Účinky obmedzenia kalórií na autofágiu: Úloha pri zásahu proti starnutiu

Kliknite prosímoscar.xiao@wecistanche.comPre viac informácií

Abstrakt:Autofágia je dôležitý proces údržby, ktorý udržiava správnu bunkovú homeostázu za normálnych fyziologických a/alebo patologických podmienok. Je zodpovedný za likvidáciu a recykláciu metabolických makromolekúl a poškodených organel prostredníctvom rozsiahlych procesov lyzozomálnej degradácie. Za stresových podmienok, vrátane nedostatku živín, sa autofágia podstatne aktivuje, aby sa zachovala správna funkcia buniek a podporilo prežitie buniek. Zmenené procesy autofágie boli hlásené v rôznych štúdiách starnutia a dysregulovaná autofágia je spojená s rôznymi chorobami súvisiacimi s vekom. Obmedzenie kalórií (CR) sa považuje za zlatý štandard mnohých metód starnutia. Aj keď je zrejmé, že CR má rôzne účinky v boji proti procesu starnutia, presné mechanizmy, ktorými tieto procesy moduluje, sú stále kontroverzné. Nedávne pokroky vo výskume CR naznačujú, že aktivácia autofágie je spojená s pozorovanými priaznivými účinkami proti starnutiu. Dôkazy ukázali, že CR vyvolalo silnú autofágovú reakciu v rôznych metabolických tkanivách a že inhibícia autofágie oslabila účinky CR proti starnutiu. Mechanizmy, ktorými CR moduluje komplexný proces autofágie, boli do hĺbky skúmané. V tomto prehľade sa bude diskutovať o niekoľkých hlavných pokrokoch súvisiacich s mechanizmami CR proti starnutiu a mimetikami proti starnutiu so zameraním na modifikáciu autofágovej reakcie.

Kľúčové slová:starnutie; autofágia;obmedzenie kalórií (CR); CR mimetikum

1. Úvod

1.1. Proces autofágie

Autofágia je evolučne dobre zachovaný proces, ktorý sa vyskytuje vo všetkých eukaryotických bunkách od kvasiniek až po človeka [1]. Vysoko komplexné signálne dráhy súvisiace s autofágiou boli intenzívne študované za posledných 30 rokov a boli objasnené prostredníctvom kombinovaného štúdia genetiky a fyziológie u rôznych druhov [2]. Doteraz boli identifikované najmenej tri rôzne formy autofágie: makroautofágia, mikroautofágia a autofágia sprostredkovaná chaperónom. Všetky tri formy závisia od lyzozomálnej degradácie, pričom makroautofágia (ďalej označovaná ako autofágia) je najrozšírenejšou formou. Po aktivácii autofágia zahŕňa sekvestráciu cytosolických zložiek (poškodené bunkové organely, proteíny alebo iné makromolekulové živiny) pomocou fagoforov, ktoré dozrievajú na autofagozómy, čo sú dvojmembránové vezikuly [2,3]. Autofagozómy sa ďalej premiestňujú a fúzujú s kyslým lyzozómom a vytvárajú autolyzozóm, kde dochádza k degradácii a recyklácii. Rôznorodé substráty a bazálna aktivita týchto procesov naznačujú, že bunky sú na nich vysoko závislé pri udržiavaní bunkovej homeostázy. Dôležitosť udržiavania adekvátnej autofágovej odpovede bola preukázaná za fyziologických aj patologických podmienok [4].

kliknite sem a dozviete sa viac

1.2. Molekulárne zariadenie procesu autofágie

Molekulárne mechanizmy a signálne dráhy kontrolujúce autofágiu boli rozsiahle študované [5]. Autofágia začína de novo produkciou autofagozómových komponentov, po ktorej nasleduje zostavenie riadené spoločným pôsobením skupiny proteínov s názvom ATG (autofagiou súvisiace gény). Keďže podrobný molekulárny mechanizmus procesu autofágie bol predtým opísaný v niekoľkých prehľadových článkoch, v tomto prehľade sa budú diskutovať iba jeho celkové vlastnosti. Na začiatku procesu autofágie sa tvorba fagoforov iniciuje z rozhrania endoplazmatického retikula (ER) a mitochondrií a ďalšie predlžovanie fagoforu závisí od Golgiho a plazmatických membrán. Progresia tvorby autofagozómov je do značnej miery charakterizovaná náborom ATG proteínov do fagoforu [6].

