Dove e come nella via mTOR gli inibitori combattono l’invecchiamento: Rapamicina, Resveratrolo e Metformina

2.1. Produzione di energia anabolica o catabolica

AMPK è uno dei principali rivelatori metabolici conservati in tutti i generi, attivato da condizioni che causano un basso rapporto ATP:ADP come l’ipoglicemia e l’ipossia. La fosforilazione di oltre 1000 obiettivi da parte di AMPK spegne le vie anaboliche (che utilizzano energia) e accende le vie cataboliche (che generano energia). Uno degli obiettivi di AMPKs per la fosforilazione è peroxisome proliferators-activated receptor gamma coactivator-1 alpha (PGC-1α) che diventa attivo con conseguente aumento della biogenesi dei mitocondri, potenziale di membrana, e ossidazione degli acidi grassi, una caratteristica ricorrente trovata durante la restrizione calorica. AMPK attiva anche i fattori di trascrizione forkhead della classe O (FOXO) che porta ad un aumento dell’autofagia e degli antiossidanti, entrambi portano ad un aumento del metabolismo ossidativo, come fa PGC-1α .

Nel caso di interventi che prolungano la vita il dosaggio diventa molto importante. Troppo di una cosa buona, può essere sicuramente un male (ad esempio il cancro), e il meccanismo molecolare che influisce sulla longevità è in fase di chiarimento. Per esempio, nel Caenorhabditis elegans, la metformina è stata trovata per ritardare lo sviluppo in condizioni di buona alimentazione e riduce anche la durata della vita durante la fame. Il miglioramento della funzione mitocondriale, diminuisce il consumo di ossigeno necessario, che provoca una benefica diminuzione delle specie reattive dell’ossigeno (ROS). La biogenesi mitocondriale è controllata in modo diverso a seconda del tessuto e dello stato della malattia. Per esempio, la segnalazione di MTOR è stata trovata per aumentare l’espressione dei geni mitocondriali coinvolti nel metabolismo ossidativo, attraverso PGC-1α e Ying-Yang 1 (YY1). Questo aumento della biogenesi mitocondriale nel muscolo di individui sani, ma non in individui obesi, forse a causa della diminuita sensibilità all’insulina. Non solo l’attività di mTORC1 è specifica delle cellule, ma è anche dipendente dalla concentrazione, essendo indotta e inibita da bassi e alti livelli di ROS rispettivamente. Questa sensibilità alla concentrazione di mTOR è vantaggiosa poiché agisce come un hub per percorsi interdipendenti, come la capacità di mTOR di modificare sia la biogenesi mitocondriale che di aumentare l’autofagia (che aiuta a degradare i mitocondri danneggiati e altri organelli). Due modelli di invecchiamento sono stati stabiliti nel lievito (Saccharomyces cerevisiae): la durata della vita replicativa (RLS) e la durata della vita cronologica (CLS). RLS misura il numero di divisioni mitotiche asimmetriche che una cellula può subire prima dell’arresto del ciclo cellulare ed è un modello prezioso per i fibroblasti, i linfociti o le cellule staminali negli esseri umani. Il CLS, al contrario, misura per quanto tempo le culture stazionarie (Go) rimangono vitali ed è un modello per le cellule postmitotiche come i neuroni o le cellule muscolari. L’analisi specifica dell’organo di studi umani in vivo, anche se difficile, aiuterebbe a chiarire i mimici di CR a e a monte di mTOR.

