Waar en hoe in de mTOR-route bestrijden remmers veroudering: Rapamycine, Resveratrol, en Metformine

2.1. Anabole versus katabole energieproductie

AMPK is een van de primaire metabole detectoren die over alle geslachten geconserveerd is en geactiveerd wordt door condities die een lage ATP:ADP verhouding veroorzaken, zoals hypoglykemie en hypoxie. Fosforylering van waarschijnlijk meer dan 1000 doelwitten door AMPK schakelt anabole paden uit (energieverbruikend) en katabole paden aan (energieproducerend). Eén van AMPK’s doelwitten voor fosforylering is peroxisome proliferators-activated receptor gamma coactivator-1 alpha (PGC-1α) die actief wordt wat resulteert in verhoogde mitochondriumbiogenese, membraanpotentiaal, en vetzuuroxidatie , een terugkerend kenmerk dat gevonden wordt tijdens calorierestrictie. AMPK activeert ook de forkhead transcriptiefactoren van de O-klasse (FOXO), wat leidt tot meer autofagie en antioxidanten, die beide leiden tot een verhoogd oxidatief metabolisme, net als PGC-1α doet.

In het geval van levensverlengende interventies wordt dosering erg belangrijk. Te veel van het goede kan beslist slecht zijn (b.v. kanker), en de moleculaire mechanismen die van invloed zijn op een langere levensduur worden momenteel opgehelderd. In Caenorhabditis elegans bijvoorbeeld, blijkt metformine de ontwikkeling te vertragen in goed gevoede omstandigheden en zelfs de levensduur te verminderen tijdens verhongering. Door de verbeterde mitochondriale functie is er minder zuurstofverbruik nodig, wat een gunstige daling van reactieve zuurstofspecies (ROS) veroorzaakt. Mitochondriale biogenese wordt verschillend gecontroleerd afhankelijk van weefsel en ziektetoestand. Er is bijvoorbeeld ontdekt dat mTOR-signalering de expressie verhoogt van mitochondriale genen die betrokken zijn bij het oxidatieve metabolisme, via PGC-1α en Ying-Yang 1 (YY1). Deze verhoogde mitochondriale biogenese in de spieren van gezonde personen, maar niet in zwaarlijvige personen, misschien als gevolg van verminderde insulinegevoeligheid. Niet alleen is de activiteit van mTORC1 celspecifiek, maar ook concentratie-afhankelijk: het wordt geïnduceerd en geremd door respectievelijk lage en hoge niveaus van ROS. Deze concentratiegevoeligheid van mTOR is gunstig omdat het fungeert als een hub voor onderling afhankelijke paden, zoals mTOR’s vermogen om zowel mitochondriale biogenese te wijzigen als autofagie te verhogen (die helpt bij het afbreken van beschadigde mitochondriën en andere organellen). Bij gist (Saccharomyces cerevisiae) zijn twee modellen van veroudering vastgesteld: de replicatieve levensduur (RLS) en de chronologische levensduur (CLS). RLS meet het aantal asymmetrische mitotische delingen dat een cel kan ondergaan voordat de celcyclus stopt en is een waardevol model voor fibroblasten, lymfocyten, of stamcellen bij de mens. CLS daarentegen meet hoe lang stationaire (Go) culturen levensvatbaar blijven en is een model voor postmitotische cellen zoals neuronen of spiercellen . Orgaanspecifieke analyse van menselijke in vivo studies, hoewel moeilijk, zou helpen bij het ophelderen van CR mimics op en stroomopwaarts van mTOR.