Tvorba UMC-51-kinázy 1 (ULK1, homológna s kvasinkovými ATG1) komplexmi je najskoršou udalosťou pri tvorbe autofagozómu. Aktivácia ULK1 leží pred náborom iného proteínu ATG a aktivita kinázy ULK1 je potrebná na nábor komplexu VPS34 (PI3-kináza triedy III) do fagoforu. To je kľúčové pre fosforyláciu fosfatidylinozitolu (PtdIns) a následnú produkciu 3-fosfátu PtdIns. Ďalší nábor proteínov viažucich fosfolipidy do fagoforu je dôležitý pre stabilizáciu proteínových komplexov v blízkosti miesta tvorby autofagozómov. V procese predlžovania vezikúl sú zapojené dva konjugačné systémy. Konjugácia ATG5 na komplex ATG12 vyžaduje konjugačný systém podobný ubikvitínu zahŕňajúci ATG7 a ATG10.citrusové bioflavonoidyKonjugované komplexy ATG{0}}ATG12 sú potrebné na ďalšiu konjugáciu fosfoetanolamínu (PE) na ATG8 (ľahký reťazec 3 proteínu asociovaného s mikrotubulami; LC3). Na tento proces konjugácie sú potrebné ATG4, ATG7 a ATG3. Predpokladá sa, že konverzia LC3 z LC3-I (rozpustná forma) na LC3-II (forma spojená s vezikulami) pomocou PE konjugácie je potrebná na uzavretie expandujúcej autofagozomálnej membrány. Nakoniec je zrelý autofagozóm fúzovaný s lyzozómom, aby sa splnil hlavný účel procesu, ktorý kulminuje degradáciou a recykláciou substrátov v autofagozóme.

1.3. Autofágia je regulovaná signalizáciou snímania živín

Rôzne fyziologicky dôležité stimuly indukujú proces autofágie, vrátane poškodenia organel (ER, mitochondrie), hypoxie a zápalu [2]. Avšak živiny a energetický stres sú najsilnejšími regulátormi procesu autofágie [7]. Zmeny v stave bunkovej energie, ako je odobratie živín, ako je glukóza a aminokyseliny, vyvolávajú aktiváciu procesu autofágie od iniciácie po ukončenie [8]. Úrovne živín môžu byť priamo rozpoznané protismerným signalizačným mechanizmom autofágie, aby sa regulovala jej iniciácia v reakcii na meniace sa hladiny bunkovej energie (obrázok 1).

Cistanche môže pôsobiť proti starnutiu

Zo všetkých signálnych molekúl spojených s živinami sa cicavčí cieľ rapamycínu (mTOR) ukázal ako jeden z kľúčových upstream modulátorov autofagickej signalizácie [9,10]. mTOR je vysoko konzervovaná serín/treonínkináza, ktorá je regulovaná viacerými signálmi vrátane energetických hladín, rastových faktorov a iných bunkových stresorov, aby koordinovala bunkovú proliferáciu/rast a udržiavala energetickú homeostázu. mTOR tvorí komplex, ktorý je známy ako mTORC1 (mTOR komplex1) a mTORC2 (komplex mTOR 2).mTORC1 súvisí so zmenami autofágovej signalizácie a aktivuje sa v prítomnosti živín alebo rastových faktorov. mTORC1 sa zvyčajne aktivuje v podmienkach bohatých na živiny ]11. Môže byť priamo aktivovaný zvýšenou koncentráciou aminokyselín v bunke alebo ako downstream signalizácia pôsobením rastových faktorov [11,12]. Po aktivácii mTORC1 priamo fosforyluje ULK1[13]. Je kritické, že aktivácia mTORC1 je dostatočná na inhibíciu autofágie v prítomnosti dostatočného množstva živín [14]. Priama represia ULK1 kinázy pomocou mTORC1 je tiež dobre zachovaná medzi druhmi [15]. Ostatné zložky komplexu ATG priamo interagujú s mTORC1 a potláčajú proces autofágie [16]. Okrem toho môže mTORC1 nepriamo potlačiť autofágiu riadením biogenézy lyzozómov [17,18]. Transkripčný faktor EB (TFEB) je zodpovedný za transkripciu lyzozomálnych génov a génov súvisiacich s autofágiou[19]. Fosforylácia TFEB sprostredkovaná mTORC1- znižuje jeho transkripčnú aktivitu, čím sa znižuje celková expresia génovej expresie súvisiacej s autofágiou [20,21].