La metformina è un terzo composto che estende la vita che vale la pena di contrastare la rapamicina e il resveratrolo perché inibisce il complesso I della catena respiratoria mitocondriale, portando a una diminuzione di ATP:ADP, che attiva AMPK. Inoltre la metformina ha un sacco di dati umani in quanto è un comune farmaco antidiabetico orale utilizzato per le persone in sovrappeso con diabete mellito di tipo 2 (T2DM). La metformina inibisce la produzione epatica di glucosio, riduce la resistenza all’insulina ed è stata recentemente studiata come terapia anti-invecchiamento. La metformina è attualmente in fase di studio per l’uso in vari tipi di cancro; tuttavia, la metformina è stata anche collegata allo sviluppo di alcuni tumori solidi negli esseri umani, in particolare il cancro del colon-retto, del seno e del pancreas. Il complesso mitocondriale I è chiaramente inibito dalla metformina che porta all’attivazione AMPK dipendente di TSC2 che inibisce mTOR. AMPK può anche inattivare direttamente il complesso mTORC1 attraverso la fosforilazione della sua subunità Raptor. Tuttavia, è stato anche dimostrato che la metformina può agire in un modo indipendente da AMPK, anche se questo meccanismo è meno chiaro ma potrebbe coinvolgere il complesso del poro nucleare (NPC) o le interazioni dell’endosoma tardivo che sono state documentate. L’interazione NPC è stata trovata quando C. elegansortholog of acyl-CoA dehydrogenase family member 10 (CeACAD10) knockdown è stato trovato per avere una resistenza di 3 volte alla metformina. L’espressione di CeACAD10 è stata più che raddoppiata da 50 mM di metformina, e uno screening genetico imparziale ha scoperto che il complesso dei pori nucleari è richiesto dalla metformina per indurre CeACAD10. Questo percorso molecolare è attualmente unico per la metformina, rispetto al resveratrolo o alla rapamicina, e mentre sono stati trovati obiettivi multipli per la metformina, alcuni percorsi che si sovrappongono tra queste tre molecole permettono una comprensione più robusta delle restrizioni caloriche possibili dei meccanismi di estensione della vita. Non solo mTORC1, ma anche AMPK a monte, è stato dimostrato di essere richiesto per gli effetti positivi di tutte e tre le molecole rapamicina, resveratrolo, e metformina. Il percorso molecolare della metformina è stato anche chiarito a monte di AMPK. La metformina interagisce con l’organello Na1/H1 exchanger (eNHE) e la V-type-ATPase (V-ATPase) che supporta l’idea del tardo endosoma/lisosoma, che è richiesto sia dalla via AMPK che da quella mTOR, agendo come un hub di segnalazione per il metabolismo. Per esempio, i topi a cui è stato somministrato il resveratrolo sono risultati non perdere peso. Il grado in cui il resveratrolo imita la restrizione calorica (CR) è stato dimostrato a livello molecolare nei topi con cambiamenti nell’espressione genica sovrapposti nel tessuto adiposo, muscolo scheletrico, cuore, fegato e neocorteccia. È interessante notare che sia il resveratrolo che il CR hanno rallentato il declino legato all’età nella funzione degli organi, mostrando che il beneficio del resveratrolo non dipende dalla perdita di peso. L’altro lato della medaglia calorica che viene spesso studiato indipendentemente dalla CR è il deficit calorico indotto dall’esercizio fisico. In generale CR ha proprietà di estensione della vita più robuste di un deficit calorico indotto dall’esercizio. Per gli esseri umani moderni è chiaro che è estremamente difficile esercitarsi nello stesso deficit calorico che può essere raggiunto attraverso la CR. In poche parole, è più difficile fare un pasto in un fast food che non fare il pasto in primo luogo. È stato dimostrato nei roditori che l’aumento dell’attività per raggiungere un deficit energetico relativo del 30% non ha prolungato la durata massima della vita, ma ha aumentato la durata media della vita. La capacità del resveratrolo di aumentare la durata della vita è variata significativamente tra gli studi, ma è stata approssimativamente del 40% per il lievito, del 15% per i vermi, del 30% per i pesci e del 10% per i topi.

