku života. Chen a kol. zistili, že rapamycínznížila úmrtnosť u starších mužovC57BL/6 myši (25). Anisimov a kol. ukázali, že rapamycín predlžuje maximálnu dĺžku života (priemernú dĺžku života posledných 10 percent prežívajúcich) u krátkovekého kmeňa myší náchylných na nádory (FVB/N HER-2/neu transgénne) (26). Zatiaľ čo táto štúdia poskytuje silný dôkaz, že rapamycín môže byť prospešný pri rakovine, výber kmeňa sťažuje oddelenie protirakovinových účinkov od starnutia ako takého. Avšak rapamycín tiež predlžuje životnosť u myší 129/Sv, inbredného kmeňa s typickejšou dĺžkou života a výskytom nádorov (27). Pôsobivé je, že 22,9 percenta liečených myší zostalo nažive pri smrti posledného kontrolného zvieraťa.

Celkovo tieto pozorovania robia z rapamycínu najlepšie podporovaného kandidáta na liek na dlhovekosť u cicavcov. Pochopenie mechanizmu jeho pôsobenia má potenciál ponúknuť pohľad na povahu základného procesu starnutia a môže viesť k novým terapeutickým prístupom na zmiernenie záťaže chorôb súvisiacich s vekom. Mechanizmus účinku rapamycínu proti starnutiu však ešte nie je jasný (tabuľka 2).

Potenciálne mechanizmy predĺženia životnosti rapamycínom

Protirakovinové účinky. Rakovina je najčastejšou príčinou smrti laboratórnych myší a rapamycín je protirakovinový liek. Preto zostáva možné, že predĺženie životnosti rapamycínom je sekundárne k potlačeniu nádoru a nesúvisí so základným procesom starnutia. Existuje niekoľko dôvodov, prečo tento model neuprednostňujeme. Po prvé, počiatočné experimenty spájajúce rapamycín a inhibíciu mTOR s dlhovekosťou sa uskutočnili v organizmoch, ktoré sú prevažne postmitotické (červy a muchy) alebo jednobunkové (kvasinky), a preto nemajú rakovinu. Po druhé, rapamycín zvyšuje maximálnu životnosť, čím podporuje myšlienku, že spomaľuje viaceré patologické stavy súvisiace s vekom. Zameranie sa na jednu chorobu by nemalo podstatne zvýšiť dĺžku života jedincov s najdlhším životom v skupine, pretože najstarší jedinci budú vystavení veľmi vysokému riziku väčšiny alebo všetkých príčin smrti, pokiaľ sa neodloží základný proces starnutia. Po tretie, ukázalo sa, že rapamycín odďaľuje viaceré zmeny súvisiace s vekom u myší, vrátane straty funkcie kmeňových buniek (25), kognitívneho poklesu (28), retinopatie (29), akumulácie subcelulárnych zmien v myokarde, degenerácie pečene, hyperplázie endometria , stuhnutie šliach a pokles fyzickej aktivity (30). Okrem toho je rapamycín terapeutický v modeloch srdcovej hypertrofie na hlodavcoch (31, 32) a neurodegeneratívnych ochorení (33–35), čo sú stavy, ktoré ovplyvňujú starnúcich ľudí. Zatiaľ čo prevencia rakoviny jednoznačne hrá hlavnú úlohu v prínose prežitia, ktorý poskytuje rapamycín, je dôležité pochopiť, že rakovina je choroba súvisiaca s vekom a jej prevencia je očakávaným dôsledkom akejkoľvek terapie, ktorá spomaľuje starnutie.