Obrázok 1. Autofágia je regulovaná signalizáciou snímania živín. Autofágová signalizácia je modulovaná hlavne signálnymi dráhami snímania živín. Inzulín a IGF (inzulínu podobný rastový faktor) indukujú aktiváciu cicavčieho cieľa signalizácie rapamycínu (mTOR) a inhibujú iniciáciu autofágie. Aktivácia AMP-aktivovanej proteínkinázy (AMPK) zvýšeným pomerom AMP/ATP počas hladovania priamo zvyšuje autofágiu a inhibuje komplex mTOR. Aktivácia proteínu viažuceho CRE (CREB) pomocou glukagónovej signalizácie a aktivácia receptora aktivovaného peroxizómovým proliferačným faktorom (PPAR) jeho ligandami zvyšuje úroveň génovej transkripcie autofágií a proteínov súvisiacich s lyzozómami.

V podmienkach nedostatku živín je aktivácia autofágie regulovaná niekoľkými dobre známymi signálnymi proteínmi snímajúcimi živiny. Jedným z najvýznamnejších hráčov v zisťovaní nedostatku živín je AMP-aktivovaná proteínkináza (AMPK)[13,22]. Molekulárny pomer ATP k AMP odráža energetické hladiny bunky a zvýšené hladiny AMP predstavujú interný bunkový varovný systém, ktorý prinúti bunku šetriť energiu na udržanie metabolickej homeostázy. AMP je priamo snímaný AMPK a aktivovaný AMPK bol charakterizovaný a ukázalo sa, že má viacero funkcií pri regulácii bunkového metabolizmu. Existuje niekoľko mechanizmov, ktorými AMPK indukuje autofágiu. Po prvé, AMPK priamo fosforyluje ULK, čo je proces, ktorý je potrebný na aktiváciu ULK1 a spustenie autofágie v podmienkach nedostatku živín [13]. Interakcia medzi AMPK a ULK1 môže byť blokovaná fosforyláciou ULK1 sprostredkovanou mTORC{9}}, čo naznačuje zložité spojenie medzi týmito dvoma dráhami. Po druhé, AMPK je negatívnym regulátorom signálnej dráhy mTOR [23]. Mechanicky AMPK priamo fosforyluje komplex spojený s tuberkulózou (TSC), ktorý je negatívnym regulátorom aktivácie mTORC1. AMPK tiež priamo fosforyluje podjednotku Raptor komplexu mTORC1, čím sa zvyšuje degradácia komplexu mTORC1. Tieto štúdie jasne ukázali, že AMPK, kritický regulátor dostupnosti živín, je schopný regulovať autofágovú aktivitu koordináciou mechanizmov závislých od mTOR a nezávislých.

1.4.Autofágia a starnutie

Starnutie je spojené s rôznymi zmenami vrátane genómovej nestability, straty proteostázy, epigenetických zmien a deregulovaných dráh snímania živín [24]. Tieto zmeny sú tiež spojené s mnohými chorobami súvisiacimi s vekom vrátane kardiovaskulárnych chorôb, neurodegeneratívnych chorôb a metabolických chorôb. Medzi zmenami, ktoré sa vyskytujú počas starnutia, sú niektoré spojené so signálnymi dráhami súvisiacimi s autofágiou [24,25]. Pokles celkovej proteolytickej aktivity a zmenená signalizácia snímania živín je priamo spojená s autofágiou. Znížená autofágia so starnutím bola skutočne značne hlásená v širokom spektre organizmov, kde sa ukázalo, že dochádza k progresívnej akumulácii poškodených proteínov a bunkových organel [26].výhody cynomoriumZnížená hladina génových transkriptov a proteínov súvisiacich s autofágiou bola zistená u nematód a ovocných mušiek [27-29]. Staršie tkanivá cicavcov a ľudí tiež vykazovali nižšiu expresiu kľúčových autofágových proteínov [30-32]. V súlade so zmenami v úrovniach komponentov autofágie nedávne štúdie ďalej ukázali zníženú celkovú autofagickú kapacitu počas starnutia u C. elegans [33]. Pozorovania pomocou elektrónovej mikroskopie ukázali vekom podmienenú akumuláciu autofagických vakuol, čo predstavuje blokádu toku autofágie. Podobne je počas procesu starnutia narušená celková aktivita proteolýzy a v pečeni u starých potkanov sa zistili dlhoveké proteíny, ktoré neboli správne degradované [34].

