Virkningerne af kaloriebegrænsning på autofagi: rolle for aldring

Klik venligstoscar.xiao@wecistanche.comfor mere information

Abstrakt:Autofagi er en vigtig husholdningsproces, der opretholder korrekt cellulær homeostase under normale fysiologiske og/eller patologiske forhold. Det er ansvarligt for bortskaffelse og genanvendelse af metaboliske makromolekyler og beskadigede organeller gennem brede lysosomale nedbrydningsprocesser. Under stressforhold, herunder næringsstofmangel, aktiveres autofagi væsentligt for at opretholde korrekt cellefunktion og fremme celleoverlevelse. Ændrede autofagiprocesser er blevet rapporteret i forskellige aldringsundersøgelser, og dysreguleret autofagi er forbundet med forskellige aldersrelaterede sygdomme. Kaloriebegrænsning (CR) betragtes som guldstandarden for mange aldringsinterventionsmetoder. Selvom det er klart, at CR har forskellige virkninger til at modvirke aldringsprocessen, er de nøjagtige mekanismer, hvormed det modulerer disse processer, stadig kontroversielle. Nylige fremskridt inden for CR-forskning har antydet, at aktiveringen af autofagi er forbundet med de observerede gavnlige anti-aldringseffekter. Beviser viste, at CR inducerede en robust autofagi-respons i forskellige metaboliske væv, og at inhiberingen af autofagi svækkede anti-aldringseffekterne af CR. De mekanismer, hvorved CR modulerer den komplekse proces af autofagi, er blevet undersøgt i dybden. I denne gennemgang vil flere store fremskridt relateret til CRs anti-aldringsmekanismer og anti-aldringsmimetika blive diskuteret med fokus på modifikationen af autofagi-responsen.

Nøgleord:aldring; autofagi;kaloriebegrænsning (CR); CR mimetik

1. Introduktion

1.1.Auttofagiprocessen

Autofagi er en evolutionært velbevaret proces, der forekommer i alle eukaryote celler fra gær til mennesker [1]. De meget komplekse autofagi-relaterede signalveje er blevet grundigt undersøgt i de sidste 30 år, og de er blevet belyst gennem det kombinerede studie af genetik og fysiologi i forskellige arter [2]. Mindst tre forskellige former for autofagi er blevet identificeret indtil videre: makro-autofagi, mikro-autofagi og chaperone-medieret autofagi. Alle tre former afhænger af lysosomal nedbrydning, hvor makro-autofagi (herefter benævnt autofagi) er den mest udbredte form. Når først aktiveret, involverer autofagi sekvestrering af cytosoliske komponenter (beskadigede celleorganeller, proteiner eller andre makromolekylære næringsstoffer) af fagophorer, der modnes til autofagosomer, som er dobbeltmembran-vesikler [2,3]. Autofagosomer translokeres yderligere og smelter sammen til det sure lysosom og danner autolysosomet, hvor nedbrydning og recirkulering sker. De forskellige substrater og basale aktivitet af disse processer tyder på, at celler er meget afhængige af dem for at opretholde cellulær homeostase. Vigtigheden af at opretholde en tilstrækkelig autofagi-respons er blevet demonstreret under både fysiologiske og patologiske tilstande [4].

anti aging2

klik venligst her for at vide mere

1.2. Molekylært maskineri af autofagi-processen

De molekylære mekanismer og signalveje, der kontrollerer autofagi, er blevet grundigt undersøgt [5]. Autophagy begynder med de novo produktion af autophagosome komponenter, efterfulgt af samling drevet af den samordnede handling af en gruppe af proteiner ved navn ATG (autophagy-relaterede gener). Da det detaljerede molekylære maskineri af autofagi-processen tidligere er blevet beskrevet i flere oversigtsartikler, vil kun dets overordnede funktioner blive diskuteret i denne anmeldelse. Ved starten af autofagi-processen initieres fagophordannelse fra det endoplasmatiske retikulum (ER)-mitokondrielle grænseflade, og yderligere forlængelse af fagophoren afhænger af Golgi- og plasmamembranerne. Progressionen af autophagosomdannelse er i høj grad karakteriseret ved rekruttering af ATG-proteiner til fagophoren [6].