Preklad. mTORC1, prostredníctvom S6K a 4E-BP, hrá ústrednú úlohu pri regulácii translácie a stojí za zváženie, či znížená syntéza proteínov ako taká môže sprostredkovať účinky rapamycínu na dlhovekosť. Napríklad zníženie celkovej rýchlosti translácie by mohlo umožniť lepšiu presnosť počas syntézy a/alebo zmierniť stres na mechanizmy, ktoré degradujú chybné, nesprávne poskladané alebo poškodené proteíny (36). Experimenty na S. cerevisiae, C. elegans a D. melanogaster skutočne ukázali, že delécia alebo siRNA sprostredkované knockdown ribozomálnych podjednotiek, S6K alebo iniciačných faktorov translácie vedie k predĺženiu života a delécia S6K1 predlžuje životnosť u samíc myší, keďže delécia 4E-BP blokuje život predlžujúce účinky kalorickej reštrikcie (CR) u múch (13, 37–40).

Nedávne zistenia spochybňujú názor, že translácia ako taká je kľúčom k výhodám inhibície TOR/mTOR. Zatiaľ čo samice myší, ktorým chýba S6K1, majú predĺženú životnosť, nie je badateľný vplyv na celkovú transláciu, prinajmenšom v kostrovom svale (41). Okrem toho, dlhá životnosť červov, ktorým chýba kľúčový faktor iniciácie translácie, sa môže ešte ďalej zvýšiť deléciou TOR, čo znamená, že v hre sú odlišné mechanizmy (38). Navyše predĺženie životnosti v dôsledku vymazania faktorov iniciácie translácie závisí od daf-16, zatiaľ čo predĺženie životnosti vyčerpaním TOR, S6K alebo ribozomálnych podjednotiek nie, čo opäť poukazuje na zapojenie viacerých odlišných mechanizmov (12 , 37). Je zaujímavé, že zníženie TOR pomocou RNAi nedokáže ďalej predĺžiť životnosť mutantných červov eat-2, modelu pre CR, a to aj napriek potlačeniu už tak nízkej rýchlosti syntézy bielkovín o ďalších 49 percent (37). Okrem toho inaktivácia červového homológu AMPK je dostatočná na potlačenie predĺženia životnosti u zvierat, ktorým chýba S6K, zdanlivo bez ovplyvnenia translácie (16). Je zrejmé, že vzťah medzi prekladom a dlhovekosťou je zložitejší, ako sa pôvodne predpokladalo

Translácia špecifických mRNA môže ovplyvniť dĺžku života.

Zatiaľ čo úplná strata funkcie mTOR má hlavný vplyv na všeobecnú transláciu, rapamycín má jemnejší účinok, s najväčšou pravdepodobnosťou preto, že podskupina funkcií 4E-BP je rezistentná na rapamycín (42, 43). Rapamycín aj úplná inhibícia mTOR preferenčne potláčajú transláciu mRNA s 5 'terminálnymi oligopyrimidínovými motívmi, čo naznačuje potenciálnu úlohu týchto génov v dlhovekosti (43, 44). Napriek zníženiu celkovej syntézy proteínov, CR v muchách špecificky zvyšuje transláciu podskupiny mRNA, ktoré majú krátke a menej štruktúrované 5' UTR, vrátane mitochondriálnych génov kódovaných v jadre (40). Pre tento efekt a pre predĺženie životnosti je potrebný TOR substrát 4E-BP. V kvasinkách, ktorým chýbajú ribozomálne podjednotky alebo TOR, si predĺženie celej životnosti vyžaduje zvýšenú transláciu špecifického transkriptu, GCN4 (45). Expresia GCN4 je obmedzená viacerými upstream ORF, ktoré normálne sekvestrujú ribozómy, ktoré sa viažu na mRNA. V podmienkach zníženej aktivity TOR alebo veľkého množstva ribozomálnych podjednotiek sa upstream ORF častejšie obchádzajú, aby sa iniciovala translácia GCN4 ORF. Tieto príklady zdôrazňujú jemnosť regulácie prekladu, ktorú si len začíname uvedomovať.

