Modele starzenia komórki
Limit Hayflick a wskazuje, że każda
Dieta niskokaloryczna - sposób na
komórka ma zaprogramowany wiek
długowieczność
" Hayflick stwierdził, że komórki ludzkie w hodowli dzielą się maksymalnie
Wykład 10
około 50 razy i umierają
" Eksperymenty, w których przeszczepiano stare komórki na młody
organizm wskazały, że zdolność do liczby podziałów jest cechą
wewnętrzna komórki i nie ma znaczenia wpływ młodego organizmu
" U większości zwierząt istnieje pozytywna korelacja między maksymalną
długością życia, a maksymalną liczbą podziałów komórek
" Komórki od pacjentów z progerią Wernera zdolne są do maksymalnie
10ciu podziałów
" Problem: czy replikacyjny czas życia możemy porównać z
chronologicznym czasem życia komórki ???
Teorie starzenia
Z czego wynika zaprogramowany wiek
komórki?
" Telomerowa teoria starzenia
" Teoria mutacji genowych
" Wczesne teorie wskazywały na istnienie genów śmierci
" Teoria osłabionej naprawy DNA
( death gene ) lub genów starzenia, które by
indukowały w pewnym momencie starzenie i śmierć
" Teoria akumulacji odpadów w komórce: np. teoria
komórki; do tej pory nie zidentyfikowano takich
wolnorodnikowa
genów
" Teorie gerontologiczne: zmiany hormonalne, szybkość
metabolizmu
" Obecnie uważa się, że starzenie wynika z osłabienie
" Teorie ewolucyjne: adaptacyjna, antagonistyczna
mechanizmów zapewniających długowieczność
plejotropia i  disposable soma
Telomerowa teoria starzenia
Struktura i skracanie telomerów
" Im starsze komórki tym krótsze telomery
2-20 kb: (TTAGGG)n " W progeriach obserwuje się szybszą utratę
telomerów
" Komórki nowotworowe  replikacyjnie nieśmiertelne
mają stałą długość telomerów, dzięki aktywności
telomerazy
" Ale (!) większość komórek somatycznych ma
ograniczoną liczbę podziałów i nie jest możliwe tak
silne skrócenie telomerów, aby nastąpiła utrata dużej
liczby genów; nie zidentyfikowano też żadnego genu,
którego utrata powodowałaby starzenie
Choroby przedwczesnego starzenia
Teoria mutacji genowych i osłabionej
naprawy DNA
Choroba / gen /
maksymalny czas Uszkodzony proces Objawy
" Z wiekiem obserwuje się nagromadzanie mutacji
życia
(starzenie DNA), które mogą prowadzić do zmian
siwienie, katarakta,
Syndrom Wernera / Naprawa DNA (HR,
arterioskleroza,
funkcji białek helikaza WRN / 48 NHEJ), replikacja
osteoporoza, cukrzyca,
lat DNA, metabolizm
atrofia skóry
" Z wiekiem spada też wydajność naprawy DNA, co
telomerów, apoptoza
prowadzi do akumulacji mutacji
neurodegeneracja,
Syndom Cockayne a / Naprawa DNA (BER,
katarakta,
CSB i CSA / 20 lat NER)
" Istnieje korelacja między długością życia gatunku a
arterioskleroza,
osteoporoza, cukrzyca,
sprawnością systemów naprawy DNA
nowotwory, cukrzyca,
Syndrom Blooma / Naprawa DNA ???