Dannelsen af UMC-51-lignende kinase 1(ULK1, homolog med gær ATG1)-komplekser er den tidligste begivenhed i dannelsen af autofagosomet. ULK1-aktivering ligger opstrøms for anden ATG-proteinrekruttering, og ULK1-kinaseaktivitet er påkrævet til rekruttering af VPS34-komplekset (en klasse III PI3-kinase) til fagophoren. Dette er afgørende for phosphoryleringen af phosphatidylinositol (PtdIns) og den efterfølgende produktion af PtdIns 3-phosphat. Den yderligere rekruttering af phospholipid-bindende proteiner til phagoforen er vigtig for stabiliseringen af proteinkomplekser nær autophagosomdannelsesstedet. To konjugationssystemer er involveret i vesikelforlængelsesprocessen. Konjugationen af ATG5 til ATG12-komplekset kræver det ubiquitin-lignende konjugationssystem, der involverer ATG7 og ATG10.citrus bioflavonoiderDe konjugerede ATG5-ATG12-komplekser er nødvendige for yderligere at konjugere phosphoethanolamin (PE) til ATG8 (mikrotubuli-associeret protein 1 let kæde 3; LC3).ATG4, ATG7 og ATG3 er påkrævet til denne konjugationsproces. Konverteringen af LC3 fra LC3-I (opløselig form) til LC3-II (vesikelassocieret form) ved PE-konjugering menes at være nødvendig for lukningen af den ekspanderende autophagosomale membran. Til sidst fusioneres det modnede autofagosom med lysosomet for at opfylde processens hovedformål, kulminerende med nedbrydning og genanvendelse af substrater i autofagosomet.

1.3. Autofagi reguleres af næringsstofsansende signalering

En række fysiologisk vigtige stimuli inducerer autofagi-processen, herunder organel (ER, mitokondrier) beskadigelse, hypoxi og inflammation [2]. Imidlertid er næringsstoffer og energistress de mest kraftfulde regulatorer af autofagiprocessen [7]. Ændringer i den cellulære energistatus, såsom tilbagetrækning af næringsstoffer, såsom glucose og aminosyrer, inducerer aktiveringen af autofagi-processen, fra initiering til afslutning [8]. Næringsstofniveauer kan genkendes direkte af autofagis opstrøms signaleringsmaskineri for at regulere dens initiering som reaktion på de skiftende cellulære energiniveauer (figur 1).

anti aging3

Cistanche kunne anti-aging

Af alle de nærings-associerede signalmolekyler er pattedyrsmålet for rapamycin (mTOR) blevet vist som en af de vigtigste opstrøms modulatorer af autofagi-signalering [9,10]. mTOR er en meget konserveret serin/threoninkinase, der reguleres af flere signaler, herunder energiniveauer, vækstfaktorer og andre cellulære stressorer, for at koordinere celleproliferation/vækst og opretholde energihomeostase. mTOR danner et kompleks, som er kendt som mTORC1 (mTOR) complex1) og mTORC2 (mTOR kompleks 2).mTORC1 er relateret til autofagi-signaleringsændringer og aktiveres i nærvær af næringsstoffer eller vækstfaktorer. mTORC1 aktiveres normalt under næringsrige forhold ]11. Det kan aktiveres direkte af en øget koncentration af aminosyrer i cellen eller som nedstrøms signalering gennem virkningen af vækstfaktorer [11,12]. Når den er aktiveret, fosforylerer mTORC1 direkte ULK1[13]. Kritisk er aktiveringen af mTORC1 tilstrækkelig til at hæmme autofagi i nærværelse af tilstrækkelige næringsstoffer [14]. Den direkte undertrykkelse af ULK1-kinase af mTORC1 er også velbevaret på tværs af arter [15]. Andre komponenter i ATG-komplekset interagerer direkte med mTORC1 og undertrykker autofagi-processen [16]. Desuden kan mTORC1 indirekte undertrykke autofagi ved at kontrollere lysosombiogenese [17,18]. Transkriptionsfaktoren EB (TFEB) er ansvarlig for transskriptionen af lysosomale og autofagi-relaterede gener[19]. mTORC1-medieret TFEB-phosphorylering nedsætter dets transkriptionelle aktivitet og reducerer således den samlede ekspression af autofagi-relateret genekspression [20,21].