Tabuľka 2 Účinky rapamycínu na dlhovekosť

Autofágia. Ďalším účinkom inhibície mTOR, ktorý je spojený s dlhovekosťou, je vyvolanie autofágie, čo je proces, pri ktorom bunky recyklujú svoje proteíny a organely. Autofágia umožňuje bunkám prežiť podmienky obmedzené živinami a je ústredným mechanizmom, ktorým sa odstraňujú poškodené zložky. V podmienkach dostatku živín mTOR fosforyluje a inhibuje autofágiu iniciujúcu kinázu ULK1 (46). Inaktivácia génov zapojených do autofágie znižuje dĺžku života v kvasinkách (chronologicky), C. elegans a Drosophila a podpora autofágie v nervovom systéme muchy predlžuje životnosť (47–49). Okrem toho je autofágia potrebná na predĺženie chronologickej životnosti kvasiniek pomocou rapamycínu (47) a na predĺženie životnosti pomocou CR alebo genetickej inhibície signalizácie mTOR u červov (50).

U cicavcov sa zdá, že autofágia tiež zohráva významnú úlohu v procese starnutia. Najdramatickejšie je, že indukcia autofágie postačuje na omladenie histológie pečene a funkcie starých myší (51). Okrem toho sa zdá, že autofágia je u CR myší upregulovaná a sprostredkováva niektoré priaznivé účinky CR stravy na srdce, pečeň a obličky (52–54). Bunky z dlhovekých trpasličích myší Snell tiež vykazujú dôkaz o zvýšenej autofágii (55).Kardiomyocyty iizolované zo starých myší majú nižšiu autofágiu a vykazujú defekty v zaobchádzaní s vápnikom, pričom obe sú korigované expozíciou rapamycínu ex vivo (56). Zvýšená autofágia však nemusí byť vždy prospešná a skutočne môže prispieť k fenotypu starnutia progeroidných myší (57).

Je zaujímavé, že rapamycín zlepšuje jadrové pľuzgiere a predčasné starnutie v bunkách odvodených od pacientov s progériou Hutchinson Gilford, zriedkavým syndrómom predčasného starnutia (58). Ochorenie je výsledkom chybne napísaného variantu laminu A, nazývaného progerín, ktorý sa vo veľkej miere akumuluje u pacientov a je tiež detegovaný v menších množstvách počas normálneho bunkového starnutia (59, 60). Zdá sa, že rapamycín stimuluje odstraňovanie progerínu z chorých buniek prostredníctvom autofágie, a tak môže obmedziť aj normálnu akumuláciu progerínu súvisiacu s vekom. Celkovo je vhodná regulácia autofágie pravdepodobne kritickým determinantom zdravého starnutia.

Obrázok 2 Chronická liečba rapamycínom narušuje mTORC2. (A) In vivo poháňajú živiny a rastové faktory aktivitu mTORC1 a mTORC2, ktoré podporujú rast, starnutie a citlivosť na inzulín. (B) Akútna liečba rapamycínom inhibuje signalizáciu mTORC1, obmedzuje rast a podporuje dlhovekosť bez zníženia citlivosti na inzulín. (C) Chronická liečba rapamycínom inhibuje mTORC1 aj mTORC2, obmedzuje rast a zhoršuje inzulínovú signalizáciu, ale podporuje dlhovekosť