" Prawie wszystkie znane choroby charakteryzujące się
katarakta
BLM / 28 lat
przyspieszonym starzeniem spowodowane są
arterioskleroza,
Syndrom Struktura jądra,
mutacjami w genach związanych z naprawą DNA,
osteoporoza, atrofia
Hutchinsona-Gilforda transkrypcja
mięśni
/ LMNA /12 lat
ochroną telomerów czy całego DNA
Ewolucyjne teorie starzenia
Teoria akumulacji odpadów w komórce
" Starzenie jako adaptacja: uważano kiedyś, że starzenie może być
cechą przystosowawczą wynikającą z potrzeby zrobienia miejsca dla
młodych osobników, ale obecnie uważa się, że dobór działa na poziomie
" Nagromadzanie żółto-brązowego barwnika lipofuscyny, który tworzy
osobniczym, a nie gatunkowym; na poziomie osobnika nieśmiertelność
nierozpuszczalne agregaty; mogą stanowić nawet 30% objętości cytoplazmy;
jest korzystniejsza od starzenia i śmierci
oddziałuje z białkami, tłuszczami i DNA
" Teoria wolnorodnikowa: reaktywne formy tlenu (ROS) uszkadzają DNA, białka i " Antagonistyczna plejotropia: starzenie wynika z akumulacji mutacji,
lipidy; z wiekiem uszkodzenia się nagromadzają, a system obronne słabiej
które dają większą rozrodczość w młodym wieku, ale wpływają
działają; ten mechanizm może mieć znaczenie dla chronologicznego czasu życia
niekorzystnie w wieku póz
niejszym; znane są przykłady takich mutacji u
komórki
C. elegans i muszki owocowej; rozmnażanie wpływa negatywnie na długość
" Np. nadekspresja genu SOD1 kodującego dysmutazę nadtlenkową zwiększa
życia; presja selekcyjna działa słabo w wieku dojrzałym (np. brak
długość życia u muszki, ale delecja tego genu z kolei nie skraca życia
eliminacji mutacji powodującej pląsawicę Huntingtona ujawniająca się
" Mutant myszy z przyspieszoną akumulacją mutacji mitochondrialnych wykazuje
około 35 roku życia)
objawy przyspieszonego starzenia (ROS uszkadzające DNA mitochondrialne)
" Disposable soma: każdy organizm ma ograniczoną ilość energii, którą
" Stwierdzono też w badaniach na dużą skalę, że podawanie antyoksydantów (np.
może całkowicie poświęcić na utrzymywanie zdrowej komórki
witaminy E) nie wpływa na długość życia; niekoniecznie musi to być dowód
(długowieczność), ale wszystkie organizmy muszą się rozmnażać i dużo
przeciwko tej teorii, gdyż po prostu zewnętrzne podawanie antyoksydantów nie
musi mieć przełożenia bezpośrednio na metabolizm ROS w komórce energii na to jest zużywane, a na tym z kolei cierpi sama komórka, która
akumuluje uszkodzenia, co objawia się starzeniem
Zmiany hormonalne a starzenie
Gerontologiczne teorie starzenia
" Niski poziom hormonu wzrostu (GH), a także czynnika wzrostu
podobnego do insuliny IGF-1 (jego ekspresja i sekrecja indukowana jest
przez GH) oraz osłabienie drogi sygnalnej zależnej od IGF-1 wydłużają
" Szybkość metabolizmu: im szybszy metabolizm tym krótsze
życie
życie np. mysz; efekt pozorny, zależy to od sposobu obliczania
Przykłady:
tempa metabolizm; okazuje się, że mysz i słoń mają takie samo
" mutacje daf-2 (receptor dla IGF-1) i age-1 (kaskada sygnałowa IGF-1) u
tempo metabolizmu, jeśli uwzględni się ilość skonsumowanego
C. elegans wydłużają życie
tlenu przez całe życie na wagę ciała
" stulatkowie mają niski poziom IGF-1 oraz wysoką wrażliwość na insulinę
" Zmiany hormonalne: z wiekiem obniża się ilość niektórych
" karły nieleczone hormonem wzrostu żyją dłużej, ale szybsze objawy
hormonów np. u mężczyzn testosteronu (w latach 20-tych
starzenia (obniżajacy się z wiekiem poziom GH wpływa na spadek masy
mężczyznom wszczepiano jądra od małp czy kóz); testosteron mięśniowej, powoduje osteoporozę i wzrost ilości tkanki tłuszczowej)
raczej wpływa na to, że mężczyz
ni zaczynają się szybciej " osoby cierpiące na gigantyzm żyją krócej
starzeć od kobiet i stąd prawdopodobnie wynika, że kobiety żyją
