Rapalogs og MTOR-hæmmere som anti-aldringsterapi

Rapamycin, en hæmmer af det mekanistiske mål for rapamycin (mTOR), har den stærkeste eksperimentelle støtte til dato som enpotentielt anti-aging terapeutisk middelhos pattedyr. I modsætning til mange andre forbindelser, der er blevet hævdet at påvirke levetiden, er rapamycin gentagne gange blevet testet i langlivede, genetisk heterogene mus, hvor det forlænger både middel og maksimal levetid. Den mekanisme, der forklarer disse virkninger, er dog langt fra klar, og en voksende liste over bivirkninger gør det tvivlsomt, om rapamycin i sidste ende ville være gavnligt hos mennesker. Denne anmeldelse diskuterer mulighederne for at udvikle nyere, sikrereanti-aging terapierbaseret på analoger af rapamycin (kaldet rapalogs) eller andre tilgange rettet mod mTOR-signalering.

Klik her for at få flere oplysninger om Cistanche for anti-aging behandling

En kort historie om rapamycin og mekanistisk mål for rapamycin Rapamycin blev opdaget i jorden på Påskeøen som en forbindelse produceret af Streptomyces hygroscopicus, der var i stand til at hæmme spredningen af ​​gæren Candida albicans, men som ikke påvirkede væksten af ​​bakterier (1). Hos pattedyr blev rapamycin fundet at hæmme immunresponset og blev efterfølgende vedtaget som en standardterapi for at forhindre transplantatafstødning hos transplanterede modtagere og til at behandle autoimmune lidelser (2, 3). Rapamycin hæmmer også bredt væksten og spredningen af ​​pattedyrsceller, hvilket ansporer nyere interesse for dets anvendelse som cancerterapi (4). Mekanistisk binder rapamycin FKBP12, et immunofilin med prolylisomeraseaktivitet. To yderligere proteiner, der er nødvendige for dets virkninger i gær, blev identificeret i en genetisk screening i 1991 og betegnet som mål for rapamycin 1 (TOR1) og TOR2 (5). I løbet af 1994 og 1995 isolerede tre separate grupper en 289-kDa-kinase, der er bundet og inhiberet af rapamycin-FKBP12-komplekset i pattedyrsceller (6-8). Denne kinase er nu kendt som det mekanistiske mål for rapamycin (mTOR) og er ca. 40 procent homolog med Saccharomyces cerevisiae TOR-proteiner og meget konserveret blandt eukaryoter. mTOR findes i to komplekser, der har forskellige funktioner og forskellig følsomhed over for virkningen af ​​rapamycin. mTOR-kompleks 1 (mTORC1; bestående af mTOR, raptor, mLST8/GL, PRAS40, DEPTOR) spiller en nøglerolle i reguleringen af ​​translation og cellevækst via phosphorylering af substrater, der inkluderer S6-kinase (S6K) og eukaryotisk initieringsfaktor eIF4E-bindende protein (4E-BP), og hæmmes kraftigt af rapamycin. I modsætning hertil regulerer mTORC2 (bestående af mTOR, Rictor, mLST8/GL, mSIN1, protor, DEPTOR) et mangfoldigt sæt af substrater, herunder AKT S473, serum/glucocorticoid reguleret kinase og PKC-, og er akut resistent over for rapamycin, selvom det kan blive fysisk forstyrret under kronisk eksponering. mTORC'er modtager input gennem en lang række signalmekanismer og har roller i mange aspekter af fysiologi, som er blevet gennemgået i dybden (9). Kort fortalt reagerer mTORC1 på signaler, der inkluderer aminosyrer, glucose, WNT-ligander, oxygen, cAMP og insulin/IGF-1. Reguleringen af ​​mTORC2-aktivitet er mindre klar, men kan involvere interaktion med ribosomer (10). Insulin/IGF-1-signalering til mTORC1 medieres delvist af mTORC2 via AKT-phosphorylering. Til gengæld feeds mTORC1-aktivering tilbage for at dæmpe insulin/IGF-1-signalering via S6K1 og GRB10 (figur 1 og ref. 11).