Figur 1. Autofagi reguleres af næringsstofsansende signalering. Autophagy-signalering moduleres hovedsageligt af næringsstofsansende signalveje. Insulin og IGF (insulin-lignende vækstfaktor) inducerer aktiveringen af pattedyrsmål for rapamycin(mTOR)-signalering og hæmmer autofagi-initiering. Aktiveringen af AMP-aktiveret proteinkinase (AMPK) ved et øget AMP/ATP-forhold under sult øger direkte autofagi og hæmmer mTOR-komplekset. CRE-bindende protein (CREB) aktivering ved glucagon signalering og peroxisom proliferation factor-aktiveret receptor (PPAR) aktivering af dets ligander øger gentranskriptionsniveauet af autofagi og lysosom-relaterede proteiner.

anti aging4

Under næringsstofmangeltilstande reguleres aktiveringen af autofagi af flere velkendte næringsstofsansende signalproteiner. En af de mest fremtrædende aktører inden for sansning af næringsdeprivation er den AMP-aktiverede proteinkinase (AMPK)[13,22]. Det molekylære forhold mellem ATP og AMP afspejler cellens energiniveauer, og øgede niveauer af AMP repræsenterer et internt celleadvarselssystem, der får cellen til at spare energi til opretholdelse af metabolisk homeostase. AMP registreres direkte af AMPK, og aktiveret AMPK er blevet karakteriseret og vist at have flere funktioner i reguleringen af cellulær metabolisme. Der er flere mekanismer, hvorved AMPK inducerer autofagi. For det første phosphorylerer AMPK direkte ULK, som er en proces, der er nødvendig for ULK1-aktivering og initiering af autofagi under næringsstofdeprivationsforhold[13]. Interaktionen mellem AMPK og ULK1 kan blokeres af mTORC1-medieret ULK1-phosphorylering, hvilket indikerer en indviklet forbindelse mellem disse to veje. For det andet er AMPK en negativ regulator af mTOR-signalvejen [23]. Mekanistisk fosforylerer AMPK direkte det tuberkulose-associerede kompleks (TSC), som er en negativ regulator af mTORC1-aktivering. AMPK phosphorylerer også direkte Raptor-underenheden af mTORC1-komplekset, hvilket øger nedbrydningen af mTORC1-komplekset. Disse undersøgelser viste tydeligt, at AMPK, en kritisk regulator af næringsstoftilgængelighed, er i stand til at regulere autofagiaktivitet ved at koordinere mTOR-afhængige og uafhængige mekanismer.

1.4. Autofagi og aldring

Aldring er forbundet med forskellige ændringer, herunder genomisk ustabilitet, tab af proteostase, epigenetiske ændringer og deregulerede næringsstofsansende veje [24]. Disse ændringer er også forbundet med adskillige aldersrelaterede sygdomme, herunder hjerte-kar-sygdomme, neurodegenerative sygdomme og stofskiftesygdomme. Blandt de ændringer, der opstår under aldring, er nogle forbundet med autofagi-relaterede signalveje [24,25]. Et fald i den overordnede proteolytiske aktivitet og ændret næringsstofsansende signalering er direkte forbundet med autofagi. Faktisk er nedsat autofagi med aldring blevet rapporteret omfattende i en bred vifte af organismer, hvor en progressiv ophobning af beskadigede proteiner og cellulære organeller blev vist at forekomme [26].cynomorium fordeleDet faldende niveau af autofagi-relaterede gentransskriptioner og proteiner er blevet påvist i nematoder og frugtfluen [27-29]. Ældret væv fra pattedyr og mennesker viste også en lavere ekspression af nøgleautofagiproteiner [30-32]. I overensstemmelse med ændringer i niveauerne af autofagi-komponenter viste nyere undersøgelser yderligere en nedsat generel autofagisk kapacitet under aldring hos C.elegans [33]. Elektronmikroskopiobservationer viste en aldersrelateret ophobning af autofagiske vakuoler, som repræsenterer blokeringen af autofagi-flux. På samme måde er den overordnede proteolyseaktivitet svækket under ældningsprocessen, og langlivede proteiner, der ikke blev ordentligt nedbrudt, er blevet påvist i leveren hos gamle rotter [34].

