Wo und wie im mTOR-Signalweg bekämpfen Inhibitoren das Altern: Rapamycin, Resveratrol und Metformin

2.1. Anabole vs. katabole Energieproduktion

AMPK ist einer der primären, gattungsübergreifend konservierten Stoffwechseldetektoren, der durch Bedingungen aktiviert wird, die ein niedriges ATP:ADP-Verhältnis verursachen, wie Hypoglykämie und Hypoxie. Die Phosphorylierung von wahrscheinlich über 1000 Targets durch AMPK schaltet anabole (energieverbrauchende) und katabole (energieerzeugende) Stoffwechselwege ab. Eines der AMPK-Ziele für die Phosphorylierung ist der Peroxisom-Proliferator-aktivierte Rezeptor-Gamma-Coaktivator-1 alpha (PGC-1α), der aktiv wird, was zu einer erhöhten Mitochondrien-Biogenese, einem erhöhten Membranpotenzial und einer erhöhten Fettsäureoxidation führt, ein wiederkehrendes Merkmal, das während einer kalorischen Restriktion gefunden wird. AMPK aktiviert auch Forkhead-Transkriptionsfaktoren der O-Klasse (FOXO), was zu erhöhter Autophagie und Antioxidantien führt, die beide zu erhöhtem oxidativem Stoffwechsel führen, wie PGC-1α es tut.

Im Fall von lebensverlängernden Interventionen wird die Dosierung sehr wichtig. Zu viel des Guten kann definitiv schlecht sein (z. B. Krebs), und die molekularen Mechanismen, die die Langlebigkeit beeinflussen, werden gerade aufgeklärt. Bei Caenorhabditis elegans zum Beispiel verzögert Metformin die Entwicklung unter wohlgenährten Bedingungen und reduziert sogar die Lebensspanne während des Hungerns. Die verbesserte mitochondriale Funktion, verringert den benötigten Sauerstoffverbrauch, was zu einer vorteilhaften Verringerung der reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) führt . Die mitochondriale Biogenese wird je nach Gewebe und Krankheitszustand unterschiedlich gesteuert. Zum Beispiel wurde festgestellt, dass die mTOR-Signalisierung die Expression von mitochondrialen Genen, die am oxidativen Stoffwechsel beteiligt sind, durch PGC-1α und Ying-Yang 1 (YY1) erhöht. Dies erhöhte die mitochondriale Biogenese im Muskel gesunder Personen, aber nicht bei fettleibigen Personen, vielleicht aufgrund einer verminderten Insulinsensitivität . Die mTORC1-Aktivität ist nicht nur zellspezifisch, sondern auch konzentrationsabhängig und wird durch niedrige bzw. hohe ROS-Konzentrationen induziert und gehemmt. Diese Konzentrationsabhängigkeit von mTOR ist vorteilhaft, da es als Drehscheibe für voneinander abhängige Signalwege fungiert, wie z. B. mTORs Fähigkeit, sowohl die mitochondriale Biogenese zu modifizieren als auch die Autophagie zu erhöhen (die hilft, beschädigte Mitochondrien und andere Organellen abzubauen). In der Hefe (Saccharomyces cerevisiae) wurden zwei Modelle des Alterns etabliert: die replikative Lebensspanne (RLS) und die chronologische Lebensspanne (CLS). RLS misst die Anzahl der asymmetrischen mitotischen Teilungen, die eine Zelle durchlaufen kann, bevor der Zellzyklus arretiert wird und ist ein wertvolles Modell für Fibroblasten, Lymphozyten oder Stammzellen beim Menschen . CLS hingegen misst, wie lange stationäre (Go) Kulturen lebensfähig bleiben und ist ein Modell für postmitotische Zellen wie Neuronen oder Muskelzellen . Eine organspezifische Analyse menschlicher In-vivo-Studien ist zwar schwierig, würde aber helfen, CR-Mimiken an und vor mTOR aufzuklären.

