Transcript 3. Antagonistička pleiotropija

Teorijski i eksperimentalni
modeli starenja
Goran Šimić
Poslijediplomski kolegij
“Neurobiologija starenja”
28. ožujak 2011.
Medicinski fakultet
Sveučilišta u Zagrebu
Starenje
 1. Evolucijske teorije
 2. Teorije sistemskog starenja
 3. Eksperimentalni pristupi
 4. Mehanizmi u stanica koje se dijele
 5. Mehanizmi u stanica koje se ne dijele
 6. Histološke promjene mozga
 7. Smjernice za daljnja istraživanja
1. Evolucijske teorije starenja
 1. Programirana smrt organizama uslijed
ograničenog broja diobi somatskih stanica
(Weismann, 1889)
 2. Akumuliranje mutacija (Medawar, 1952)
 3. Antagonistička pleiotropija (Williams,
1957)
 4. Neinvestiranje u somatske stanice
(Kirkwood i Holliday, 1979)
1.1. Programirana smrt organizama
 Nastaje uslijed ograničenog broja diobi somatskih
stanica (tzv. Weismann-Swim-Hayflickov limit), a da
bi se oslobodio prostor i resursi za mlađe generacije
Odbačena zbog 3 glavna razloga:
 1. Postojanja velikih razlika u duljini života u
prirodnoj i zaštićenoj okolini (npr. medijan duljine
života čimpanzi u zatočeništvu je 23 g. za mužjake i
30 g. za ženke, a u prirodi oko 8 godina)
 2. Glatkoće Gompertz-Makehamove krivulje
 3. Kad bi mehanizam samouništenja bio oštećen
kakvom mutacijom ove bi jedinke brzo nadvladale
preostale (dajući više potomstva ili pružajući dulju
roditeljsku skrb)
1.2. Akumuliranje mutacija
 Ne postoji selekcijski tlak za dugovječnost jer smo
programirani samo da doživimo toliko dugo da bi smo
se reproducirali: štetne mutacije što se izražavaju u
mlađoj dobi podložne su jakom probiru (npr.
Hutchinson-Guilford), a one koje poprimaju patološke
razmjere tek u postreprod. dobi imaju malu mogućnost
odstranjivanja (npr. AD), pa se takvi geni kumuliraju i
prenose, a učestalost genetskih bolesti raste s
porastom godina života dovodeći do sve većeg stupnja
mortaliteta
 Pomoću genealoških tablica potvrđena je pretpostavka
teorije da je ovisnost duljine života potomaka povećana
u onih potomaka čiji roditelji dulje žive (imprinting?)
 Pretpostavlja da u starenju učestvuje većina gena
(70%)
1.3. Antagonistička pleiotropija
 Zbog sukoba interesa pleiotropnih gena (koji
imaju učinak na više svojstava organizma)
probir daje prednost mutaciji koja daje
prednost u razdoblju reprodukcije (npr. gen što
ugrađuje kalcij u kost: bez frakture u mladosti /
prekomjerna kalcifikacija u starosti)
 Objašnjava i ‘samoubilačke’ životne cikluse
(npr. bambusa i pacifičkog lososa)
 Predviđa da će uspješan odabir za produljeni
život dovesti do smanjene reprodukt.
sposobnosti u mlađoj dobi
Eksperiment odabira za
produljeni život
 1976. Michael Rose (Univ. of
Sussex): u nekoliko boca mlijeka
smjestio 200 vinskih mušica i
nakon 5 tjedana, kad su mušice
došle pred kraj reproduktivnog
razdoblja, pokupio jajašca,
uzgojio ih i ponovio isti postupak
nadajući se da će živjeti nešto
duže nego prethodna generacija
M.R. Rose. 2003. Can Human Aging Be Postponed?
E-Book, Scientific American.