Metformine is een derde levensverlengende verbinding die het waard is om te contrasteren met rapamycine en resveratrol, omdat het de mitochondriale ademhalingsketen complex I remt, wat leidt tot verminderde ATP:ADP, die AMPK activeert . Daarnaast zijn er veel gegevens over metformine bij mensen, aangezien het een veelgebruikt oraal antidiabeticum is dat wordt gebruikt bij mensen met overgewicht en diabetes mellitus type 2 (T2DM). Metformine remt de leverglucoseproductie, vermindert de insulineresistentie, en is onlangs onderzocht als anti-aging therapeuticum. Metformine wordt momenteel onderzocht voor gebruik bij verschillende vormen van kanker; metformine is echter ook in verband gebracht met de ontwikkeling van sommige solide tumoren bij mensen, namelijk colorectale kanker, borstkanker en pancreaskanker. Mitochondriaal complex I wordt duidelijk geremd door metformine, hetgeen leidt tot de AMPK-afhankelijke activering van TSC2, dat mTOR remt. AMPK kan ook direct het mTORC1 complex inactiveren via fosforylering van zijn subeenheid Raptor. Er is echter ook aangetoond dat metformine op een AMPK-onafhankelijke manier kan werken, hoewel dat mechanisme minder duidelijk is, maar het zou nucleair porecomplex (NPC) of late endosoominteracties kunnen inhouden, die zijn gedocumenteerd. De NPC interactie werd gevonden toen C. elegansortholog of acyl-CoA dehydrogenase family member 10 (CeACAD10) knockdown een 3-voudige resistentie tegen metformine bleek te hebben. CeACAD10 expressie werd meer dan verdubbeld door 50 mM metformine, en een onbevooroordeelde, voorwaartse genetische screening vond dat het nucleaire poriecomplex vereist is voor metformine om CeACAD10 te induceren. Die moleculaire route is momenteel uniek voor metformine, vergeleken met resveratrol of rapamycine, en terwijl er meerdere doelwitten zijn gevonden voor metformine, maken enkele overlappende pathways tussen deze drie moleculen een robuuster begrip mogelijk van calorische beperkingen mogelijk van levensverlengende mechanismen. Niet alleen mTORC1, maar zelfs stroomopwaarts AMPK, is aangetoond vereist te zijn voor de positieve effecten van alle drie de moleculen rapamycine , resveratrol , en metformine . De moleculaire route van metformine is ook stroomopwaarts van AMPK opgehelderd. Metformine interageert met organel Na1/H1-uitwisselaars (eNHE) en het V-type-ATPase (V-ATPase), wat het idee ondersteunt dat het late endosoom/lysosoom, dat nodig is voor zowel de AMPK- als de mTOR-route, fungeert als een signaleringshub voor metabolisme .

Hoewel bruto metrieken zoals gewicht vaak worden gerapporteerd in studies en nuttig zijn om te volgen, zijn ze niet voldoende om het verouderingsfenomeen te onderzoeken. Bij muizen die resveratrol toegediend kregen, werd bijvoorbeeld geen gewichtsverlies geconstateerd. De mate waarin resveratrol calorische restrictie (CR) nabootst is aangetoond op moleculair niveau bij muizen met veranderingen in genexpressie die elkaar overlappen in het vetweefsel, de skeletspier, het hart, de lever en de neocortex. Interessant is dat zowel resveratrol als CR de leeftijdsgebonden achteruitgang in orgaanfuncties vertraagden, wat aantoont dat het voordeel van resveratrol niet afhankelijk was van gewichtsverlies. De andere kant van de calorische medaille, die vaak onafhankelijk van CR wordt onderzocht, is het door oefening veroorzaakte calorische tekort. In het algemeen heeft CR meer robuuste levensverlengende eigenschappen dan een door oefening veroorzaakt calorisch tekort. Het is duidelijk dat het voor de moderne mens uiterst moeilijk is om met lichaamsbeweging hetzelfde calorisch tekort te bereiken dat met CR kan worden bereikt. Kortom, het is moeilijker om een fast food maaltijd weg te rennen dan om de maaltijd niet te nuttigen. Bij knaagdieren is aangetoond dat een verhoogde activiteit om een relatief energietekort van 30% te bereiken, de maximale levensduur niet verlengt, maar wel de gemiddelde levensduur verhoogt. Het vermogen van resveratrol om de levensduur te verlengen varieert aanzienlijk tussen studies, maar is ruwweg 40% voor gist, 15% voor wormen, 30% voor vis, en 10% voor muizen.

