Gdzie i jak inhibitory szlaku mTOR zwalczają starzenie: Rapamycyna, Resweratrol, i Metformina

2.1. Anaboliczna vs. kataboliczna produkcja energii

AMPK jest jednym z głównych detektorów metabolizmu, konserwowanym u wszystkich rodzajów zwierząt, aktywowanym w warunkach, które powodują niski stosunek ATP:ADP, takich jak hipoglikemia i hipoksja. Fosforylacja prawdopodobnie ponad 1000 celów AMPK wyłącza szlaki anaboliczne (zużywające energię) i włącza szlaki kataboliczne (wytwarzające energię). Jednym z celów fosforylacji AMPK jest koaktywator 1 alfa receptora aktywowanego proliferatorami peroksysomów (PGC-1α), który uaktywnia się, powodując zwiększenie biogenezy mitochondriów, potencjału błonowego i utleniania kwasów tłuszczowych, co jest cechą powtarzającą się podczas restrykcji kalorycznej. AMPK aktywuje również czynniki transkrypcyjne forkhead klasy O (FOXO), co prowadzi do zwiększenia autofagii i antyoksydantów, prowadzących do zwiększenia metabolizmu oksydacyjnego, podobnie jak PGC-1α.

W przypadku interwencji przedłużających życie dawkowanie staje się bardzo ważne. Zbyt wiele dobrego, może być zdecydowanie złe (np. rak), a molekularny mechanizm wpływający na długowieczność jest coraz lepiej poznany. Na przykład, u Caenorhabditis elegans, metformina opóźnia rozwój w warunkach dobrego odżywiania, a nawet skraca długość życia podczas głodówki. Poprawa funkcji mitochondriów, zmniejsza zużycie tlenu potrzebne, co powoduje korzystne zmniejszenie reaktywnych form tlenu (ROS) . Biogeneza mitochondriów jest kontrolowana w różny sposób w zależności od tkanki i stanu choroby. Na przykład, stwierdzono, że sygnalizacja mTOR zwiększa ekspresję genów mitochondrialnych zaangażowanych w metabolizm oksydacyjny, poprzez PGC-1α i Ying-Yang 1 (YY1). To zwiększyło biogenezę mitochondrialną w mięśniach osób zdrowych, ale nie u osób otyłych, być może z powodu zmniejszonej wrażliwości na insulinę. Nie tylko jest mTORC1 aktywność specyficzne dla komórek, ale jest również stężenie zależne jest indukowane i hamowane przez niskie i wysokie poziomy ROS odpowiednio. Ta wrażliwość mTOR na stężenie jest korzystna, ponieważ działa jako węzeł dla współzależnych szlaków, takich jak zdolność mTOR do modyfikowania zarówno biogenezy mitochondriów i zwiększenia autofagii (co pomaga degradować uszkodzone mitochondria i inne organelle). U drożdży (Saccharomyces cerevisiae) opracowano dwa modele starzenia się: replikacyjny (RLS) i chronologiczny (CLS). RLS mierzy liczbę asymetrycznych podziałów mitotycznych, które komórka może przejść przed zatrzymaniem cyklu komórkowego i jest cennym modelem dla fibroblastów, limfocytów lub komórek macierzystych u ludzi. CLS z kolei mierzy, jak długo hodowle stacjonarne (Go) pozostają żywotne i jest modelem dla komórek postmitotycznych, takich jak neurony lub komórki mięśniowe. Specyficzna dla danego organu analiza ludzkich badań in vivo, choć trudna, pomogłaby wyjaśnić mimikę CR przy i przed mTOR.