Rezultat: maksimalni životni
vijek mušica se povećava
 Od početnih 200 sada ima više od
milijun mušica, a eksperiment
svakodnevno nastavlja veći broj
asistenata na Univ. of Irvine, CA:
današnji potomci prvotnih mušica žive
prosječno dvostruko dulje (oko 120
dana), što bi kod čovjeka odgovaralo
dobi od oko 150 godina, te i dalje žive
sve dulje i dulje
 Nađeni porast dugovječnosti razmjeran
je smanjenoj fertilnosti u ranoj odrasloj
dobi i produljenom razdoblju razvitka do
odrasle jedinke
Zaključci eksperimenta
 Geni igraju važnu ulogu u starenju (mušicama nije
poboljšana kvaliteta života i time očekivano trajanje
života, već maksimalni životni vijek)
 Postoji veći broj gena uključenih u starenje, jer da ih je
malo, oni bi bili probrani već nakon samo nekoliko
generacija
 Nedostatci ekperimenta: 1. Smjer probira je umjetno
nametnut, 2. Ne može odijeliti učinak odabira kasne
reprodukcije na dugovječnost od direktnog odabira za
dugovječnost
Dokaz o utjecaju gena na
starenje čovjeka
U istraživanju 2872 danskih blizanaca
rođenih 1870-1880. g. (J Gerontol 1994)
nađeno je da je razlika u dobi kad su umrli
jednojajčani blizanci bila značajno manja
od razlike u dobi kad su umrli dvojajčani
blizanci
Utjecaj naslijeđa na varijabilnost u
doživljenoj dobi relativno malen: 26% za
muškarce, te 23% za žene
2721 par
A Twin Study of the Genetic Contribution to Age-Related Functional
Impairment. Gurland et al. J Gerontol A Biol Sci Med Sci.2004; 59: 859- blizanaca (USA):
22% : 78%Ž
863.
Nedostatci teorije
antagonističke pleiotropije
 Predviđa da bi brži razvitak do reprod. zrelosti
trebao korelirati s bržim starenjem, rezultati to
ne potvrđuju
 Predviđa da je većina dugovječnih ljudi imala
oštećenu reproduktivnu sposobnost, rezultati
to ne potvrđuju
 Dugoživuće mutante npr. C. elegans pokazuju
prednost u teškim prirodnim uvjetima nad
divljim sojem, suprotno očekivanju prema ovoj
teoriji
1.4. Neinvestiranje u
somatske stanice
 Na tragu ideje da su organizmi samo mediji (“survival
machines”) ‘Sebičnog gena’ (Dawkins, 1976): Prirodni
odabir favorizira manje investiranje organizama u
popravak i održavanje somatskih stanica nego što je to
neophodno za neograničeno preživljenje spolnih stanica
(čiji je stupanj preciznosti održavanja visok, jer bi inače
bile eliminirane)
 Kroz odabir se mijenja investiranje u održavanje
temeljnih staničnih sustava u odnosu na stupanj
izvanjske opasnosti: ako je mortalitet uslijed okolišnih
činitelja veći, to manje treba investirati u somatske
stanice (a više u reprodukciju), npr. tvrdi oklop u
dugovječnih kornjača ili nalaz da oposumi žive dulje ako
im je stanište na otocima bez prirodnih neprijatelja
Kritika evolucijskih teorija
starenja
 Tvrde da je starenje nespecifičan proces, te da je u njega
uključen ogroman broj gena; no, otkrića mutanti pojedinačnih
gena što dovode do značajnog produljenja maksimalnog
životnog vijeka ukazuju da mehanizmi starenja mogu uključivati
samo manji broj gena i biti vrlo specifični
AGE-1 (1988, C. elegans)
CLK-1 (1996, C. elegans)
DAF-1 (1997, C. elegans)
MTH (1998, D. melanogaster)
P66SHC (1999, Mammalia)
MORF4 (1998/99), MRG15
(2001) (Mammalia)
 kombinacijama se može
postići aditivni učinak






2. Teorije sistemskog starenja
 Do sada predloženo >300 teorija
 Imunološke (Walford, 1962: smanjena
sposobnost razlikovanja tuđih od vlastitih
antigena; Burnet, 1970: iscrpljenje klonova i
smanjenje imunološke obrane)
 Greške u sintezi (protein error theory, Orgel,
1963) i održavanju strukture proteina
(chaperon theory, Miyaishi, 1995)
 Teorija stresa: trošenje “adaptivne energije”
(Selye, 1970); tijesno povezana s drugim
endokrinološkim teorijama sistemskog starenja
Endokrinološke teorije starenja
 Temelje se na uočenim smanjenim konc.