Ďalší pozoruhodný dôkaz medzi starnutím a autofágiou pochádza z niekoľkých genetických modelov narušenej autofágie. Nezaujatý skríning faktorov starnutia u kvasiniek, nematód a ovocných mušiek odhalil krátkotrvajúce mutanty s defektmi v autofágii [27,35,36]. Navyše u knockoutovaných myší viedla celotelová delécia génov súvisiacich s autofágiou k skorej postnatálnej smrti, čo naznačuje zásadnú úlohu autofágie pri celkovom udržiavaní fyziologických procesov [37-39]. Tkanivovo špecifické modely podmienených knockout myší tiež odhalili viaceré fenotypy starnutia, vrátane agregácie a akumulácie intracelulárnych proteínov, bunkových organel a iných makromolekúl [40-43]. Strata autofagickej aktivity v týchto modeloch pravdepodobne stále viac obmedzuje schopnosť buniek udržiavať kontrolu kvality, čo vedie k akumulácii toxických urážok a vedie k starnutiu a patológiám súvisiacim s vekom [3]. Na druhej strane, hromadiace sa dôkazy naznačujú, že experimentálne vylepšená autofágia predlžuje životnosť a oneskoruje starý fenotyp. Nadmerná expresia špecifických autofágových génov môže predĺžiť životnosť niekoľkých druhov. Upregulácia autofagickej aktivity môže predĺžiť životnosť u C. elegans, ako aj v kvasinkách, zatiaľ čo všadeprítomná nadmerná expresia Atg5 u myší je dostatočná na stimuláciu autofágie a predĺženie životnosti [44,45]. Súhrnne tieto pozorovania naznačujú, že zmeny v autofagickej aktivite môžu súvisieť s dlhovekosťou a že rozšírenie autofagickej funkcie môže byť účinným prístupom k oddialeniu starnutia a podpore dlhovekosti u rôznych druhov, vrátane cicavcov.

Mechanizmy, ktorými sa komponenty autofágie alebo autofagické procesy s vekom znižujú, zostávajú nejasné. Keďže proces autofágie, od iniciácie po dokončenie, je zložitý a spojený s rôznymi krokmi a rôznymi proteínmi, je pravdepodobné, že mechanizmy prispievajúce k zníženiu autofágie súvisiacej s vekom sú multifaktoriálne. Najpravdepodobnejším regulačným mechanizmom, ktorý prispieva k potlačenej autofágii pri starnutí, je zmena v upstream signalizácii počas iniciácie autofágie. Dva dôležité proteíny snímajúce živiny, mTOR a AMPK, hrajú dôležitú úlohu v regulácii iniciácie autofágie [10,13]. Okrem toho tieto faktory odrážajú stav bunky, ako je hormonálna regulácia (mimo bunky) a nutričný stres (vo vnútri bunky). Senzor živín mTOR silne inhibuje nielen spustenie autofágie, ale má aj inhibičný účinok na viaceré kroky v procese autofágie. Je možné, že zvýšená signalizácia mTOR počas starnutia hrá dôležitú úlohu pri potlačovaní autofágie súvisiacej s vekom. Keďže zvýšená aktivita mTOR bola hlásená pri rôznych ochoreniach súvisiacich s vekom vrátane metabolických a degeneratívnych porúch, je pravdepodobné, že zvýšená signalizácia mTOR je prevládajúcou príčinou downregulácie celkového procesu autofágie [46]. Na rozdiel od mTOR, ktorý je zvyčajne hyperaktivovaný počas starnutia, je aktivita alebo expresia AMPK typicky potlačená [47]. Je pravdepodobné, že znížený AMPK by mohol ovplyvniť alebo potlačiť autofágiu a pôsobiť v súlade s mTOR. Na tento účel, aj keď sú mechanizmy narúšajúce autofagickú signalizáciu počas starnutia multifaktoriálne, je jasné, že modifikácie v jeho upstream dráhach sú rozhodujúce pre jeho reguláciu.