" duże rasy psów (wysoki poziom IGF-1) żyją krócej
średnio o 5-7 lat dłużej od mężczyzn
" liczne mutanty myszy typu dwarf (karzeł) są długowieczne
UWAGA! Wydłużenie życia nie jest równoznaczne z brakiem objawów
starzenia
Droga sygnalna zależna od IGF-1
Dwie kluczowe obserwacje doprowadziły do
poznania molekularnego mechanizmu
starzenia się drożdży
" Komórki potomne dziedziczą stary wiek komórek
macierzystych
" Izolacja czterech mutacji  youth (uth1 do uth4 )
DAF-2: receptor insulinowy/IGF-1
przedłużających życie replikacyjne drożdży; trzy
PI3K: fosfatydylinozytol-3-kinaza
Ptdlns(4,5)P2: bisfosforan PI3K
z nich znajdują się w genach regulujących
PDK1: kinaza zależna od PI3K
powstawanie  cichej heterochromatyny
Akumulacja kolistych cząsteczek rDNA
Akumulacja kolistych cząsteczek rDNA
prowadzi do replikacyjnej śmierci drożdży
prowadzi do replikacyjnej śmierci drożdży
Struktura nukleosomu
Sir2
Sir2
Sir2
Sir2
H3 Lys9-Ac + NAD+
H3 Lys9-Ac + NAD+ H3 Lys9 + nikotynoamid + Ac-ADP-ryboza
H3 Lys9 + nikotynoamid + Ac-ADP-ryboza
Stabilność rDNA Długowieczność
Sir2 Stabilność rDNA Długowieczność
Sir2
Dieta niskokaloryczna
Sposoby na przedłużenie życia
(calorie restriction)
" Inhibitory drogi sygnalnej regulowanej przez
Redukcja o 30-50% dziennej dawki kalorii
IGF-1
przy zachowaniu odpowiedniej ilości cukrów,
białek i tłuszczów oraz wszystkich witamin i
" Metformina: lek na cukrzycę typu drugiego,
mikroelementów
zwiększa wrażliwość komórek na insulinę,
obniża poziom cukru we krwi przez hamowanie
glukoneogenezy w wątrobie
" Dieta niskokaloryczna (restrykcja kaloryczna)
Wpływ diety niskokalorycznej na długość
Dieta niskokaloryczna ma podobne
życia odkryto u szczurów w 1935 roku
efekty u wszystkich dotychczas
przez McKaya i wsp.
zbadanych organizmów
" Dieta normalna:
Średni wiek: 23 mies. " pierwotniaki " pajęczaki
Maksymalny: 33 mies.
" drożdże " owady
" skorupiaki " ryby
" Dieta
niskokaloryczna:
" nicienie " gryzonie
Średni wiek: 33 mies.
Maksymalny: 47 mies.
Dieta niskokaloryczna wydłuża średni
Dieta niskokaloryczna zwalnia
i maksymalny czas życia
procesy starzenia
" Niższy poziom glukozy, insuliny i cholesterolu we
krwi
" Zwiększenie wrażliwości komórek na insulinę
" Obniżone ciśnienie krwi
" Wyższa sprawność umysłowa i lepsza pamięć u
starszych zwierząt
" Mechanizmy naprawcze DNA bardziej aktywne
" Zmniejsza produkcję reaktywnych form tlenu i
związane z tym uszkodzenia tkanek
Weindruch i wsp. (1986) J Nutr
Dieta niskokaloryczna ma także skutki
Mniej kalorii = mniej chorób
negatywne
Dieta: normalna niskokaloryczna
" Zwierzęta rosną wolniej i osiągają
mniejszą masę maksymalną
" Rak piersi 40% 2%
" Opóz
nione dojrzewanie płciowe
" Krótszy okres płodności
" Rak płuc 60% 30%
" Obniżona temperatura ciała;
" Rak wątroby 64% 0%
wrażliwość na zmiany temperatury
(zanik tkanki tłuszczowej)
" Białaczki 65% 10%
" Zanik tkanki mięśniowej (ale ten
związany z wiekiem jest osłabiony);
" Choroby układu 63% 17%
słabsza siła fizyczna
krążenia
" A
atwiejszy wzrost toksyn we krwi
" Gorsze gojenie ran
" Także zmniejszone występowanie
" Zmiany psychiczne: depresja,
cukrzycy, degeneracyjnych chorób układu
nadpobudliwość
nerwowego i chorób autoimmunologicznych
Waga ciała czy ilość tkanki
Kierunki badań na dietą
tłuszczowej nie wpływają na
niskokaloryczną
przedłużenie życia
" Szczury, które otrzymywały 92% normalnej liczby kalorii, " Efekty stosowania diety niskokalorycznej
ale które miały wagę ciała mniejszą o 40% niż grupa
u naczelnych, w tym u człowieka
kontrolna, charakteryzowały się: większym średnim czasem
życia, ale nie zaobserwowano zwiększenia maksymalnego
" Jaki jest molekularny mechanizm działania
czasu życia
diety niskokalorycznej?