cirkulirajućih humoralnih činitelja, poglavito
hormona: estrogena (u menopauzi) i testosterona
(u andropauzi), DHEA (dihidroepiandrosteron) i
DHEAS (sulfat) (u adrenopauzi), te hormona
rasta i IGF-1 (u somatopauzi)
 Supstitucijska terapija npr. estrogenom u žena
smanjuje mortalitet i za 10 godina (+poboljšava
kogn. sposobnosti), ali ne povećava maks. životni
vijek (što također nije dokazano ni za jedan drugi
hormon)
DHEA (dehidroepiandrosteron) i
hormon rasta
DHEA je univezalni prekursor za
nastanak androgenih i estrogenih
steroida u perifernim tkivima; ima
najveću konc. u dobi od 20-25 g., a
zatim se postupno smanjuje do na
oko 10-20% vrijednosti u dobi od
80 godina
Baltimore Longitudinal Study of Aging
Traje od 1958. g., prati 1500 ljudi;
2002 pokazala da je povećan životni
vijek povezan s:
1. Manjom tjelesnom temp.
2. Manjom prosj. konc. inzulina
3. Većom konc. DHEAS
3. Eksperimentalni pristupi
 1. Progerije
 2. Kalorijska restrikcija
 3. Eksperimentalni modeli
3.1. Progerije
 1. Wernerov sindrom
 2. Hutchinson-Guilfordov sindrom
 3. Down sindrom
 4. Cockayne sindrom
 5. Ataxia teleangiectasia
3.1.1. Wernerov sindrom
 1903/4. kao student medicine sy
prvi opisao Otto Werner, a zatim
Oppenheimer i Kugel 1935.
 Očekivana dob života 44-48 g.
14. g.
48. g.
Lamin A/C
Chen L et al. LMNA mutations
in atypical Werner’s syndrome.
Lancet 2003;362:440-5.
 Simptomi: arterioskleroza, ulceracije,
maligniteti, dijabetes, osteoporoza,
katarakta, itd. (“mozaičko starenje”)
1996. Shellenberg GD i Martin GM
otkrili WRN gen na 8. kromosomu što
Oshima J et al. Homozygous and
compound heterozygous mutations kodira jednu DNA helikazu (vrši
despiralizaciju prije popravka DNA)
at the Werner syndrome locus.
Hum Mol Genet. 1996;5:1909-13.
3.1.2. Hutchinson- Guilford
 1886. Jonathan Hutchinson, 1904.
Hastings Guilford
 Očekivana dob života 15-20 g.
 Simptomi i znakovi: brzo boranje
kože, generalizirana alopecia, mali
rast, distrofični nokti, usporeno
spolno sazrijevanje, povećana
ekskrecija hijaluronske kiseline?,
smanjena mitotička aktivnost
većine tkiva (“mozaičko starenje”)
 Od 6300 pretraženih gena dosad
nađeno 76 mutiranih (15 od njih su
uključeni u kontrolu staničnog
ciklusa pri mitozi, dezmoplakin I
što se veže za kolagene, gen za
galaktozil-transferazu, itd.)
3.1.3. Down sindrom
 Uslijed jedne prekobrojne kopije gena za APP na 21. krom.
razvijaju patološke promjene karakteristične za AD (SP i NFT)
3.1.4. Cockayne sindrom
 Multisistemski AR poremećaj
popravka DNA, mikrocefalija,
mentalna retardacija, atrofija retine,
demijelinizacija, intrakran.
kalcifikacije, u neuropatološkom
nalazu još i NFT i bizarni astrociti
 CSA protein (krom. 5), CSB
protein, učestvuju u transkripciji i
popravku DNA; tip I kasni, tip II rani
 Ostali simptomi: fotosenzitivni
dermatitis, osjetljivost na ionizirajuće
zračenje, itd.