Ďalším možným mechanizmom zodpovedným za zníženú autofágiu pozorovanú pri starnutí je transkripčná regulácia. TFEB bol predtým opísaný ako regulátor transkripcie génu súvisiaceho s autofágiou; nedávne štúdie však odhalili ďalšie dôležité transkripčné faktory, ktoré regulujú génovú expresiu proteínov súvisiacich s autofágiou. Proteín viažuci sa na transkripčný faktor CRE nalačno (CREB) je upregulovaný glukagónom v podmienkach nedostatku živín a tiež zvyšuje expresiu autofágového génu vrátane ATG7, ULK1 a TFEB. Okrem CREB receptor aktivovaný peroxizómovým proliferačným faktorom (PPAR), ďalší transkripčný faktor, ktorý hrá úlohu pri hladovaní, tiež riadi transkripciu autofágových génov [19,4849]. Oba transkripčné faktory môžu pôsobiť spoločne, aby sa zvýšila expresia génu súvisiaceho s autofágiou. Genetická delécia oboch transkripčných faktorov znížila autofágiu a viedla k neadekvátnej metabolickej reakcii, najmä pri nedostatku živín. Hoci neexistujú žiadne priame dôkazy o tom, či zohrávajú úlohu pri defektnej autofágii počas starnutia, existujú určité dôkazy, že sú dôležité a počas starnutia sú dysregulované [50-52]. Na odhalenie vzťahu medzi týmito transkripčnými faktormi a defektnou autofágiou počas starnutia budú potrebné ďalšie štúdie.

2. Obmedzenie kalórií (CR) moduluje procesy autofágie

2.1. Úvod do obmedzovania kalórií

Ukázalo sa, že obmedzenie kalórií (CR) je osvedčenou metódou na predĺženie života, ktorá reguluje choroby súvisiace s vekom, ako aj samotné starnutie.púštny hyacintHoci sa CR líši v metodológii (zvyčajne 20 percent -40 percent ad libitum príjem, vo väčšine prípadov zníženie o 40 percent), CR preukázala predĺženú životnosť u širokého spektra druhov od kvasiniek po primáty (okrem človeka) a podporuje zdravé starnutie ľudí [ 53]. Okrem toho má CR preventívne účinky na rôzne stavy súvisiace s vekom, ako je rakovina, neurodegeneratívne ochorenia, kardiovaskulárne a iné metabolické ochorenia [54]. Rôznorodá účinnosť CR v boji proti starnutiu a chorobám súvisiacim s vekom z neho urobila zlatý štandard intervenčných štúdií starnutia. Hoci účinky CR proti starnutiu sú reprodukovateľné, presné mechanizmy, ako CR uplatňuje svoje účinky proti starnutiu, sú diskutabilné, pretože CR reguluje niekoľko rôznych aspektov fyziológie. Tieto zmeny zahŕňajú modifikácie v signalizácii snímania energie, oxidačný stres, zápal a iné medzibunkové a intracelulárne procesy. Spomedzi mnohých zmien vyvolaných CR je produkcia a využitie energie najpriamejšie regulovanou signalizáciou vykonávanou CR [55,56]. Keďže znížený príjem energie a zmeny vo výživovom stave po CR môžu zmeniť molekulárne signálne dráhy spojené s mechanizmami snímania energie, ďalšie mechanizmy môžu byť sekundárnymi účinkami tohto procesu.

2.2. Dôkaz o priaznivých účinkoch autofágie sprostredkovanej CR

Na základe indukčného mechanizmu autofágie a jej úlohy počas hladovania sa predpokladalo, že CR môže vyvolať autofagický proces. V skutočnosti je v mnohých rôznych nastaveniach podmienok nedostatku živín, vrátane CR, autofágia indukovaná na reguláciu homeostázy organizmu. Aj keď je jasné, že CR predstavuje silný fyziologicky autofagický induktor, nie je isté, či autofágia prispieva k účinkom CR proti starnutiu. Nedávno niekoľko štúdií ukázalo, že indukcia autofágie bola nevyhnutná pre účinky CR proti starnutiu (tabuľka 1).metóda extrakcie flavonoidov pdfUkázalo sa, že CR podporuje dlhovekosť alebo chráni pred hypoxiou prostredníctvom procesu indukcie autofágie závislej od Sirtuina -1- [57,58]. Ďalšia štúdia tiež ukázala, že predĺženie života prostredníctvom obmedzenia metionínu si vyžaduje aktiváciu autofágy [59]. Rastúce dôkazy podporujú názor, že autofágia má podstatnú úlohu v priaznivých účinkoch CR[60,61]. Okrem výskumu dlhovekosti aj iné štúdie ukázali, že CR robustne indukuje autofágiu za rôznych fyziologických a patologických podmienok a že má ochranný účinok na udržanie normálnych funkcií v organizme. V nasledujúcej časti sa bude diskutovať o ochrannej úlohe autofágie v podmienkach CR.

Tabuľka 1. Štúdie ukazujú ochranné účinky autofágie vyvolanej obmedzením kalórií (CR) v rôznych orgánoch. LC3: ľahký reťazec 3.

Tento článok je Živiny 2019, 11, 2923; doi:10.3390/nu11122923 www.mdpi.com/journal/nutrients