Forbindelse af mTOR-signalering til alder En rolle for TOR-signalering i aldring blev først afsløret i 2003, da Vellai og kolleger viste, at RNAi mod let-363/CeTor betydeligt forlængede levetiden for Caenorhabditis elegans og fungerede uafhængigt af daf{{2} }, en FOXO-homolog, der tidligere havde vist sig at påvirke levetiden (12). Dette blev hurtigt efterfulgt af demonstrationen af, at genetisk hæmning af TOR-signalering forlænger levetiden i Drosophila melanogaster og den spirende gær S. cerevisiae (13, 14). Genetisk hæmning af mTOR-signalering hos pattedyr er en delikat sag, da mTOR-proteinkinase, raptor, rictor og mLST8 alle er essentielle for udvikling (15). For nylig påviste vi, at hun Mtor plus /–Mlst8 plus /– mus har reduceret mTORC1 aktivitet og øget levetid, svarende til fænotypen rapporteret af Sel man og kolleger for mus, der mangler S6K1, et af de vigtigste substrater for mTORC1 (16, 17) ). Derfor ser forbindelsen mellem mTOR-signalering og levetid ud til at være bevaret fra gær til pattedyr (tabel 1).

Effekter af Rapamycin på lang levetid

Rapamycin forlænger levetiden hos gær, orme og fluer (tabel 2 og ref. 18-21). I 2009 blev rapamycin vist at forlænge både den gennemsnitlige og maksimale levetid for genetisk heterogene han- og hunmus (afkom af en fire-vejs krydsning mellem langlivede, indavlede stammer) (22). Bemærkelsesværdigt er det, at behandlingen ikke blev indledt, før musene havde nået en fremskreden alder (20 måneder), omtrent svarende til en menneskealder på 60 år. I en opfølgende undersøgelse, der begyndte ved 9 måneders alderen, forlængede rapamycin den gennemsnitlige levetid hos mænd og kvinder med henholdsvis 10 procent og 18 procent og den maksimale levetid med 16 procent og 13 procent (23). Rapamycin blev mikroindkapslet i en enterisk coating, der muliggjorde levering i maden under disse undersøgelser, og det opnåede blodniveau var cirka tre gange højere end det typiske terapeutiske område for immunsuppression hos mennesker (24).

Figur 1 mTOR-signalering. mTOR findes i to komplekser, mTORC1 og mTORC2. mTORC1 reguleres delvist via TSC-komplekset, som normalt fungerer som et GTPase-aktiverende protein for Rheb til at undertrykke mTORC1-signalering. mTORC1 er også reguleret af aminosyrer via den Ras-relaterede GTP-binding (Rag) familie af små GTPaser. Rag-proteinerne aktiverer mTORC1 ved at lokalisere mTORC1 til lysosomet via interaktion med regulatorkomplekset (110). mTORC1 fremmer vækst ved at forbedre ribosomal biogenese, translation og andre anabolske processer, mens autofagi hæmmes. mTORC1 undertrykker insulin/IGF-1-signalering via direkte regulering af Grb10 og S6K, som efterfølgende reducerer signalering til mTORC2. AKT, en inhibitor af TSC1/2, er et af flere direkte substrater af mTORC2. Processer, der opreguleres af mTOR-signalering, er vist med rødt; dem, der er nedreguleret af mTOR-signalering, er vist med blåt.

Andre undersøgelser har også fundet en positiv effekt af rapamycin på levetiden. Chen et al. fandt, at rapamycinnedsatte dødeligheden hos ældre mændC57BL/6 mus (25). Anisimov et al. viste, at rapamycin forlænger den maksimale levetid (gennemsnitlig levetid for de sidste 10 procent overlevende) i en kortvarig, tumortilbøjelig musestamme (FVB/N HER-2/neu transgen) (26). Selvom denne undersøgelse giver stærke beviser for, at rapamycin kan være gavnligt i forbindelse med kræft, gør valget af stamme det svært at adskille anticancer-effekter fra aldring i sig selv. Rapamycin forlænger dog også levetiden hos 129/Sv-mus, en indavlet stamme med en mere typisk levetid og tumorforekomst (27). Imponerende nok forblev 22,9 procent af de behandlede mus i live ved det sidste kontroldyrs død.

Tilsammen gør disse observationer rapamycin til den bedst understøttede kandidat til et lægemiddel med lang levetid for pattedyr. Forståelse af dens virkningsmekanisme har potentialet til at give indsigt i arten af ​​den underliggende ældningsproces og kan føre til nye terapeutiske tilgange til at lindre byrden af ​​aldersrelaterede sygdomme. Den mekanisme, der står for anti-aldringseffekterne af rapamycin, er dog endnu ikke klar (tabel 2).

