Účinky obmedzenia kalórií na autofágiu: Úloha pri zásahu proti starnutiu, časť 2

Prosím kontaktujteoscar.xiao@wecistanche.comPre viac informácií

3. Ochranné účinky autofágie indukovanej CR na rôzne orgány

Substráty autofágie zahŕňajú dôležité makronutrienty, ako sú kvapôčky glykogénu a lipidov [72,73]. V podmienkach CR je nevyhnutné, aby bunky využívali svoje vnútorné zásoby živín. Produkty rozpadu pochádzajúce z autofágie poskytujú substráty pre biosyntézu a výrobu energie. Redistribúcia živín v podmienkach hladovania alebo CR je nevyhnutná na to, aby sa bunky prispôsobili meniacemu sa nutričnému prostrediu. Metabolické tkanivá skutočne vykazujú najdramatickejšie zmeny v regulácii autofágie v podmienkach nedostatku živín, čo naznačuje ich dôležitú úlohu pri regulácii metabolizmu.

Ak chcete vedieť viac, kliknite sem

3.1.Liter

Význam a pôvodný koncept autofágie bol prvýkrát opísaný v pečeni, kde sa nachádzajú vysoké hladiny enzýmov a bunkových organel spojených s lyzozomálnou degradáciou. Autofágia pečene hrá dôležitú úlohu vo fyziologických a patologických podmienkach tým, že prispieva k recyklácii organel, ako aj makroživín [74].flavonoidyNedávne dôkazy ukázali, že úlohou autofágie pečene za normálnych fyziologických podmienok je regulovať systémy degradácie živín, ako je glykogenolýza a degradácia lipidových kvapiek [42,75]. Okrem toho je degradácia lipidových kvapôčok v hepatocytoch (lipofágia) obzvlášť dôležitá pri patologických stavoch, ako je nealkoholické stukovatenie pečene, steatohepatitída a hepatocelulárny karcinóm[75-77].užíva hesperidínNedostatočná autofagická odpoveď zhoršila nielen akumuláciu lipidov, ale aj ďalšie patologické znaky ochorenia pečene. Autofágia pečene je narušená aj počas starnutia. Základná úroveň autofágie, ako aj autofágia vyvolaná stresovými reakciami, je narušená v starnúcej pečeni, čo ju robí zraniteľnou voči poškodeniu pečene [72].

Cistanche môže proti starnutiu

Účinky autofágie pečene CRon boli hodnotené v niekoľkých štúdiách. Wohlgemuth et al. hodnotili účinky celoživotnej CR u potkanov Fisher [62]. Zistili, že celoživotná CR nespôsobila podstatnú zmenu v expresii autofagických proteínov v pečeni. Iné štúdie používajúce rôzne nastavenia CR však zistili odlišné výsledky. Donati a kol. hodnotili účinok CR po druhý deň nalačno [63].mikronizovaná purifikovaná flavonoidná frakcia 1000 mg používaPri štúdiu rýchlosti autofagickej proteolýzy v izolovaných pečeni zistili, že maximálne rýchlosti autofágie sa dosiahli v skupinách CR v porovnaní s kontrolami. Novšia štúdia Luevano-Martineza et al. preukázali vplyv CR na indukciu autofágie v pečeňových mitochondriách [64]. Z pečene kontrol izolovali mitochondrie a po 4 mesiacoch programu CR zistili zvýšenie pomeru LC3-II/LC{4}}I v pečeni CR, čo naznačuje zvýšenú mitochondriálnu autofágiu pečene. Derous a kol. našli podobné výsledky, keď hodnotili účinok odstupňovaných hladín CR na autofágiu pomocou pečeňového transkriptómu [65]. Myši boli podrobené odstupňovanej úrovni CR (od 0 percent do 40 percent CR) počas 3 mesiacov, po ktorých sa pozorovalo významné zvýšenie hladín autofágie, ktoré korelovalo so zvýšenými hladinami CR.stratená ríša cistancheV pečeni je autofágová odpoveď vo všeobecnosti zvýšená po CR, nezávisle od metódy použitej na vyvolanie CR.