" Genetycznie zmienione  otyłe myszy (posiadają dwukrotnie
więcej tkanki tłuszczowej niż normalne myszy) hodowane " Poszukiwanie substancji (nutraceutyków),
na diecie niskokalorycznej osiągały prawie dwukrotnie które miałyby takie samo działanie jak
wyższy maksymalny wiek podobnie jak myszy kontrolne
dieta niskokaloryczna
Czy dieta niskokaloryczna
Człowiek ???
działa u naczelnych?
" Dieta normalna:
" Prowadzone są testy na
Średni wiek: 75 lat
dwóch gatunkach małp:
Maksymalny: 122 lat
Macaca mulatta i Saimiri
(Francuzka Jeanne Calmert)
sciureus
" Dieta niskokaloryczna:
brak danych
" Badany jest efekt
stosowania tej diety od
" Rozpoczęto badania nad efektami
urodzenia i u dorosłych
diety niskokalorycznej stosowanej u
już zwierząt
ludzi w okresie wieloletnim (USA)
Leonard Guarente (MIT)
Człowiek ???
Populacja na Okinawie
Biosphere 2
Biosphere 2
" Biosphere 2: na dwa lata 4 mężczyzn
i 4 kobiety zostały zamknięte w
sztucznym środowisku odizolowanym
" Liczba stulatków na Okinawie jest 2-40 razy większa niż na
od reszty świata; dzienna dawka
pozostałych wyspach Japonii
kalorii wynosiła 1750-2100 kcal
" Ilość kalorii spożywana przez dzieci w wieku szkolnym na (dieta niskokaloryczna):
Okinawie wynosi tylko 62% zalecanej dawki w Japonii
- Spadek wagi: 19% (mężczyz
ni), 13%
(kobiety)
" Dorośli z Okinawy spożywają 20% mniej kalorii niż wynosi średnia
- Obniżenie ciśnienia krwi
krajowa w Japonii; o 40% mniej niż w USA; dieta oparta na
- Obniżenie stężenia cukru,
warzywach, zbożach, rybach, owocach
cholesterolu i insuliny we krwi
" Liczba zgonów z powodu udarów, nowotworów i chorób serca jest
o 35% mniejsza niż na pozostałych wyspach japońskich
Podobne zmiany fizjologiczne, hormonalne i biochemiczne
" Liczba zgonów osób w wieku 60-64 lat jest o połowę mniejsza niż
zaobserwowano u osób z Caloric Restriction Society
w innych częściach Japonii
praktykujących dietę niskokaloryczną od 3 do 15 lat.
Dieta niskokaloryczna Dieta obfita
Jak dieta niskokaloryczna przedłuża życie?