Metformina jest trzecim związkiem przedłużającym życie, który warto przeciwstawić rapamycynie i resweratrolowi, ponieważ hamuje mitochondrialny łańcuch oddechowy kompleksu I, prowadząc do zmniejszenia ATP:ADP, co aktywuje AMPK. Ponadto metformina ma wiele danych dotyczących ludzi, ponieważ jest powszechnym doustnym lekiem przeciwcukrzycowym stosowanym u osób z nadwagą i cukrzycą typu 2 (T2DM). Metformina hamuje wątrobową produkcję glukozy, zmniejsza insulinooporność, a ostatnio jest badana jako terapia przeciwstarzeniowa. Metformina jest obecnie badana pod kątem stosowania w różnych nowotworach; jednak metformina została również powiązana z rozwojem niektórych guzów litych u ludzi, a mianowicie raka jelita grubego, piersi i trzustki. Mitochondrialny kompleks I jest wyraźnie hamowany przez metforminę, co prowadzi do zależnej od AMPK aktywacji TSC2, która hamuje mTOR. AMPK może również bezpośrednio inaktywować kompleks mTORC1 poprzez fosforylację jego podjednostki Raptor. Jednak wykazano również, że metformina może działać w sposób niezależny od AMPK, choć mechanizm ten jest mniej jasny, ale może obejmować kompleks pory jądrowej (NPC) lub późne interakcje endosomowe, które zostały udokumentowane. Interakcja NPC została odkryta, gdy C. elegansortholog of acyl-CoA dehydrogenase family member 10 (CeACAD10) knockdown okazał się mieć 3-krotną oporność na metforminę. Ekspresja CeACAD10 została ponad dwukrotnie zwiększona przez 50 mM metforminy, a bezstronny, wyprzedzający przegląd genetyczny wykazał, że kompleks porów jądrowych jest wymagany, aby metformina indukowała CeACAD10. Ta ścieżka molekularna jest obecnie unikalna dla metforminy, w porównaniu z resweratrolem lub rapamycyną, i podczas gdy wiele celów zostało znalezionych dla metforminy, niektóre ścieżki pokrywające się między tymi trzema cząsteczkami pozwalają na bardziej solidne zrozumienie ograniczeń kalorycznych możliwych mechanizmów przedłużania życia. Wykazano, że nie tylko mTORC1, ale nawet AMPK, jest wymagana dla pozytywnych efektów wszystkich trzech cząsteczek: rapamycyny, resweratrolu i metforminy. Ścieżka molekularna metforminy została również wyjaśniona przed AMPK. Metformina wchodzi w interakcje z organellami Na1/H1 exchangers (eNHE) i V-type-ATPase (V-ATPase), co wspiera ideę późnego endosomu/lysosomu, który jest wymagany zarówno przez AMPK, jak i ścieżkę mTOR, działając jako węzeł sygnalizacyjny dla metabolizmu .

Choć metryki brutto, takie jak waga, są często zgłaszane w badaniach i przydatne do śledzenia, nie są wystarczające do zbadania zjawiska starzenia się. Na przykład, myszy, którym podawano resweratrol, nie traciły na wadze. Stopień, w jakim resweratrol naśladuje ograniczenie kaloryczne (CR) został wykazany na poziomie molekularnym u myszy ze zmianami w ekspresji genów pokrywających się w tkance tłuszczowej, mięśniach szkieletowych, sercu, wątrobie i neocortex. Co ciekawe, zarówno resweratrol jak i CR spowolniły związany z wiekiem spadek funkcji narządów, pokazując, że korzyści z resweratrolu nie zależą od utraty wagi. Drugą stroną kalorycznej monety, która jest często badana niezależnie od CR, jest deficyt kaloryczny wywołany ćwiczeniami. Ogólnie rzecz biorąc, CR ma solidniejsze właściwości przedłużania życia niż deficyt kaloryczny wywołany ćwiczeniami. Dla współczesnych ludzi jest jasne, że jest to niezwykle trudne do wykonywania jeden sposób do tego samego deficytu kalorycznego, które mogą być osiągnięte przez CR. W skrócie, trudniej jest uciec od posiłku fast food niż nie mieć posiłku w pierwszej kolejności. Wykazano u gryzoni, że zwiększona aktywność w celu osiągnięcia 30% względnego deficytu energetycznego nie wydłużyła maksymalnej długości życia, ale zwiększyła średnią długość życia. Zdolność resweratrolu do zwiększania długości życia różniła się znacząco pomiędzy badaniami, ale wynosiła około 40% dla drożdży, 15% dla robaków, 30% dla ryb i 10% dla myszy.