Okrem CR, pôst tiež vyvolal robustnú autofágiu pečene. Hoci pôst sa líši od konzistentného vzoru CR, zdieľajú niektoré spoločné črty. Výskumníci zistili, že autofágová reakcia vyvolaná hladovaním je základným procesom počas nedostatku potravy a je dôležitou ochrannou reakciou pri regulácii metabolizmu [78,79].

3.2.Svaly

Kostrové svalstvo je najrozšírenejším telesným tkanivom (zahŕňa približne 40 percent telesnej hmotnosti) a je dynamickým tkanivom, ktoré sa neustále prispôsobuje metabolickým požiadavkám. Na uspokojenie vysokého metabolického dopytu sa autofagické proteolytické systémy zapájajú do metabolickej regulácie [80]. Vo svale autofágia reguluje degradáciu bielkovín a poskytuje aminokyseliny na produkciu energie [43,81]. Toto je obzvlášť dôležité v podmienkach nedostatku živín alebo stresu, aby sa zachovala primeraná produkcia energie. Nedávne štúdie ukázali, že bazálna autofágia je rozhodujúca pre udržanie svalovej fyziológie a že maladaptívna autofágia sa podieľa na rôznych svalových ochoreniach vrátane svalovej dystrofie, sarkopénie a degenerácie myofibril [31,66,82-84].

Niekoľko štúdií preukázalo schopnosť CR vyvolať svalovú autofágiu a jej priaznivé účinky. Wohlgemuth et al. skúmali účinky starnutia a miernej CR na autofágiu kostrového svalstva a proteíny súvisiace s lyzozómami [66]. Zistili akumuláciu LC3-I a LAMP-2, čo naznačuje pokles autofagickej degradácie súvisiaci s vekom. Zmeny súvisiace s vekom boli inhibované CR, pričom sa dospelo k záveru, že mierna CR zmiernila vekom podmienené poškodenie autofágie v kostrovom svale u hlodavcov. Viac dôkazov pochádza z nedávnej štúdie klinickej štúdie. Yang a kol. ukázali, že dlhodobá CR zlepšila celkové procesy kontroly kvality v ľudskom kostrovom svale [67]. Zistili, že niekoľko autofágových génov, vrátane ULK1, ATG101, beclin-1 a LC3, bolo v reakcii na CR významne upregulované. Okrem toho zistili znížený zápal svalov, čo naznačuje ďalšiu prospešnú úlohu CR na svalovú biológiu. Štúdia Gutierrez-Casado et al. tiež preukázali výrazný účinok CR na autofágiu vo svale [68]. CR viedla k zníženiu hladín p62, čo naznačuje možné zvýšenie toku autofágie. Hoci to nebolo experimentálne preukázané, Lee a kol. naznačili dôležitosť úlohy autofágie pri regenerácii svalových kmeňových buniek indukovanej CR [85]. CR nielenže zlepšila regeneračnú kapacitu kmeňových buniek, ale zvýšila aj schopnosť prihojenia svalových kmeňových buniek [86]. Autofágia indukovaná CR môže viesť k zlepšeniu oxidačného stresu a zvýšiť mitochondriálnu aktivitu vo svalových kmeňových bunkách, čo prispieva k ich priaznivým regeneračným účinkom vo svaloch.

3.3. Tukové tkanivo

Tukové tkanivo je ďalším dôležitým metabolickým tkanivom, ktoré hrá dôležitú úlohu pri ukladaní lipidov počas energeticky dostatočných podmienok. Zníženie adipozity je charakteristickým znakom CR, čo je dôsledok, ktorý môže vyplynúť z hormonálnych zmien [87]. Hoci je jasné, že autofágia indukuje degradáciu lipidov prostredníctvom lipofágie v pečeni, úloha autofágie v regulácii lipidov tukového tkaniva je zložitejšia (88). Singh a kol. najprv ukázali, že autofágia tukového tkaniva reguluje hmotu a diferenciáciu tukového tkaniva [89]. Zistili, že knockdown Atg7, esenciálneho autofágového génu, inhiboval akumuláciu lipidov a znížil hladinu proteínov niekoľkých diferenciačných faktorov adipocytov. Ďalej preukázali, že knockout myš Atg7 špecifická pre adipocyty mala štíhly fenotyp so zníženou bielou tukovou hmotou a zvýšenou citlivosťou na inzulín. Nedávno však Cai et al. preukázali ochranný účinok autofágie na funkciu zrelých adipocytov [90]. Ukázali, že autofágne proteíny sú potrebné pre adekvátnu mitochondriálnu funkciu a že post-vývojová ablácia autofágie spôsobila inzulínovú rezistenciu.