3.1.5. Ataxia teleangiectasia
 Nasljedni nedostatak popravka puknuća oba lanca DNA
(karcinogeneza, naročito leukemije u djece i rak dojke,
100x veća učestalost) uslijed mutacije ATM gena
 ATM gen na 11. kromosomu kloniran 1995.g. kodira jednu
fosfatidil-inozitol 3 kinazu što ima važnu ulogu u
zaustavljanju staničnog ciklusa, aktivaciji gena za
popravak DNA i regulaciji duljine telomera
 Neurološki simptomi: ataksija i koreoatetoza (“little
clowns”), progresivna neurološka deterioracija
3.2. Kalorijska restrikcija
 Glodavci s kalorijski ograničenom dijetom žive
dvostruko dulje, za trećinu su manji, imaju manju
tjelesnu temperaturu i manje obolijevaju
 Iako još nisu poznati precizni mehanizmi,
mnogobrojna istraživanja potvrđuju da uslijed
smanjene razine oksidativne fosforilacije dolazi do
posljedično smanjene produkcije ROS
 Ograničenje kalorijskog unosa još uvijek je jedina
eksperimentalna intervencija koja nepobitno dovodi
do usporenja starenja i produljenja životnog vijeka u
svih proučavanih vrsta
3.3. Eksperimentalni modeli
 1. Kvasac (Saccharomyces cerevisiae)
Ima 6000 gena
 2. Crv oblić (Caenorhabditis elegans)
>40% homologija s genomom čovjeka
 3. Vinska mušica (Drosophila melanogaster)
4 para krom., najveća DNA molekula uopće (41 x 109 kDa)
 4. Miš (Mus musculus)
Stupanj divergencije od čovjeka >100 mil. godina
Gompertz-Makehamove krivulje
Uspjeli ‘prirodni eksperiment’:
Golokrtičasti štakor
 Primjerak opisan 2002. g. imao je 27. god. i 4 mj., a većina
članova kolonije starija je od 20 g.
 Pretpostavlja se da je uzrok dugovječnosti ovih štakora
kombinacija sporog metabolizma, te života u dobro zaštićenim
nastambama pod zemljom
Buffenstein R, Jarvis JU. The naked mole rat--a new record for the
oldest living rodent. Sci Aging Knowledge Environ 2002;29:7
Sherman PW, Jarvis JUM. Extraordinary life spans of naked mole-rats
(Heterocephalus glaber). J Zool Lond 2002;258:307-311.
4. Mehanizmi starenja u mitotički
aktivnih stanica (>600 tipova)
Leonard Guarente &
David Sinclair labs
 Odličan model jer su: individualne stanice smrtne (a ne besmrtne
kako se to prije mislilo), Gompertz-Makehamova krivulja sliči višim
vrstama, stanice prolaze karakteristične biokemijske (utišavanje oba
lokusa za parenje) i morfološke promjene (akumulacija ožiljaka od
stanica kćeri prilikom asimetrične diobe, povećanje veličine uslijed
usporavanja staničnog ciklusa) po kojima se točno može znati koliko
je stanica stara, razvijena prakt. metoda razdvajanja starih stanica
4.1. Genetska nestabilnost
 Uzrok starenja je
‘ispadanje’ 150-200 kratkih
ponavljajućih slijedova
DNA na krom. 12
 To se dogodi negdje oko
sredine životnog vijeka, a
ta ERC (izvankromosomska
kružna DNA) se dalje sama
umnaža: kad dosegne
između 500 i 1000 kopija,
jezgrica se fragmentira a
kvasac umre
 Nedostatak modela: u
matičnih stanica sisavaca
nema nikakve ERC
4.2. Genetski programirano
skraćivanje telomera
FISH, Donax trunculus,
Metafaza, CCAGGG
 Telomere u eukariota služe zaštiti otvorenih krajeva DNA (od