Potentielle mekanismer for forlængelse af levetiden med rapamycin

Anticancer virkninger. Kræft er den mest almindelige dødsårsag for laboratoriemus, og rapamycin er et lægemiddel mod kræft. Derfor er det fortsat muligt, at forlængelse af levetiden med rapamycin er sekundær til tumorundertrykkelse og ikke relateret til den underliggende ældningsproces. Der er flere grunde til, at vi ikke går ind for denne model. For det første blev de indledende eksperimenter, der forbinder rapamycin- og mTOR-hæmning med lang levetid, udført i organismer, der hovedsageligt er postmitotiske (orme og fluer) eller encellede (gær) og derfor ikke oplever kræft. For det andet øger rapamycin den maksimale levetid, hvilket giver støtte til ideen om, at det bremser flere aldersrelaterede patologier. Målretning mod en enkelt sygdom bør ikke øge levetiden væsentligt for de længstlevende individer i en gruppe, da de ældste individer vil være i meget høj risiko for de fleste eller alle dødsårsager, medmindre den underliggende ældningsproces er blevet udskudt. For det tredje har rapamycin vist sig at forsinke flere aldersrelaterede ændringer hos mus, herunder tab af stamcellefunktion (25), kognitiv tilbagegang (28), retinopati (29), akkumulering af subcellulære ændringer i myokardiet, leverdegeneration, endometriehyperplasi , senestivelse og fald i fysisk aktivitet (30). Desuden er rapamycin terapeutisk i gnavermodeller af hjertehypertrofi (31, 32) og neurodegenerative sygdomme (33-35), tilstande, der påvirker aldrende mennesker. Selvom kræftforebyggelse helt klart spiller en stor rolle i overlevelsesfordelene, som rapamycin giver, er det vigtigt at forstå, at kræft er en aldersrelateret sygdom, og at forebyggelse heraf er en forventet konsekvens af enhver behandling, der bremser aldring.

Oversættelse. mTORC1, via S6K og 4E-BP, spiller en central rolle i reguleringen af ​​translation, og det er værd at overveje, om reduceret proteinsyntese i sig selv kan mediere virkningerne af rapamycin på levetiden. For eksempel kan en reduktion af den samlede translationshastighed muliggøre bedre troskab under syntese og/eller lindre stress på de mekanismer, der nedbryder fejlagtige, forkert foldede eller beskadigede proteiner (36). Faktisk har eksperimenter i S. cerevisiae, C. elegans og D. melanogaster vist, at deletion eller siRNA-medieret knockdown af ribosomale underenheder, S6K eller translationsinitieringsfaktorer resulterer i øget levetid, og S6K1-deletion forlænger levetiden hos hunmus, hvorimod 4E-BP-deletion blokerer for de livsforlængende virkninger af kaloriebegrænsning (CR) hos fluer (13, 37-40).

Nylige resultater udfordrer synspunktet om, at oversættelse i sig selv er nøglen til fordelene ved TOR/mTOR-hæmning. Mens hunmus, der mangler S6K1, har forlænget levetid, er der ingen mærkbar effekt på den samlede translation, i det mindste i skeletmuskulaturen (41). Derudover kan de lange levetider for orme, der mangler en vigtig translationsinitieringsfaktor, stadig øges yderligere ved TOR-deletion, hvilket antyder, at forskellige mekanismer er i spil (38). Desuden er levetidsforlængelse på grund af sletning af translationsinitieringsfaktorer afhængig af daf-16, hvorimod levetidsforlængelse ved udtømning af TOR, S6K eller ribosomale underenheder ikke er, hvilket igen peger på involvering af flere forskellige mekanismer (12 , 37). Interessant nok kan reduktion af TOR ved hjælp af RNAi ikke forlænge levetiden for spise-2 mutante orme, en model for CR, på trods af at den i forvejen lave hastighed af proteinsyntese undertrykkes med yderligere 49 procent (37). Desuden er inaktivering af ormehomologen af ​​AMPK tilstrækkelig til at undertrykke forlængelse af levetiden hos dyr, der mangler S6K, tilsyneladende uden at påvirke translation (16). Det er klart, at forholdet mellem oversættelse og levetid er mere komplekst end først antaget

Translation af specifikke mRNA'er kan påvirke levetiden.