Defektná regulácia autofágie tukového tkaniva bola zistená u myší a ľudskej obezity [69]. V myšacích modeloch obezity a u obéznych ľudí sa zistilo, že gény a proteíny súvisiace s autofágiou sú významne upregulované [91,92]. Hoci tieto výsledky boli interpretované ako zvýšená autofágia, najprv Soussi et al. ukázali, že tok autofágie bol narušený pri obezite [93]. Tento výsledok bol v súlade so záverom odvodeným z práce Cai et al., ktorý ukazuje, že autofágia môže hrať ochrannú úlohu po dozretí.oteflavonoidNa základe týchto výsledkov je zrejmé, že v tukovom tkanive je potrebné udržiavať primeranú aktiváciu autofágie. Úloha CR vo funkcii tukového tkaniva však musí byť ešte objasnená. Nunez a kol. ukázali, že CR úspešne zvýšila autofágiu u chudých myší, ale u obéznych myší sa indukcia autofágie nevyskytla, čo naznačuje, že podobne ako v predchádzajúcich správach je autofagická odpoveď počas obezity defektná [69]. Ghosh a kol. študovali účinky starnutia a CR na autofágiu tukového tkaniva a zistili zníženú autofagickú aktivitu so starnutím, čo prispieva k aberantnému ER stresu a zápalu v starnúcom tukovom tkanive [70]. Tiež ukázali, že autofágová aktivita bola zvýšená u CR myší so súčasným znížením ER stresu a zápalu. Celkovo vzaté, CR má priaznivé účinky na tukové tkanivo, aspoň čiastočne prostredníctvom indukcie autofágovej reakcie.

3.4. Obličky

Obličky tiež vykazujú priaznivé účinky CR, vrátane indukcie autofágie. V kanonickom koncepte metabolizmu obličky nie sú aktívnym účastníkom. Obličky sa však môžu podieľať a zohrávať dôležitú úlohu v metabolizme sacharidov, bielkovín a lipidov [94,95]. Bunky renálnych tubulov majú vysokú bazálnu úroveň spotreby energie a závisia od oxidácie mastných kyselín, aby sa vytvorilo primerané množstvo ATP [96]. Okrem toho bunky proximálneho tubulu vytvárajú glukózu prostredníctvom glukoneogenézy, najmä v podmienkach nedostatku živín, a prispievajú k celkovej hladine glukózy v krvi [97]. Z týchto dôvodov je vhodná autofágia dôležitá pre udržanie normálnej fyziológie obličiek reguláciou adekvátnych metabolických procesov a kvality organel. Zistilo sa, že defekty autofágie zhoršujú stavy pri niekoľkých typoch ochorení obličiek [98,99]. Je známe, že CR má priaznivé účinky na obličky za fyziologických aj patologických podmienok [100] Okrem toho vedie CR aj k oneskorenej dysfunkcii obličiek spojenej s vekom a k štrukturálnym zmenám [50]. Medzi niekoľkými navrhovanými mechanizmami, ktoré vysvetľujú priaznivé účinky CR v obličkách, je dôležitá zvýšená autofágová aktivita.

Kim a spol. navrhli 12-mesačný plán CR u 12-mesačných myší na posúdenie vplyvu starnutia a CR na autofágiu [58]. V porovnaní s kontrolnou skupinou viedla CR k zdravým mitochondriám s početnými autofagozómami v obličkách. Okrem toho sa v obličkách myší CR zistila nižšia hladina p62. Pomer LC3 konverzie a LC3 puncta bol vyšší u CR myší, čo naznačuje, že CR-sprostredkovaná autofágia zvýšila mitochondriálnu integritu a chránila ich pred poškodením obličiek súvisiacim s vekom. Ning a kol. ukázali podobný výsledok pri použití modelu krátkodobého obmedzenia kalórií [71]. Skupiny CR mali 40-percentné obmedzenie kalórií počas 8 týždňov a vykazovali zvýšený tok autofágie, génovú expresiu súvisiacu s autofágiou a znížené oxidačné poškodenie. CR tiež významne znížila expresiu p62 a polyubikvitínové agregáty.