Er zijn twee mTOR multisubunit eiwitcomplexen waarvan is aangetoond dat ze verschillend gereguleerd worden. mTOR complex 1 (mTORC1) en mTOR complex 2 (mTORC2) delen de eiwitcomponenten DEP domain containing mTOR-interacting protein (DEPTOR), mammalian lethal with sec-13 protein 8 (mLST8, ook bekend als GβL), telomere maintenance 2 (telO2), en telO2-Interacting Protein 1 (tti1) (in lichtblauw weergegeven in figuur 2). mTORC1 heeft drie kerncomponenten: mTOR, regulator-geassocieerd eiwit van mTOR (Raptor), en mammalian lethal with sec-13 protein 8 (mLST8). Terwijl mTOR complex 2 (mTORC2) kerncomponenten delen mTOR, mLST8, maar ook rapamycine-insensitieve metgezel van TOR (Rictor), en mammalian stress-activated map kinase-interacting protein 1 (mSIN1) (figuur 2) . mTORC1 wordt geactiveerd door voedingsstoffen en groeifactoren, terwijl wordt geremd in lage energie cellulaire toestanden. Een bekende complexiteit van de mTOR-route is het verschil in reactie op remmers, niet alleen door mTORC1 en mTORC2, maar ook door weefsel. mTORC1 wordt universeel geremd door rapamycine, terwijl mTORC2 een langdurige blootstelling nodig heeft om door rapamycine te worden geremd, hetgeen nog steeds wordt onderzocht. Hoewel van DEPTOR bekend is dat het mTORC1 gedeeltelijk remt, kan het op zichzelf de lipogenese of de ontsteking niet verminderen, maar in combinatie met AKT Serine/Threonine Kinase 1 (AKT)-remmers kan het resulteren in zowel een afname van de lipogenese als van de ontsteking. Combinatietherapie kan noodzakelijk zijn om mTORC1 aan te pakken om de gewenste effecten te bereiken.

Er wordt nog steeds onderzoek gedaan naar meerdere doelen stroomopwaarts van mTOR, maar goed beschreven stroomafwaartse effecten van mTOR helpen bij de analyse van in-vivo-, in-vitro- en klinische studies. Terwijl het belangrijkste stroomafwaartse effect van mTOR-activering anabole energieproductie is (met remmers die verschuiven naar katabole energieproductie uit vet), is een ander belangrijk stroomafwaarts effect van mTOR-activering een verhoogde ontsteking. In het algemeen leven mensen in de westerse wereld in een staat van overmatige ontsteking. Tijdsbeperkte voeding (TRF) bleek de immuunrespons te bevorderen en systemische laaggradige ontstekingen en leeftijdsgebonden chronische ziekten die verband houden met immunosenescentie te verminderen, zonder de spierprestaties aan te tasten. De verminderde ontsteking bij personen met een calorische beperking is gedeeltelijk toe te schrijven aan een toename van autofagie als gevolg van CR (zie hieronder). Van de mTOR-route is aangetoond dat deze de ontwikkeling van T-cellen, B-cellen en antigeen-presenterende cellen (APC) in gang zet. Resveratrol (gevonden in planten zoals druiven, rode wijn, moerbeien en pinda’s) is beschreven als een ontstekingsremmer met een breed werkingsspectrum die de overactivering van microgliacellen door mTOR-remming vermindert. Resveratrol remming van NF-κB veroorzaakt een toename van superoxide dismutase (SOD) en resulteert in verminderde pro-inflammatoire cytokines IL-1β, IL-6, en TNF-α.

Genoom brede analyse zal waarschijnlijk nodig zijn om de gunstige moleculaire niveau oorzaken van calorische restrictie op te helderen. Dato et al. analyseerden bijvoorbeeld onlangs pathway-gebaseerde SNP-SNP interacties van 3 pathways: de insuline/insuline-achtige groeifactor signalering (IIS), DNA reparatie, en pro/antioxidanten. Synergistische effecten op levensduur werden gevonden in de combinatie van groeihormoon secretagoog receptor (GHSR) en dubbelstrengs breuk reparatie nuclease MRE11 homoloog (MRE11A) genen die betrokken zijn bij IIS signalering. TP53 had ook synergetische effecten met ERCC Excision Repair 2 (ERCC2) of thioredoxine reductase 1 (TXNRD1). Deze resultaten benadrukten de centrale rol van TP53 in het activeren van DNA-reparatie en pro-antioxidant pathways.