Mens fuldstændigt tab af mTOR-funktion har en stor effekt på generel translation, har rapamycin en mere subtil effekt, højst sandsynligt fordi en undergruppe af funktionerne i 4E-BP er rapamycin-resistente (42, 43). Både rapamycin og fuldstændig mTOR-hæmning foretrækker entiel undertrykkelse af translation af mRNA'er med 5'-terminale oligo-pyrimidin-motiver, hvilket tyder på en potentiel rolle for disse gener i lang levetid (43, 44). På trods af faldende overordnet proteinsyntese øger CR i fluer specifikt translationen af ​​en undergruppe af mRNA'er, der har korte og mindre strukturerede 5' UTR'er, herunder nuklear-kodede mitokondrielle gener (40). TOR-substratet 4E-BP er påkrævet til denne effekt og for forlængelse af levetiden. I gær, der mangler ribosomale underenheder eller TOR, kræver fuld levetidsforlængelse øget translation af et specifikt transkript, GCN4 (45). Ekspression af GCN4 er begrænset af flere opstrøms ORF'er, der normalt sekvestrerer ribosomer, der binder til mRNA'et. Under betingelser med nedsat TOR-aktivitet eller stor ribosomal subunit-overflod, omgås opstrøms ORF'erne hyppigere for at initiere translation af GCN4 ORF. Disse eksempler fremhæver finesser i reguleringen af ​​oversættelse, som vi først er begyndt at sætte pris på.

Tabel 2 Effekter af rapamycin på levetiden

Autofagi. En anden effekt af mTOR-hæmning, der er blevet forbundet med lang levetid, er induktionen af ​​autofagi, en proces, hvorved celler genbruger deres proteiner og organeller. Autofagi tillader celler at overleve næringsbegrænsede forhold og er en central mekanisme, hvormed beskadigede komponenter fjernes. Under forhold med næringsstoftilstrækkelighed phosphorylerer mTOR og hæmmer den autofagi-initierende kinase ULK1 (46). Inaktivering af gener involveret i autofagi reducerer levetiden i gær (kronologisk), C. elegans og Drosophila, og fremme af autofagi i fluens nervesystem forlænger levetiden (47-49). Ydermere er autofagi påkrævet for forlængelse med rapamycin af gærkronologiske levetid (47) og for forlængelse af levetid ved CR eller genetisk hæmning af mTOR-signalering i orme (50).

Hos pattedyr ser autofagi også ud til at spille en væsentlig rolle i ældningsprocessen. Mest dramatisk er induktionen af ​​autofagi tilstrækkelig til at forynge leverens histologi og funktion af gamle mus (51). Desuden ser autofagi ud til at være opreguleret i CR-mus og at mediere nogle af de gavnlige virkninger af en CR-diæt på hjertet, leveren og nyrerne (52-54). Celler fra langlivede Snell-dværgmus viser også tegn på øget autofagi (55).Kardiomyocytter isolat fra gamle mus har lavere autofagi og udviser defekter i calciumhåndtering, som begge er korrigeret ved eksponering for rapamycin ex vivo (56). Øget autofagi er dog muligvis ikke altid gavnlig, og kan faktisk bidrage til progeroidmusens pro-aging-fænotype (57).

Interessant nok forbedrer rapamycin nuklear blebbing og for tidlig senescens i celler afledt af patienter med Hutchinson Gilford progeria, et sjældent for tidlig aldringssyndrom (58). Sygdommen skyldes en fejlstavet variant af lamin A, kaldet progerin, der akkumuleres i høj grad hos patienter og også påvises i mindre mængder under normal cellulær aldring (59, 60). Rapamy cin ser ud til at stimulere clearance af progerin fra syge celler via autofagi og kan således også begrænse den normale aldersrelaterede ophobning af progerin. Samlet set vil den passende regulering af autofagi sandsynligvis være en kritisk determinant for sund aldring.

