STÁRNUTÍ MUDr. Jan Pláteník, PhD Ústav lékařské biochemie a laboratorní diagnostiky 1.LF UK
Co je to stárnutí • Pokles vitality s věkem, vzestup náchylnosti k různým chorobám • Není chorobou samo o sobě
• Rozlišovat: – Průměrná délka života (naděje dožití): • 2000: muži 71,65 roku, ženy 78,35 roku • 1920: muži 47 let, ženy 49,6 roku
– Maximální délka života: • U člověka cca 115-120 let, nemění se
1
Co je to stárnutí • U různých živočichů vypadá stejně, ale probíhá různě rychle … musí být univerzální děj • Stochastický proces, na rozdíl např. od embryogenese není přímo programováno genomem (I když geny hrají roli!) • Na molekulární úrovni: neschopnost obnovovat správnou strukturu biomolekul neomezeně dlouho „systemic molecular disorder“ (Hayflick)
Co je to stárnutí • Biologické postranní reakce … spontánní, stále probíhající, neenzymatické, exergonické procesy…př. oxidace, glykace • → Poškození biomolekul, např.: – DNA: mutace, narušení rozmístění metylací – Proteiny: oxidace, glykace, zesíťování/agregace
• Ne každé poškození může být opraveno • Od určitého bodu je proces urychlen stresovou odpovědí organismu Stručně: ENTROPIE ↑↑↑
2
Radikálová teorie stárnutí Nahromadění oxidačního poškození s věkem je příčinou stárnutí Dr. Denham Harman, 1956
┼ 25.11.2014 http://www.newswise.com/articles/dr-denham-harman-legendary-scientist-dies-at-age-98
Reaktivní formy kyslíku v organismu: Jednoelektronovou redukcí kyslíku (mitochondrie, NADPH oxidasa) vzniká superoxid O2·– Dismutace superoxidu produkuje peroxid vodíku: O2·– + O2·– + 2 H+ → O2 + H2O2 Fentonova reakce s Fe nebo Cu vytvoří z peroxidu hydroxylový radikál: H2O2 + Fe2+ → OH– + OH· + Fe3+
Ionizační záření: Hydroxylový radikál vzniká ionizací vody: H2O + hν → H· + OH·
3
Mitochondriální genom
Mitochondriální DNA mutuje 10x rychleji než jaderná Expozice kyslíkovým radikálům ? MitoDNA není obalena histony Méně dokonalý systém opravy mitoDNA
Bludný kruh oxidačního poškození mitochondrií Tvorba kyslíkových radikálů v mitochondriích
Nahromadění mutací v mtDNA s věkem
Porucha funkce respiračních komplexů
Srdeční selhání, svalová slabost, diabetes mellitus, demence, neurodegenerace ....
4
Radikálová/mitochondriální teorie stárnutí • Hromadění oxidačního poškození s věkem (Denham Harman, 1956) • Později formulována mitochondriální teorie • …mitochondrie jsou hlavní zdroj ROS v organismu • Ale: nedaří se jednoznačně prokázat, že mito DNA je více poškozována ROS, ani že dramaticky hromadí mutace s věkem • Model dle Kirkwooda a Kovalda: – Určité množství ROS uniká z mitochondrií a poškozuje ostatní buněčné struktury – Prevence tvorby ROS a systémy opravující poškození nejsou nikdy 100 % účinné – Mírně poškozené mitochondrie produkují méně energie, než buňka potřebuje
Důkazy pro radikálovou/mitochondriální teorii stárnutí:
Life-time Energy Potential • Drosophila: délka života závisí na teplotě (vyšší t … vyšší spotřeba O2 … kratší život) • U většiny savců je délka života dána určitou sumou srdečních tepů/spotřebou O2 : – Kůň: 0,2 L O2 na kg a hodinu, žije max. 35 let → 60 000 L O2 /kg za život – Veverka: 1 L O2 na kg a hodinu, žije max. 7 let → 60 000 L O2 /kg za život (též známo jako „rate-of-living theory“ – nyní jako teorie stárnutí odmítáno kvůli četným výjimkám)
5
Glykace proteinů/Karbonylový stres
Maillardova reakce (podle Janebová a kol., Remedia 1999).