Chung a kol. tiež ukázali, že krátkodobá CR redukovala renálnu fibrózu spojenú s vekom [50]. Zistili, že znížená expresia PPARo počas starnutia narušila metabolizmus lipidov a vyvolala intersticiálnu fibrózu v obličkách. PPARa knockout myši vykazovali skorý nástup fibrózy obličiek spojenej s vekom. Aj keď sa zamerali iba na metabolizmus lipidov na regulačnú úlohu PPARo a nekontrolovali zmeny autofágie vo svojom modeli, PPARo hrá dôležitú úlohu pri expresii génov súvisiacich s autofágiou; preto je pravdepodobné, že autofágia mohla hrať úlohu pri sprostredkovaní antifibróznych účinkov CR v ich modeli. Súhrnne tieto štúdie silne naznačujú, že CR účinne indukuje autofágiu u starnúcich a diabetických myší a hrá v týchto nastaveniach ochrannú úlohu.

4. Výhody intermeálneho hladovania pri autofágii: Je CR jediným riešením?

Nedávno sa objavila zaujímavá štúdia Martinez-Lopez et al. preukázali kľúčovú úlohu autofágie za iných nutričných podmienok ako CR [78]. Zaviedli izokalorický model kŕmenia dvakrát denne (ITAD) s rovnakým množstvom celkovej spotreby potravy ako kontroly ad libitum. Tieto myši boli vystavené potrave v dvoch krátkych časových intervaloch, na začiatku a na konci denného cyklu. Koncept tohto modelu sa líši od obmedzenia kalórií, pretože celkový príjem potravy je rovnaký ako u kontrol. ITAD stále vedie k intermeálnemu hladovaniu, ktoré vyvoláva rôzne fyziologické zmeny vrátane procesu autofágie. Kŕmenie ITAD ovplyvnilo tok autofágie vo viacerých orgánoch vrátane pečene, tukového tkaniva, svalov a neurónov. Kŕmenie ITAD podporovalo viaceré metabolické výhody v orgánoch, kde bola zvýšená autofágia, a ďalšie experimenty preukázali tkanivovo špecifický príspevok autofágie k metabolickým výhodám kŕmenia ITAD pomocou tkanivovo špecifických autofágových knockout modelov. Nakoniec sa v modeli starnutia a obezity dospelo k záveru, že konzumácia dvoch jedál denne bez CR môže zabrániť metabolickému syndrómu prostredníctvom aktivácie autofágie. Táto štúdia by sa mohla ľahko preniesť na ľudí, pretože ITAD je použiteľnejšie ako CR. Ak by sa podobný režim použil u ľudí, mohol by poskytnúť niektoré prospešné účinky, ako je indukcia autofágie, a v konečnom dôsledku zabrániť rôznym metabolickým ochoreniam súvisiacim s vekom.

Nedávno Stekovic et al. preukázali výrazný vplyv alternatívneho (AD) hladovania na starnutie u neobéznych ľudí (101). AD hladovanie výrazne zlepšilo fyziologické a molekulárne markery; tiež zlepšil kardiovaskulárne markery so zníženou tukovou hmotou a bez akýchkoľvek typických nepriaznivých účinkov. Táto štúdia tiež zdôraznila, že AD hladovanie možno tolerovať ľahšie ako nepretržité a viesť k podobným priaznivým účinkom. Aj keď nekontrolovali, či autofagická odpoveď zohrávala úlohu, mohlo by byť zaujímavé ďalej skúmať účinky AD hladovania na indukciu autofágie.

5. Mimetikum CR ako induktor autofágie

CR by mohla mať priaznivé účinky na predĺženie ľudského života; je však náročná na realizáciu, a to aj v prípade krátkodobého CR. Preto je vývoj liečiv alebo zlúčenín napodobňujúcich účinok CR zaujímavou témou diskusií medzi biológmi a gerontológmi [102. Na základe dráh a proteínov zmenených v podmienkach CR mnohí začali skúmať modulátory, ktoré napodobňujú CRefekt. V súčasnosti sa ukázalo, že viaceré lieky a iné zlúčeniny prirodzene sa vyskytujúce v strave (nutraceutiká) pôsobia ako mimetikum CR prostredníctvom rôznych mechanizmov. Ciele mimetík zahŕňajú dráhu glykolýzy, signalizáciu inzulínu/inzulínu podobného rastového faktora, mTOR AMPK, sirtuíny a ďalšie dráhy spojené s CR. Je zaujímavé, že veľa známych mimetík CR je priamo alebo nepriamo spojených s reguláciou autofágie. Nasledujúca diskusia sa zameria na dobre známe mimetiká CR, ktoré pôsobia prostredníctvom regulácie autofágie (obrázok 2).