Údržba kmeňových buniek. Rapamycín má množstvo zaujímavých účinkov na funkciu kmeňových buniek. Hyperaktívna signalizácia pred mTORC1 v dôsledku delécie Pten, delécie tuberóznej sklerózy 1 (Tsc1) alebo konštitutívnej aktivácie AKT znižuje počet a funkčnú kapacitu HSC (61–63). Liečba rapamycínom môže obnoviť normálnu schopnosť samoobnovy v subpopulácii myších HSC, ktoré majú spontánne vysoký oxidačný stres a zníženú funkčnú kapacitu (64). Nedávno Chen a kol. poznamenali, že aktivita mTORC1 je zvýšená v HSC odvodených od starých myší, ktoré vykazujú funkčné deficity pripomínajúce deficity spôsobené deléciou Tsc1 (25). Rapamycín obnovil funkčnú kapacitu v HSC zo starých myší a posilnil imunitnú odpoveď na vírus chrípky. Rapamycín tiež zvyšuje samoobnovu črevných kmeňových buniek prostredníctvom inhibície mTORC1 v susedných Panethových bunkách, podobne ako účinky, ktoré boli pozorované u zvierat s CR (65). Okrem toho rapamycín zvyšuje preprogramovanie somatických buniek na generovanie indukovaných pluripotentných kmeňových buniek, čo naznačuje všeobecnú podporu funkcie kmeňových buniek (66). Na druhej strane rapamycín zhoršuje pluripotenciu, znižuje proliferáciu a podporuje diferenciáciu v ľudských embryonálnych kmeňových bunkách (67, 68). V myších embryonálnych kmeňových bunkách je expresia markerov pluripotencie odolnejšia voči liečbe rapamycínom, no veľkosť buniek a proliferácia sú stále znížené a diferenciácia je zvýšená (67, 69). Je zaujímavé, že rapamycín vyčerpáva bunky iniciujúce leukémiu a inhibuje schopnosť samoobnovy aj diferenciácie kmeňových buniek odvodených z infantilného hemangiómu, čo naznačuje ochranný účinok proti rakovinovým kmeňovým bunkám (61, 70). Celkovo tieto výsledky naznačujú, že rapamycín moduluje správanie kmeňových buniek a vo všeobecnosti uprednostňuje zachovanie „kmene“ a mladšieho fenotypu u dospelých typov kmeňových buniek, ktoré boli študované.

v ako imunosupresívum by sa nemalo prehliadať, pokiaľ ide o dlhovekosť.

chronická,zápal nízkeho stupňa je znakom starnutiaa takmer každé chronické ochorenie má zápalovú zložku (71). Úplná diskusia o imunologických účinkoch rapamycínu presahuje rámec tohto prehľadu a táto téma bola zahrnutá inde (72). Dôležité je, že liek má pozitívne aj negatívne účinky na vrodenú a adaptívnu imunitu, s čistým výsledkom, ktorý je zložitejší ako jednoduché potlačenie imunity, čoho príkladom je jeho schopnosť zvýšiť imunizáciu starších myší proti vírusu chrípky (25). mTORC2-závislé mechanizmy. Napriek vysokej špecifickosti rapamycínu pre mTORC1 počas akútnej liečby môže chronická expozícia tiež inhibovať mTORC2. Tento účinok bol prvýkrát pozorovaný v určitých kultivovaných bunkových líniách (73) a nedávno sme ukázali, že sa vyskytuje aj in vivo vo viacerých tkanivách vrátane pečene, svalov a tukového tkaniva (pozri obrázok 2). V súčasnosti nie je jasné, či inhibícia mTORC2 hrá úlohu v účinkoch rapamycínu na dlhovekosť. Samice myší, ktorým chýba S6K1 a samice myší Mtor plus /–Mlst8 plus /– majú zdanlivo dlhý život kvôli poruchám signalizácie závislej na mTORC1-, ale údaje od C. elegans naznačujú, že inhibícia mTORC2 môže tiež podporiť dlhovekosť ( 21, 74). Je zaujímavé, že predĺženie životnosti narušením mTORC1 u červov vyžaduje kožu-1 (homológ cicavčieho NRF1/2) a daf-16 (homológ cicavčieho FOXO), oba transkripčné faktory, ktoré riadia gény zapojené do obrany proti stresu. Predĺženie životnosti rapamycínom alebo prerušením mTORC2 však vyžaduje iba SKN-1. V súlade s úlohou všeobecnej obrany proti stresu v prospech rapamycínu sú červy aj muchy so zhoršenou funkciou TOR odolné voči stresu a indukcia cieľových génov NRF1/2 a FOXO bola zistená v pečeni myší liečených rapamycínom (2 mg /kg denne počas dvoch týždňov) (20, 21).