Reaktivní karbonyly (aldehydy) z lipoperoxidace:
Methylglyoxal: Toxic byproduct of glycolysis Source of AGEs (advanced glycation end products)
Arg Arg + Protein Methylglyoxal
(Glyoxalase 1, 2, GSH)
AGE AGE
Protein
6
Glyoxalasa 1 prodlužuje život červu C. elegans Morcos M et al. Aging Cell 2008; 7: 260-269
• • • • •
Glyoxalasa 1 odstraňuje methylglyoxal Její exprese u C. elegans klesá s věkem Uměle zvýšená exprese prodlužuje život Snížení exprese život zkracuje Mechanismus: modifikace mitochondriálních proteinů methylglyoxalem zvyšuje produkci ROS respiračním komplexem III
Jak se buňky zbavují nepotřebných proteinů a organel • Kalpainy, proteasom (proteiny s krátkým poločasem) • Autofagie (proteiny s dlouhým poločasem, organely): – Makroautofagie (celé organely) – Mikroautofagie (makromolekuly, malé organely) – Chaperony zprostředkovaná autofagie (KFERQ proteiny)
Obr.: http://cpmcnet.columbia.edu/dept/gsas/anatomy/Faculty/Kessin/autophagy.html
7
Stárnutí jako katabolické selhání Nekompletní degradace v lysosomech, uvolnění Fe z mito, ROS, lipoperoxidace, cross-linking, agregace a polymerace zoxidovaných proteinů a lipidů
+ ↑ LIPOFUSCIN (v lysosomech) V cytosolu defektní mito a proteinové agregáty
Deficit hydroláz dodávaných do defektních lysosomů Poškozené a hypertrofované (obří) mito nelze odbourat Méně ATP, více ROS, poškozené mito a lysosomy mohou iniciovat apoptosu.. Obr.: http://www.uni-mainz.de/FB/Medizin/Anatomie/workshop/EM/EMtLyso.html
Antioxidační ochrana V
Stresová reakce Oxidace nebo nitrosylace kritických -SH skupin
Transkripční faktory (NFκB, Nrf-2…): aktivace, translokace do jádra
Indukce genové exprese: • chaperony (heat shock proteiny) •enzymy antioxidační ochrany …→ vyšší odolnost vůči dalšímu •metalothionein oxidačnímu stresu •hemoxygenasa 1 …→ propagace zánětu
8
Stresová reakce se ve stáří stává chronickou
Nick Lane: Oxygen. The Molecule that made the World. Oxford University Press 2002
Hayflickův limit • Lidské fibroblasty v kultuře se dělí maximálně 50-70x, pak stárnou a hynou • Platí pro všechny somatické buňky, ale ne pro nádorové buňky • U buněk ze starých osob je počet dělení menší
© 1998 GARLAND PUBLISHING
9
Telomerasa
Telomerasa není klíč k věčnému mládí ! • Většina buněk lidského těla telomerasu nepotřebuje (dělí se málo nebo vůbec) • Kmenové, germinální a aktivované imunitní buňky telomerasu mají • Fibroblasty a epiteliální buňky nikdy Hayflickova limitu nedosáhnou • Myší somatické buňky telomerasu mají, přesto žije myš kratší dobu než člověk • K.O. myšího genu pro telomerasu: předčasné stárnutí až po několika generacích, výskyt lidských epiteliálních nádorů (karcinomů)
10
Co potřebuje buňka k nesmrtelnosti • Dělení (mj. se ředí neodbouratelné proteiny) nebo spánek v hypoxickém prostředí • Telomerasu • Žádné anebo vypnuté mitochondrie … Nejvíce stárnou specializované postmitotické buňky nervové, srdečního a kosterního svalu … Asi konečný limit trvání našich těl
Je stárnutí nevyhnutelné ?
Nezmar (Hydra) • Jednoduchý tělesný plán, rychlá a úplná obnova všech somatických buněk z kmenových buněk • Rozptýlená nervová soustava, žádný mozek ani sval • Rozmnožování převážně nepohlavní (pučením) • Žádné známky stárnutí I kdybychom dokázali totéž uměle (kmenové buňky), náhrada buněk v CNS musí vést ke ztrátě paměti… Obr.: http://www.geol.umd.edu/~tholtz/G331/lectures/331coral.html
11
Evoluce stárnutí
Disposable soma theory (tělo na vyhození) • Bakterie: nestárnou za cenu vysoké mortality • Vyšší organismy: – Specializace GAMETY: haploidní (filtr genetických defektů), obrovská redundance a velká selekce, DNA pro další generace.
SOMA: diploidní, trvalejší struktura, která se ale opotřebovává, DNA není určena pro další generace.
12
Disposable soma theory: Jak dlouho má tělo vydržet ? • V přírodě se většina živočichů stárnutí nedožije – selekční stín pro mutace s negativním vlivem v pozdních fázích života
• V přírodním výběru je rozhodující úspěch v reprodukci ! – … geny prodlužující post-reprodukční období nejsou k ničemu
• Omezené množství metabolické energie se musí dělit mezi údržbu těla a reprodukci (trade-off)
(T.B.L.Kirkwood & S.N. Austad, Nature 408 (2000), 233-238)
Katastrofické stárnutí: Tichomořský losos
http://www.usgs.gov/features/lewisandclark/ChildrenWebSites.html
13
Živočichové, kteří žijí déle než by měli: Výjimky ze vztahu délka života – spotřeba kyslíku
• Krunýř
• Křídla
• Vyspělý mozek Obr.: http://www.discovergalapagos.com/tortoise.html http://www.ctrl-c.liu.se/ftp/images/animals/misc/*.* http://www.african-safari-pictures.com
Ptáci žijí relativně déle než stejně velcí savci, protože mají lepší mitochondrie
• KRYSA: žije max. 3.5 roku • HOLUB: žije 35 let – Intenzita metabolismu srovnatelná s krysou – Mitochondriální produkce ROS ve vztahu ke spotřebě O2 asi 10x menší Obr.: http://www.flickr.com/photos/firefalcon/143470921/
14
Důkazy pro ‚trade-off‘ mezi délkou života a plodností • V laboratoři lze vyselektovat Drosophily žijící 2x déle asi po 10 generacích: – Asociováno s pozdější reprodukcí, celkový počet potomstva stejný • Genealogické studie britské aristokracie: – Ti, kteří žili nejdéle, měli zároveň největší problémy s plodností
Teorie antagonistické pleiotropie • Geny poskytující výhodu v reprodukci, ale poškozující nositele později (T.B.L.Kirkwood & S.N. Austad, Nature
• Příklady u lidí: – Huntingtonova chorea – Hemochromatosa
408 (2000), 233-238)
15
V mládí dobrá obrana proti infekci Chronický zánět/oxidační stres ve stáří ?