Yderligere slående beviser mellem aldring og autofagi kommer fra flere genetiske modeller for nedsat autofagi. En objektiv screening for aldringsfaktorer i gær, nematoder og frugtfluer afslørede kortlivede mutanter med defekter i autofagi [27,35,36]. I knockout-mus førte helkropssletning af autofagi-relaterede gener til tidlig postnatal død, hvilket indikerer en væsentlig rolle for autofagi i den overordnede vedligeholdelse af fysiologiske processer [37-39]. Vævsspecifikke betingede knockout musemodeller afslørede også de mange fænotyper af aldring, herunder aggregering og akkumulering af intracellulære proteiner, cellulære organeller og andre makromolekyler [40-43]. Tabet af autofagisk aktivitet i disse modeller vil sandsynligvis i stigende grad begrænse cellernes evne til at opretholde kvalitetskontrol, hvilket fører til akkumulering af toksiske fornærmelser og resulterer i aldring og aldersrelaterede patologier [3]. På den anden side tyder akkumulerende beviser på, at eksperimentelt forbedret autofagi forlænger levetiden og forsinker den ældne fænotype. Overekspression af specifikke autofaggener kan forlænge levetiden for flere arter. Opreguleringen af autofagisk aktivitet kan forlænge levetiden i C.elegans såvel som i gær, mens den allestedsnærværende overekspression af Atg5 i mus er tilstrækkelig til at stimulere autofagi og forlænge levetiden [44,45]. Samlet indikerer disse observationer, at ændringer i autofagisk aktivitet kan være forbundet med levetid, og at forøgelse af autofagisk funktion kan være en effektiv tilgang til at forsinke aldring og fremme levetid hos forskellige arter, herunder pattedyr.

De mekanismer, hvorved autofagi-komponenter eller autofagiske processer aftager med alderen, forbliver uklare. Da autofagi-processen, fra initiering til afslutning, er kompleks og forbundet med forskellige trin og forskellige proteiner, er det sandsynligt, at de mekanismer, der bidrager til aldersassocieret autofagi-fald, er multifaktorielle. Den mest plausible reguleringsmekanisme, der bidrager til undertrykt autofagi i aldring, er en ændring i opstrømssignalering under autofagi-initiering. To vigtige næringsstofsansende proteiner, mTOR og AMPK, spiller en vigtig rolle i reguleringen af initieringen af autofagi[10,13]. Desuden afspejler disse faktorer status for en celle, såsom hormonregulering (uden for cellen) og ernæringsstress (inde i cellen). Næringsstofsensoren mTOR hæmmer kraftigt ikke kun initieringen af autofagi, men udøver også en hæmmende effekt på flere trin i autofagiprocessen. Det er muligt, at øget mTOR-signalering under aldring spiller en vigtig rolle i den aldersrelaterede undertrykkelse af autofagi. Da øget mTOR-aktivitet er blevet rapporteret i forskellige aldersrelaterede sygdomme, herunder metaboliske og degenerative lidelser, er det sandsynligt, at øget mTOR-signalering er den overvejende årsag til nedreguleringen af den samlede autofagi-proces [46]. I modsætning til mTOR, som normalt hyperaktiveres under aldring, er aktiviteten eller ekspressionen af AMPK typisk undertrykt [47]. Det er sandsynligt, at nedsat AMPK kan påvirke eller undertrykke autofagi og handle sammen med mTOR. Til dette formål, selvom mekanismer, der forstyrrer autofagi-signalering under aldring, er multifaktorielle, er det klart, at ændringer i dets opstrømsveje er afgørende for dets regulering.