Metformin ist eine dritte lebensverlängernde Verbindung, die es wert ist, Rapamycin und Resveratrol gegenübergestellt zu werden, weil sie den mitochondrialen Atmungskettenkomplex I hemmt, was zu einem verringerten ATP:ADP führt, was AMPK aktiviert . Darüber hinaus hat Metformin viele Humandaten, da es ein gängiges orales Antidiabetikum ist, das bei übergewichtigen Menschen mit Diabetes mellitus Typ 2 (T2DM) eingesetzt wird. Metformin hemmt die hepatische Glukoseproduktion, reduziert die Insulinresistenz und wurde kürzlich als Anti-Aging-Therapeutikum untersucht. Metformin wird derzeit für den Einsatz bei verschiedenen Krebsarten untersucht; allerdings wurde Metformin auch mit der Entwicklung einiger solider Tumore beim Menschen in Verbindung gebracht, nämlich Dickdarm-, Brust- und Bauchspeicheldrüsenkrebs . Der mitochondriale Komplex I wird durch Metformin eindeutig gehemmt, was zur AMPK-abhängigen Aktivierung von TSC2 führt, das mTOR hemmt. AMPK kann auch direkt den mTORC1-Komplex über die Phosphorylierung seiner Untereinheit Raptor inaktivieren. Es wurde jedoch auch gezeigt, dass Metformin auf eine AMPK-unabhängige Art und Weise wirken kann, obwohl dieser Mechanismus weniger klar ist, aber er könnte Interaktionen mit dem Kernporenkomplex (NPC) oder späten Endosomen beinhalten, die dokumentiert wurden. Die NPC-Interaktion wurde gefunden, als bei C. elegansortholog of acyl-CoA dehydrogenase family member 10 (CeACAD10) knockdown eine 3-fache Resistenz gegen Metformin festgestellt wurde. Die CeACAD10-Expression wurde durch 50 mM Metformin mehr als verdoppelt, und ein unvoreingenommener, vorwärtsgerichteter genetischer Screen ergab, dass der Kernporenkomplex erforderlich ist, damit Metformin CeACAD10 induzieren kann. Dieser molekulare Pfad ist derzeit einzigartig für Metformin, verglichen mit Resveratrol oder Rapamycin, und während für Metformin mehrere Targets gefunden wurden, überschneiden sich einige Pfade zwischen diesen drei Molekülen, was ein robusteres Verständnis der möglichen kalorischen Restriktionen von Lebensverlängerungsmechanismen ermöglicht. Es hat sich gezeigt, dass nicht nur mTORC1, sondern auch das vorgeschaltete AMPK für die positiven Effekte aller drei Moleküle Rapamycin , Resveratrol und Metformin erforderlich ist. Der molekulare Weg von Metformin ist auch stromaufwärts von AMPK aufgeklärt worden. Metformin interagiert mit organellen Na1/H1-Austauschern (eNHE) und der V-Typ-ATPase (V-ATPase), was die Idee unterstützt, dass das späte Endosom/Lysosom, das sowohl vom AMPK- als auch vom mTOR-Weg benötigt wird, als Signalknotenpunkt für den Stoffwechsel fungiert.

Während grobe Metriken wie das Gewicht oft in Studien berichtet werden und nützlich sind, um sie zu verfolgen, reichen sie nicht aus, um das Alterungsphänomen zu untersuchen. Zum Beispiel wurde festgestellt, dass Mäuse, denen Resveratrol verabreicht wurde, nicht an Gewicht verlieren . Das Ausmaß, in dem Resveratrol die kalorische Restriktion (CR) nachahmt, wurde auf molekularer Ebene bei Mäusen mit Veränderungen in der Genexpression gezeigt, die sich im Fettgewebe, Skelettmuskel, Herz, Leber und Neokortex überschneiden. Interessanterweise verlangsamten sowohl Resveratrol als auch CR den altersbedingten Rückgang der Organfunktionen, was zeigt, dass der Nutzen von Resveratrol nicht von der Gewichtsabnahme abhängig war. Die andere Seite der kalorischen Medaille, die häufig unabhängig von CR untersucht wird, ist das trainingsinduzierte kalorische Defizit. Im Allgemeinen hat CR robustere lebensverlängernde Eigenschaften als ein trainingsinduziertes kalorisches Defizit. Es ist klar, dass es für moderne Menschen extrem schwierig ist, sich in das gleiche Kaloriendefizit zu trainieren, das durch CR erreicht werden kann. Kurz gesagt, es ist schwieriger, eine Fast-Food-Mahlzeit zu verdrücken, als die Mahlzeit gar nicht erst einzunehmen. Bei Nagetieren wurde gezeigt, dass eine erhöhte Aktivität, um ein relatives Energiedefizit von 30% zu erreichen, nicht die maximale Lebensspanne verlängert, aber die durchschnittliche Lebensspanne erhöht. Die Fähigkeit von Resveratrol, die Lebensspanne zu verlängern, variierte erheblich zwischen den Studien, betrug aber ungefähr 40 % bei Hefe, 15 % bei Würmern, 30 % bei Fischen und 10 % bei Mäusen.