Niski poziom glukozy we krwi Wysoki poziom glukozy we krwi
Hipotezy
" Opóz
nienie rozwoju  brak genetycznego programu starzenia, nie
Obniżenie poziomu insuliny we krwi Zwiększenie poziomu insuliny we krwi
ma genów starzenia
" Zwolnienie metabolizmu  tylko na początku diety, potem tempo
Tkanka tłuszczowa uwalnia tłuszcz Tkanka tłuszczowa magazynuje tłuszcz
normalne
i zwiększa wydzielanie adiponektyny i zmniejsza wydzielanie adiponektyny
" Osłabienie stresu oksydacyjnego  zwiększenie poziomu białek
błony mitochondrialnej UCP (uncoupling protein), które przenoszą
protony z cytoplazmy do mitochondrium i zmniejszają produkcję Adiponektyna uwrażliwia Spadek wrażliwości komórek na insulinę
komórki na insulinę
ATP i gradient protonowy (powstaje mniej ROS)
" Zwiększenie wrażliwości na insulinę, obniżenie ilości insuliny i
Wzrost ilości glukozy we krwi, co powoduje
glukozy we krwi, redukcja tkanki tłuszczowej  zmiany Dalsze obniżenie poziomu
chroniczne wydzielanie insuliny do krwi i
insuliny we krwi
hormonalne
w końcu prowadzi do cukrzycy typu II
Dieta niskokaloryczna =
słaby czynnik stresowy
Hipoteza hormezy i ksenohormezy 
próba syntezy wiedzy o regulacji
Komunikacja
długowieczności
międzykomórkowa
Białka odbierające
sygnał stresowy
" Hormeza opisuje zjawisko kiedy określony
bodziec, który jest szkodliwy dla organizmu przy
Pobudzenie
wysokim natężeniu, wykazuje działanie Osłabienie Zmiana
mechanizmów
apoptozy metabolizmu
obronnych
stymulujące i korzystne przy niskim natężeniu
Redukcja
" Ksenohormeza mówi o tym, że organizmy
Wydzielanie
Ochrona
ROS
hormonów
rozwinęły mechanizmy pozwalające na odbieranie
wyspecjalizowanych
komórek
hormetycznych sygnałów od innych organizmów z
tego samego środowiska
Molekularny mechanizm działania
Co jest białkiem efektorowym
deacetylazy SIRT1
aktywowanym przez dietę
" Deacetylacja p53 i Ku70: hamowanie apoptozy
niskokaloryczną?
" Reguluje transkrypcję poprzez oddziaływanie
z czynnikami transkrypcyjnymi z rodziny
Acetylazy
FOXO (forkhead): obniżenie transkrypcji BIM Aktywacja przez
czynniki stresowe
(hamowanie apoptozy) a zwiększenie
" U drożdży niezbędna jest obecność deacetylazy Sir2,
transkrypcji MnSOD (obrona przed stresem
aby dieta niskokaloryczna wydłużała życie komórkom
oksydacyjnym), p27 (zatrzymanie cyklu
komórkowego), GADD45 (naprawa DNA)
" Delecja SIR2 skraca życie komórek drożdżowych
" Hamowanie białka PPARł (receptor hormonów
steroidowych), które stymuluje tworzenie
" U człowieka jest siedem homologów białka Sir2; są to
nowych komórek tłuszczowych i promuje
syrtuiny Sirt1-7, które oprócz histonów deacetylują
magazynowanie tłuszczów
wiele innych białek
" Ochrania komórki nerwowe (mutant myszy
Walerian ma podwyższony poziom NAD i
SIRT1
Podziały i Mechanizmy
charakteryzuje się wysoką ochroną przed
śmierć komórki zapewniające przeżycie
degeneracją neuronów)
Jak deacetylazy Sir2 i SIRT1 są aktywowane
Drobnocząsteczkowe aktywatory
przez dietę niskokaloryczną?
Sir2 i sirtuin
Sir2
Sir2
H3 Lys9-Ac + NAD+ H3 Lys9 + nikotynoamid + Ac-ADP-ryboza
H3 Lys9-Ac + NAD+ H3 Lys9 + nikotynoamid + Ac-ADP-ryboza
" W teście in vitro badano wpływ
PNC1 - nikotynoamidaza
setek związków chemicznych na
Dieta niskokaloryczna aktywność ludzkiego homologa Sir2,
u drożdży
SIRT1
oddychanie
" Najsilniejszym aktywatorem sirtuin
HST2
okazał się polifenol resweratol,
wtórny metabolit roślinny, którego
Resweratrol
najwięcej jest w winogronach
Długowieczność
Resweratrol ma takie samo działanie
Recepta na długowieczność
jak dieta niskokaloryczna i wymaga
obecności białka Sir2
Długie
życie
Howitz et al. (2004) Nature