Obrázok 2. Kalorická reštrikcia (CR) a mimetiká CR modulujú proces autofágie. CR znižuje signalizáciu mTOR znížením hladín inzulínu a IGF. CR zvyšuje pomer AMP/ATP a aktivuje AMPK. Znížený mTOR a aktivovaný AMPK účinne indukujú spustenie procesu autofágie. Rôzne CR mimetiká môžu indukovať proces autofágie. Rapamycín aktivuje autofágiu inhibíciou mTOR a metformín indukuje autofágiu aktiváciou AMPK. Spermidín zvyšuje celkový proces autofágie prostredníctvom inhibície EP300 deacetylázy.

5.1. Rapamycín, inhibítor mTOR

Rapamycín bol pôvodne opísaný ako imunosupresorový liek a bežne sa označuje ako zlúčenina pre mimetiká CR. V neskorších štúdiách sa preukázalo, že rapamycín sa priamo viaže medzi FKBP12 a mTOR kinázovými podjednotkami mTORC1, čo spôsobuje inhibíciu mTOR a jeho downstream signálnej dráhy [103]. Inhibičná aktivita rapamycínu na mTOR si získala pozornosť, pretože aktivita a expresia mTOR sú významne zvýšené pri starnutí a ochoreniach súvisiacich s vekom [104]. Ďalej sa ukázalo, že CR downreguluje funkciu mTOR, čo vedie k zvýšenej autofágii so zníženou syntézou proteínov [105]. Bolo zdokumentované, že rapamycín odďaľuje alebo zlepšuje ochorenia súvisiace s vekom vrátane metabolických ochorení, kardiovaskulárnych ochorení, fenotypu predčasného starnutia syndrómu Hutchinson-Gilford progeria a neurodegeneratívnych ochorení [104, 106]. Rapamycín tiež preukázal účinok predĺženia životnosti na rôznych zvieracích modeloch vrátane kvasiniek, ovocných mušiek a háďatiek [107]. Okrem toho, účinok rapamycínu na predĺženie života bol tiež overený a replikovaný u myší niekoľkými nezávislými skupinami [108,109].

Hoci rapamycín aktivuje autofágiu prostredníctvom inhibície mTOR, vykazuje aj ďalšie priaznivé účinky prostredníctvom regulácie iných signálnych dráh. mTORCl je aktivovaný nielen hladinami živín v bunke, ale aj rastovými hormónmi buniek. mTORC1 interaguje s kľúčovými proteínmi v anabolickom procese, ako sú S6K, 4E-BP1 a SREBPlc, a aktivuje syntézu proteínov, lipidov, nukleotidov a organel, ako sú mitochondrie [104]. Dôkazy však preukázali aj niektoré vedľajšie účinky rapamycínu, ako je potlačený imunitný systém, zvýšený výskyt cukrovky a nefrotoxicita [110]. Bezpečnosť a vedľajšie účinky rapamycínu pri dlhodobom používaní sa majú starostlivo zvážiť.