Es gibt zwei mTOR-Mehreinheiten-Proteinkomplexe, von denen gezeigt wurde, dass sie unterschiedlich reguliert werden. Der mTOR-Komplex 1 (mTORC1) und der mTOR-Komplex 2 (mTORC2) teilen sich die Proteinkomponenten DEP domain containing mTOR-interacting protein (DEPTOR), mammalian lethal with sec-13 protein 8 (mLST8, auch bekannt als GβL), telomere maintenance 2 (telO2) und telO2-Interacting Protein 1 (tti1) (hellblau dargestellt in Abbildung 2). mTORC1 hat drei Kernkomponenten: mTOR, regulatorisch-assoziiertes Protein von mTOR (Raptor) und mammalian lethal with sec-13 protein 8 (mLST8). Die Kernkomponenten des mTOR-Komplexes 2 (mTORC2) teilen sich mTOR, mLST8, umfassen aber auch den Rapamycin-insensitiven Begleiter von TOR (Rictor) und das mammalian stress-activated map kinase-interacting protein 1 (mSIN1) (Abbildung 2) . mTORC1 wird durch Nährstoffe und Wachstumsfaktoren aktiviert, während es in energiearmen Zellzuständen gehemmt wird. Eine bekannte Komplexität des mTOR-Wegs ist die unterschiedliche Reaktion auf Inhibitoren, nicht nur von mTORC1 und mTORC2, sondern auch von Gewebe. mTORC1 wird universell durch Rapamycin gehemmt, während mTORC2 eine Langzeitexposition benötigt, um durch Rapamycin gehemmt zu werden, was weiterhin untersucht wird. Es ist bekannt, dass DEPTOR mTORC1 teilweise hemmt, aber in Verbindung mit AKT-Serin/Threonin-Kinase 1 (AKT)-Inhibitoren kann es sowohl zu einer Abnahme der Lipogenese als auch der Entzündung führen. Eine Kombinationstherapie kann bei der Ausrichtung auf mTORC1 notwendig sein, um die gewünschten Effekte zu erzielen.

Während mehrere Targets stromaufwärts von mTOR weiterhin untersucht werden, helfen gut beschriebene nachgeschaltete Aktionen von mTOR bei der Analyse von in vivo, in vitro und klinischen Studien. Während der wichtigste Downstream-Effekt der mTOR-Aktivierung die anabole Energieproduktion ist (wobei Inhibitoren die katabole Energieproduktion aus Fett verschieben), ist ein weiterer signifikanter Downstream-Effekt der mTOR-Aktivierung eine erhöhte Entzündung. Im Allgemeinen leben die Menschen in der westlichen Welt in einem Zustand der übermäßigen Entzündung. Es wurde festgestellt, dass eine zeitlich begrenzte Ernährung (TRF) die Immunantwort unterstützt, indem sie systemische Low-Grade-Entzündungen und altersbedingte chronische Krankheiten, die mit Immunoseneszenz verbunden sind, reduziert, ohne die Muskelleistung zu beeinträchtigen . Die reduzierte Entzündung, die bei kalorisch eingeschränkten Personen beobachtet wird, ist teilweise auf eine Erhöhung der Autophagie durch CR zurückzuführen (siehe unten). Es wurde gezeigt, dass der mTOR-Signalweg die Entwicklung von T-Zellen, B-Zellen und Antigen-präsentierenden Zellen (APC) auslöst. In der Tat wurde Resveratrol (das in Pflanzen wie Trauben, Rotwein, Maulbeeren und Erdnüssen vorkommt) als entzündungshemmend mit breitem Wirkungsspektrum beschrieben, das die Überaktivierung von Mikrogliazellen durch mTOR-Hemmung abschwächt . Resveratrol-Hemmung von NF-κB verursacht einen Anstieg der Superoxid-Dismutase (SOD) und führt zu verminderten proinflammatorischen Zytokinen IL-1β, IL-6 und TNF-α.

Genomweite Analysen werden wahrscheinlich notwendig sein, um die vorteilhaften molekularen Ursachen der kalorischen Restriktion zu klären. Zum Beispiel analysierten Dato et al. kürzlich Pfad-basierte SNP-SNP-Interaktionen von 3 Pfaden: die Insulin/Insulin-ähnliche Wachstumsfaktor-Signalisierung (IIS), DNA-Reparatur und Pro/Antioxidantien. Synergistische Effekte auf die Langlebigkeit wurden in der Kombination der Gene für den Wachstumshormon-Sekretagog-Rezeptor (GHSR) und die Doppelstrangbruch-Reparatur-Nuklease MRE11 homolog (MRE11A) gefunden, die an der IIS-Signalisierung beteiligt sind. TP53 hatte auch synergistische Effekte mit entweder ERCC Excision Repair 2 (ERCC2) oder Thioredoxin-Reduktase 1 (TXNRD1). Diese Ergebnisse unterstrichen die zentrale Rolle von TP53 bei der Aktivierung von DNA-Reparatur- und pro-antioxidativen Signalwegen.