Figur 2 Kronisk rapamycinbehandling forstyrrer mTORC2. (A) In vivo driver næringsstoffer og vækstfaktorer aktiviteten af ​​mTORC1 og mTORC2, som fremmer vækst, aldring og insulinfølsomhed. (B) Akut behandling med rapamycin hæmmer mTORC1-signalering, begrænser vækst og fremmer levetid uden at reducere insulinfølsomhed. (C) Kronisk behandling med rapamycin hæmmer både mTORC1 og mTORC2, begrænser vækst og forringer insulinsignalering, men fremmer lang levetid

Vedligeholdelse af stamceller. Rapamycin har en række interessante virkninger på stamcellefunktionen. Hyperaktiv signalering opstrøms for mTORC1 på grund af deletion af Pten, deletion af tuberøs sklerose 1 (Tsc1) eller konstitutiv aktivering af AKT reducerer antallet og funktionelle kapacitet af HSC'er (61-63). Rapamycinbehandling kan genoprette normal selvfornyelseskapacitet i en subpopulation af muse-HSC'er, der har spontant højt oxidativt stress og nedsat funktionel kapacitet (64). For nylig har Chen et al. bemærkede, at mTORC1-aktivitet er forhøjet i HSC'er afledt af gamle mus, som udviser funktionelle mangler, der minder om dem forårsaget af Tsc1-deletion (25). Rapamycin genoprettede funktionel kapacitet i HSC'er fra gamle mus og boostede immunresponset på influenzavirus. Rapamycin øger også intestinal stamcelle-selvfornyelse via hæmning af mTORC1 i de tilstødende Paneth-celler, svarende til effekter, der er blevet observeret hos CR-dyr (65). Derudover forbedrer rapamycin omprogrammeringen af ​​somatiske celler til at generere inducerede pluripotente stamceller, hvilket tyder på en generel fremme af stamcellefunktion (66). På den anden side svækker rapamycin pluripotens, reducerer proliferation og fremmer differentiering i humane embryonale stamceller (67, 68). I embryonale stamceller fra mus er ekspression af pluripotensmarkører mere modstandsdygtig over for rapamycinbehandling, men alligevel reduceres cellestørrelse og -proliferation stadig, og differentiering er forbedret (67, 69). Spændende nok udtømmer rapamycin leukæmi-initierende celler og hæmmer både selvfornyelses- og differentieringskapaciteten af ​​stamceller afledt af infantil hæmangiom, hvilket tyder på en beskyttende effekt mod cancerstamceller (61, 70). Tilsammen tyder disse resultater på, at rapamycin modulerer stamcellernes adfærd og generelt favoriserer fastholdelsen af ​​"stamness" og en mere ungdommelig fænotype i de voksne stamcelletyper, der er blevet undersøgt.

in som immunsuppressiv bør ikke overses, når det kommer til lang levetid.

Kronisk,lavgradig inflammation er et træk ved aldring, og næsten alle kroniske sygdomme har en inflammatorisk komponent (71). En fuldstændig diskussion af de immunologiske virkninger af rapamycin ligger uden for rammerne af denne gennemgang, og emnet er blevet dækket andetsteds (72). Det er vigtigt, at lægemidlet har både positive og negative effekter på medfødt og adaptiv immunitet, med et nettoresultat, der er mere komplekst end simpel immunsuppression, som eksemplificeret ved dets evne til at forbedre immuniseringen af ​​gamle mus mod influenzavirus (25). mTORC2-afhængige mekanismer. På trods af rapamycins høje specificitet for mTORC1 under akut behandling, kan kronisk eksponering også hæmme mTORC2. Denne effekt blev først observeret i visse dyrkede cellelinjer (73), og vi har for nylig vist, at den også forekommer in vivo i flere væv, herunder lever, muskel og fedt (se figur 2). Det er i øjeblikket uklart, om hæmning af mTORC2 spiller en rolle i rapamycins pro-longevity virkninger. Hunmus, der mangler S6K1 og Mtor plus /–Mlst8 plus /– hunmus, er tilsyneladende langlivede på grund af svækkelse af mTORC1-afhængig signalering, men data fra C. elegans tyder på, at hæmning af mTORC2 også kan fremme lang levetid ( 21, 74). Interessant nok kræver forlængelse af levetiden ved afbrydelse af mTORC1 i orme hud-1 (homologen af ​​pattedyr NRF1/2) og daf-16 (homologen af ​​pattedyr-FOXO'er), begge transkriptionsfaktorer, der kontrollerer gener involveret i stressforsvar. Forlængelse af levetid med rapamycin eller mTORC2-afbrydelse kræver dog kun SKN-1. I overensstemmelse med en rolle for generelt stressforsvar i fordelene ved rapamycin, er både orme og fluer med nedsat TOR-funktion stressresistente, og induktion af NRF1/2- og FOXO-målgener er blevet påvist i leveren på mus behandlet med rapamycin (2 mg /kg dagligt i to uger) (20, 21).