Istnieją dwa kompleksy białkowe mTOR, które jak wykazano, są regulowane w różny sposób. Kompleks mTOR 1 (mTORC1) i kompleks mTOR 2 (mTORC2) mają wspólne składniki białkowe DEP domain containing mTOR-interacting protein (DEPTOR), mammalian lethal with sec-13 protein 8 (mLST8, znany również jako GβL), telomere maintenance 2 (telO2) i telO2-Interacting Protein 1 (tti1) (pokazane jako jasnoniebieskie na Rysunku 2). mTORC1 ma trzy podstawowe składniki: mTOR, białko regulatorowe mTOR (Raptor) i białko 8 (mLST8). Podczas gdy komponenty rdzenia kompleksu mTOR 2 (mTORC2) dzielą mTOR, mLST8, ale także obejmują niewrażliwego na rapamycynę towarzysza TOR (Rictor) oraz białko 1 (mSIN1) oddziałujące z kinazą map aktywowaną stresem u ssaków (Rysunek 2). mTORC1 jest aktywowany przez składniki odżywcze i czynniki wzrostu, podczas gdy jest hamowany w niskoenergetycznych stanach komórkowych. Znaną złożonością szlaku mTOR jest różnica w odpowiedzi na inhibitory, nie tylko przez mTORC1 i mTORC2, ale także przez tkanki. mTORC1 jest powszechnie hamowany przez rapamycynę, podczas gdy mTORC2 wymaga długotrwałej ekspozycji, aby być hamowanym przez rapamycynę, co nadal jest badane. Podczas gdy DEPTOR jest znany z częściowego hamowania mTORC1, nie może on sam zmniejszać lipogenezy lub stanu zapalnego, jednak w połączeniu z inhibitorami kinazy serynowo-treoninowej 1 (AKT) może powodować zarówno zmniejszenie lipogenezy, jak i stanu zapalnego. Terapia skojarzona może być konieczna w celowaniu w mTORC1, aby osiągnąć pożądane efekty.

Podczas gdy wiele celów upstream mTOR nadal jest badanych, dobrze opisane działania downstream mTOR pomagają w analizie badań in vivo, in vitro i klinicznych. Podczas gdy głównym efektem downstream aktywacji mTOR jest anaboliczna produkcja energii (z inhibitorami przesuwającymi się do katabolicznej produkcji energii z tłuszczu), innym znaczącym efektem downstream aktywacji mTOR jest zwiększony stan zapalny. Ogólnie rzecz biorąc, ludzie żyjący w zachodnim świecie żyją w stanie nadmiernego stanu zapalnego. Ograniczony czas karmienia (TRF) okazał się pomóc odpowiedź immunologiczną, zmniejszając ogólnoustrojowe zapalenie niskiego stopnia i związanych z wiekiem chorób przewlekłych związanych z immunosenescencji, bez uszczerbku dla wydajności mięśni . Zmniejszony stan zapalny obserwowany u osób ograniczonych kalorycznie jest częściowo spowodowany wzrostem autofagii z CR (patrz poniżej). Wykazano, że szlak mTOR wyzwala rozwój limfocytów T, limfocytów B i komórek prezentujących antygen (APC). Rzeczywiście resweratrol (występujący w roślinach takich jak winogrona, czerwone wino, morwa i orzeszki ziemne) został opisany jako środek przeciwzapalny o szerokim spektrum działania, który łagodzi nadmierną aktywację komórek mikrogleju poprzez hamowanie mTOR. Resweratrol hamując NF-κB powoduje wzrost dysmutazy ponadtlenkowej (SOD) i powoduje zmniejszenie cytokin prozapalnych IL-1β, IL-6, i TNF-α .

Analiza genomu będzie prawdopodobnie potrzebna do wyjaśnienia korzystnych molekularnych przyczyn poziomu ograniczenia kalorycznego. Na przykład, Dato i wsp. przeanalizowali ostatnio oparte na ścieżkach interakcje SNP-SNP 3 ścieżek: sygnalizacji insuliny/insulinopodobnego czynnika wzrostu (IIS), naprawy DNA i pro/antyoksydantów. Synergistyczny wpływ na długowieczność wykazano w kombinacji genów receptora sekretagogicznego hormonu wzrostu (GHSR) i nukleazy naprawy podwójnej nici DNA MRE11 homolog (MRE11A), które są zaangażowane w sygnalizację IIS. TP53 miał również synergistyczne działanie z ERCC Excision Repair 2 (ERCC2) lub reduktazą tioredoksyny 1 (TXNRD1). Wyniki te podkreśliły centralną rolę TP53 w aktywacji szlaków naprawy DNA i pro-antyoksydacyjnych .