Ci sono due complessi proteici multisubunità mTOR che hanno dimostrato di essere regolati in modo diverso. Il complesso mTOR 1 (mTORC1) e il complesso mTOR 2 (mTORC2) condividono i componenti proteici DEP domain containing mTOR-interacting protein (DEPTOR), mammalian lethal with sec-13 protein 8 (mLST8, noto anche come GβL), telomere maintenance 2 (telO2), e telO2-Interacting Protein 1 (tti1) (indicati in azzurro nella Figura 2). mTORC1 ha tre componenti principali: mTOR, proteina associata alla regolazione di mTOR (Raptor), e proteina 8 (mLST8). Mentre il complesso mTOR 2 (mTORC2) i componenti del nucleo condividono mTOR, mLST8, ma includono anche il compagno insensibile alla rapamicina di TOR (Rictor), e la proteina di interazione con la chinasi della mappa attivata dallo stress dei mammiferi 1 (mSIN1) (Figura 2) . mTORC1 è attivato da nutrienti e fattori di crescita mentre è inibito negli stati cellulari a bassa energia. Una complessità nota con il percorso mTOR è la differenza di risposta agli inibitori, non solo da mTORC1 e mTORC2, ma anche dal tessuto. mTORC1 è universalmente inibito dalla rapamicina, mentre mTORC2 ha bisogno di un’esposizione a lungo termine per essere inibito dalla rapamicina che continua ad essere studiata. Mentre DEPTOR è noto per inibire parzialmente mTORC1, non può diminuire la lipogenesi o l’infiammazione da solo, tuttavia in combinazione con gli inibitori della serina/treonina chinasi 1 (AKT) AKT può risultare in entrambe le diminuzioni della lipogenesi e dell’infiammazione. La terapia combinata può essere necessaria nel targeting di mTORC1 per raggiungere gli effetti desiderati.

Mentre molteplici obiettivi a monte di mTOR continuano ad essere studiati, azioni a valle di mTOR ben descritte aiutano nell’analisi di studi in vivo, in vitro e clinici. Mentre il principale effetto a valle dell’attivazione di mTOR è la produzione di energia anabolica (con gli inibitori che spostano la produzione di energia catabolica dal grasso), un altro significativo effetto a valle dell’attivazione di mTOR è un aumento dell’infiammazione. In generale, le persone che vivono nel mondo occidentale vivono in uno stato di eccesso di infiammazione. L’alimentazione limitata nel tempo (TRF) è stata trovata per aiutare la risposta immunitaria, riducendo l’infiammazione sistemica di basso grado e le malattie croniche legate all’età dell’immunosenescenza, senza compromettere le prestazioni muscolari. La ridotta infiammazione osservata negli individui a restrizione calorica è parzialmente dovuta a un aumento dell’autofagia da CR (vedi sotto). Il percorso mTOR ha dimostrato di innescare lo sviluppo di cellule T, cellule B e cellule presentanti l’antigene (APC). Infatti il resveratrolo (che si trova in piante come l’uva, il vino rosso, le more di gelso e le arachidi) è stato descritto come un antinfiammatorio ad ampio spettro d’azione che attenua l’iperattivazione delle cellule microgliali attraverso l’inibizione di mTOR. L’inibizione del resveratrolo di NF-κB provoca un aumento della superossido dismutasi (SOD) e provoca una diminuzione delle citochine proinfiammatorie IL-1β, IL-6 e TNF-α.

L’analisi del genoma sarà probabilmente necessaria per chiarire le cause benefiche a livello molecolare della restrizione calorica. Per esempio, Dato et al. hanno recentemente analizzato le interazioni SNP-SNP basate sul percorso di 3 percorsi: la segnalazione del fattore di crescita insulino/insulino-simile (IIS), la riparazione del DNA e pro/antiossidanti. Effetti sinergici sulla longevità sono stati trovati nella combinazione del recettore secretagogo dell’ormone della crescita (GHSR) e della nucleasi di riparazione a doppio filamento MRE11 homolog (MRE11A), che sono coinvolti nella segnalazione IIS. TP53 aveva anche effetti sinergici con ERCC Excision Repair 2 (ERCC2) o con la tioredossina reduttasi 1 (TXNRD1). Questi risultati hanno evidenziato il ruolo centrale di TP53 nell’attivare la riparazione del DNA e le vie pro-antiossidanti.