Nick Lane: Oxygen. The Molecule that made the World. Oxford University Press 2002
Antioxidanty jako elixíry mládí ? • Vitamín E (tokoferol) • Vitamín C (askorbát) • β-karoten • Selen
Obr.: http://www.osel.cz
16
Volné radikály v patogenesi lidských onemocnění • Příčina chorobného stavu, např.: • cancerogenese v důsledku expozice ionizačnímu záření • retinopatie novorozenců (fibroplasia retrolentalis)
• Významný podíl na patogenesi, např.: • • • • • • • • •
aterosclerosa diabetes mellitus hypertenze některé typy rakoviny mozkové trauma/hemoragie ischemicko-reperfusní poškození srdce a jiných orgánů Parkinsonova nemoc Alzheimerova nemoc stárnutí
• Jen epifenomenon (obecný důsledek tkáňového poškození)
Antioxidační potravní doplňky mohou dokonce škodit ! • Recentní meta-analýza celkové mortality v 68 studiích s podáváním antioxidačních potravních doplňků (232 606 účastníků, 385 publikací): – β-karoten, vitamín A a vitamín E signifikantně zvyšují mortalitu – Vitamín C a selen nemají vliv (Bjelakovic G et al., JAMA 2007; 297: 842-857)
17
Proč antioxidanty nepomáhají nebo dokonce škodí ??? • Ve vyšších dávkách už nedělají nic • Působí tam kde nemají – Inhibice stresové reakce – Brání boji proti infekci, nádorovým buňkám, oprávněné apoptose ?
• Mají i jiné účinky než antioxidační – tokoferoly: protizánětlivé – β-karoten: ko-karcinogen (dohromady s kouřením nebo environmenálními toxiny)
Kalorická restrikce prodlužuje život • Omezení množství potravy při zachování její biologické kvality • Funguje i u teplokrevných živočichů (myš, makak rhesus) s konstantní intenzitou metabolismu – Myš žije 28 měsíců, ale omezení potravy na 25% jí prodlouží život na 47 měsíců
• Skutečně prodlužuje maximální délku života, snižuje oxidační stres, výskyt nádorů a zpomaluje stárnutí
18
Kalorická restrikce prodlužuje život • Organismus „přečkávající“ nepříznivé období věnuje více metabolické energie na údržbu. • Mechanismus: – Určité potlačení signalizace IGF-I (somatomedin C) a inzulínu – Sirtuiny – enzymy deacetylující histony, p53 apod., inhibované NADH
• Funguje i u lidí? … probíhající studie CALERIE (Comprehensive Assessment of Long-term Effects of Reducing Intake of Energy)
Přiměřená fyzická aktivita prospívá svalovým mitochondriím • Potřeba energie stimuluje biogenesi a obnovu svalových mitochondrií • Přiměřená dávka (např. oxidačního) stresu zvyšuje odolnost vůči dalšímu stresu – (…co tě nezabije, to tě posílí…) – Mechanismus: např. indukce exprese heat shock proteinů (chaperonů)… stresová reakce
• Příklad: produkce ROS ve svalové tkáni při fyzické aktivitě … přesto prospěšné Obdobně mentální aktivita pomáhá obnovovat mozkové mitochondrie ?
19
? http://www.calpoly.edu/~lcimarel/know.htm
Dieta bohatá na ovoce a zeleninu (optim. 5x 80 g denně) je spojena s nižším rizikem kardiovaskulárních chorob, diabetu a některých typů rakoviny (plíce, ústa/hltan) (ale nevíme proč)
Závěr? • Nesmrtelnost ani věčné mládí nejsou na dosah. Stárnutí je zřejmě nevyhnutelným důsledkem aerobního metabolismu mitochondrií postmitotických tkání • Rychlost stárnutí ale asi ovlivnit lze – Kalorická restrikce může zvýšit maximální délku života – Fyzická aktivita a vyvážená dieta pomáhají se této maximální délce života přiblížit • Budoucnost ? – Imunomodulace, mitochondriální antioxidanty, látky aktivující sirtuiny, kmenové buňky, modulace autofagie…
20