Anti-aging（,

En anden mulig mekanisme, der er ansvarlig for den nedsatte autofagi observeret ved aldring, er transkriptionel regulering. TFEB er tidligere blevet beskrevet som en regulator af autofagi-relateret gentranskription; nyere undersøgelser har dog afsløret andre vigtige transkriptionsfaktorer, der regulerer genekspressionen af autofagi-relaterede proteiner. Den fastende transkriptionelle faktor CRE-bindende protein (CREB) opreguleres af glucagon under næringsstofdeprivationsbetingelser, og det opregulerer også autofagi genekspression, herunder ATG7, ULK1 og TFEB. en anden transkriptionsfaktor, der spiller en rolle i sult, styrer også transkriptionen af autofaggener [19,4849]. Begge transkriptionsfaktorer kan virke sammen for at øge autofagi-relateret genekspression. Den genetiske deletion af begge transkriptionsfaktorer reducerede autofagi og førte til en utilstrækkelig metabolisk respons, især under næringsstofmangel. Selvom der ikke er nogen direkte beviser for, om de spiller en rolle i defekt autofagi under aldring, er der nogle beviser for, at de er vigtige og dysregulerede under aldring [50-52]. Yderligere undersøgelser vil være nødvendige for at afsløre forholdet mellem disse transkriptionsfaktorer og defekt autofagi under aldring.

2. Kaloriebegrænsning (CR) modulerer autofagiprocesser

2.1.Introduktion til kaloriebegrænsning

Kaloriebegrænsning (CR) har vist sig at være en etableret livsforlængende metode, der regulerer aldersrelaterede sygdomme såvel som selve aldring.ørkenhyacintSelvom metoden er forskellig (normalt 20 procent -40 procent ad libitum indtag, 40 procent reduktion i de fleste tilfælde), viste CR en forlænget levetid i en lang række arter fra gær til ikke-menneskelige primater og understøtter sund menneskelig aldring [ 53]. Ydermere udøver CR forebyggende virkninger på forskellige aldersrelaterede tilstande såsom cancer, neurodegenerative sygdomme, kardiovaskulære og andre metaboliske sygdomme [54]. Den mangfoldige effektivitet af CR til at modvirke aldring og aldersrelaterede sygdomme har gjort det til guldstandarden for aldringsinterventionsstudier. Selvom anti-aging-effekterne af CR er reproducerbare, er de nøjagtige mekanismer for, hvordan CR udøver sine anti-aging-effekter, diskutable, fordi CR regulerer flere forskellige aspekter af fysiologi. Disse ændringer omfatter modifikationer i den energifølende signalering, oxidativt stress, inflammation og andre intercellulære og intracellulære processer. Blandt de mange ændringer induceret af CR, er energiproduktion og -udnyttelse den mest direkte regulerede signalering, som udøves af CR[55,56]. Da reduceret energiindtag og ændringer i ernæringsstatus efter CR kan ændre de molekylære signalveje forbundet med energisansende mekanismer, kan andre mekanismer være sekundære effekter af denne proces.

2.2. Beviser for de gavnlige virkninger af CR-medieret autofagi

Baseret på induktionsmekanismen for autofagi og dens rolle under sult, blev det forudsagt, at CR kunne inducere den autofagiske proces. Faktisk induceres autofagi under mange forskellige indstillinger af næringsstofdeprivationsbetingelser, herunder i CR, til at regulere organismens homeostase. Selvom det er klart, at CR repræsenterer en stærk fysiologisk autofagisk inducer, er det usikkert, om autofagi bidrager til anti-aldringseffekterne af CR. For nylig har flere undersøgelser vist, at autofagi-induktion var afgørende for anti-aldringseffekterne af CR (tabel 1).flavonoid ekstraktionsmetode pdfCR blev vist at fremme lang levetid eller beskytte mod hypoxi gennem en Sirtuin-1-afhængig autofagi-induktionsproces [57,58]. En anden undersøgelse viste også, at livsforlængelse gennem methionin-restriktion krævede autofagi-aktivering[59]. Voksende beviser understøtter forestillingen om, at autofagi har en væsentlig rolle i de gavnlige virkninger af CR[60,61]. Ud over forskning i lang levetid har andre undersøgelser vist, at CR robust inducerer autofagi under forskellige fysiologiske og patologiske tilstande, og at det har en beskyttende effekt på opretholdelsen af normale funktioner i organismen. I det følgende afsnit vil den beskyttende rolle af autofagi under CR-betingelser blive diskuteret.