5.2. Metformín, aktivátor AMPK

Metformín je ďalším zaujímavým mimetikom CR. Ide o hypoglykemickú látku na báze guanidínu, ktorá sa používa ako liek na liečbu diabetu -2 typu a má schopnosť zvýšiť citlivosť na inzulín prostredníctvom aktivácie AMPK. Hoci sa bežne označuje ako aktivátor AMPK, je nepravdepodobné, že sa metformín priamo viaže buď na AMPK, alebo na jeho aktivátor LKB1 (111). Dôkazy podporujú, že metformín môže zvýšiť aktiváciu AMPK moduláciou produkcie ATP v mitochondriách [112]. Keďže AMPK je downregulovaný pri mnohých typoch metabolických ochorení, metformín preukázal obzvlášť priaznivý účinok pri rôznych metabolických ochoreniach súvisiacich s vekom [113]. Ďalšie štúdie preukázali účinok metformínu na predĺženie životnosti. Počas skríningu mimetík CR Dhahbi et al. najprv zistili, že liečba metformínom vykazovala podobný transkripčný profil ako CR u myší [114]. Okrem toho sa ukázalo, že metformín vedie k predĺženiu životnosti u modelov háďatiek a hlodavcov [115,116]. Je zaujímavé, že niektoré štúdie ukázali, že priaznivé účinky metformínu boli menej výrazné v podmienkach autofágovej inhibície, čo naznačuje dôležitosť autofágovej signalizácie indukovanej metformínom [117-120]. Teraz je jasné, že metformín vykazuje svoje priaznivé účinky aspoň čiastočne prostredníctvom indukcie autofágie. V niektorých modeloch starnutia sa však prínos metformínu pre dlhovekosť nepozoroval. Je zrejmé, že metformín má viacero priaznivých účinkov na rôzne metabolické ochorenia. Je však potrebné ďalšie skúmanie, aby sa overilo, či metformín môže pôsobiť ako mimetikum CR a či má neustále účinky proti starnutiu.

5.3. Spermidín

Na rozdiel od rapamycínu a metformínu je spermidín prírodný polyamín, ktorý stimuluje autofágiu [121]. Bolo preukázané, že sa podieľa na rôznych bunkových procesoch a reguluje bunkovú homeostázu. Externá suplementácia spermidínu predlžuje životnosť rôznych druhov vrátane kvasiniek, háďatiek, ovocných mušiek a myší [121-123]. Preukázala tiež ochranné účinky pri viacerých degeneratívnych ochoreniach. Dôležité je, že mnohé z týchto anti-agingových a prospešných vlastností spermidínu boli zrušené, keď došlo k genetickému poškodeniu autofágie [123-125]. Mechanistické štúdie odhalili, že spermidín indukuje autofágiu prostredníctvom inhibície niekoľkých acetyltransferáz. EP300, jedna z acetyltransferáz regulovaných spermidínom, je hlavným negatívnym regulátorom autofágie [126]. Epidemiologické údaje ukázali, že hladiny spermidínu klesajú s vekom a že zvýšený príjem potravín bohatých na spermidín znižuje celkovú úmrtnosť spojenú s kardiovaskulárnymi ochoreniami a rakovinou [127,128]. Je zaujímavé, že nedávna správa tiež preukázala podobnú úlohu aspirínu a indukcia autofágie aspirínom bola preukázaná u niekoľkých druhov [129, 130]. Súhrnne tieto výsledky poskytujú nové molekulárne mechanizmy na reguláciu autofágie a spermidín a aspirín by mohli tvoriť nový typ mimetík CR s účinkami proti starnutiu.

6. Záverečné poznámky

V tomto prehľade sa diskutovalo o účinkoch autofágie vyvolanej CR proti starnutiu. Hoci to závisí od druhu a veku použitého v experimentálnych modeloch a od trvania a intenzity režimov CR, všetky dôkazy podporujú úlohu CR pri aktivácii autofágy. Autofágia indukovaná CR hrá kľúčovú úlohu za fyziologických podmienok udržiavaním primeranej homeostázy v organizme. Okrem toho v rôznych orgánoch a tkanivách za patologických podmienok vrátane starnutia hrala autofágia indukovaná CR ochrannú úlohu. Základné mechanizmy predlžovania dlhovekosti v reakcii na CR ešte nie sú úplne pochopené, ale dôkazy podporujú, že aktivovaná autofágia by mohla hrať dôležitú úlohu. S ďalším pokrokom v mechanistickej biológii je zaujímavé, že mimetiká CR indukujúce autofágiu vykazujú podobné účinky ako CR v niekoľkých organizmoch. Aj keď je potrebných viac štúdií na lepšie pochopenie prínosov mimetík CR, je potrebné dôkladne zvážiť aj ich bezpečnosť a vedľajšie účinky. Nakoniec bude potrebné posúdiť, či sú induktory autofágie účinné a či sa dajú aplikovať pri liečbe ľudských chorôb.

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