razgradnje enzimima, sljepljivanja s drugim kromosomima, mogućeg
pogrešnog prepoznavanja otvorenih krajeva DNA)
 Slijed TTAAGG (kralježnjaci, školjkaši i bodljikaši), TTAGG (kukci)
ili pak TTTAGGG (biljke) ponavlja se nekoliko stotina do nekoliko
tisuća puta); prilikom diobe ne mogu se u potpunosti replicirati DNA
polimerazama jer one dodaju nukleotide samo u jednom smjeru
Telomeraza
 Duljinu telomera nadoknađuje
ribonukleoprotein telomeraza
(koja prepoznaje jednolančane
krajeve)
 Aktivnost telomeraze je slaba u
većini somatskih stanica starih
ljudi, a stalno je aktivna samo u
spolnim (telomerni nizovi su
stalne duljine svojstvene za
vrstu), tumorskim (otvara
Za razliku od životinja kod kojih se
mogućnost da se inhibicijom
telomere skraćuju pri svakoj diobi, u
možda zaustavi rast tumora) i
biljaka je duljina stalno ista uslijed
nekim stanicama koje se stalno
nepromijenjenog izražaja
dijele (npr. krvotvorne)
telomeraza (npr. stanice sekvoje se
dijele više od 4000 godina)
Telomere možda ipak nisu
molekularni sat jer:
 1. Nema jasne korelacije između starosti donora i replikativnog
starenja njegovih stanica
 2. Većina progeroidnih stanica umre i prije nego li im se skrate
telomere
 3. Miševi bez gena za telomerazu ne pokazuju odstupanja, osim za
mitotički jako aktivna tkiva u poodmakloj dobi
 (4.) Pokušaj produljivanja
tumorigeneza
5. Mehanizmi starenja u
mitotički neaktivnih stanica
Antioksidativni
enzimi:
 1. Zn/Cu SOD
 2. Katalaza
 3. Glutation
reduktaza itd.
Transgenična drozofila
MPTP
H2O2 + MPP+ (model PD) za 1. i 2. živi 34% dulje,
a uslijed umetanja SOD
(1-metil-4-fenil-1,2,3,6 tetrahidropiridin)
čovjeka 40% dulje
5.1. Oksidativno oštećenje
slobodnim radikalima kisika
Melatonin (cave: miš s
povećanom koncentracijom
melatonina opak ima
skraćen životni vijek uslijed
nastanka tumora)
Biljezi oksidacije kao nitrotirozin, 8OHdG (8-hidroksi-2’-deoksigvanozin) i
drugi pokazuju veći stupanj oksid. u moždanom tkivu starijih osoba
5.2. Mutacije mtDNA
 1. Uobičajeni stupanj mutacija 1020x veći nego u jezgri
 2. Oštećenja dovode do smanjene
produkcije ATP i omjera NAD/NADH, što
povećava konc. ROS
 3. Transgenični C. elegans za CLK1
gen (kodira koenzim Q) produljuje život
za oko 30%
 4. Veći rizik za nastanak AD imaju
osobe kojima je majka oboljela od AD, a
ne otac
6. Neke najčešće univerzalne histološke
promjene mozga u normalnom starenju
Lipofuscin (oks. lipidi i proteini)
Corpora amylacea
Neuromelanin (nusprod.
sinteze katehol.)
Umjerena astroglioza
Promjene mozga u starenju
većine normalnih ljudi
 Leukoaraioza (vaskularne
promjene malih krvnih žila
uslijed hijalinih
arteriosklerotskih promjena s
nastankom tortuoziteta)
 Ireverzibilna glikozilacija
mnogobrojnih proteina
 Neuropatološki pojam ‘čistog
starenja’ (sela na Sardiniji)
7. Neke smjernice za
daljnja istraživanja
 1. Integracija genskih i fizičkih mapa genoma
čovjeka (~2% DNA s oko 30000 gena 98.77%
jednakih čimpanzi) + dešifriranje negenomske
DNA (~98%), mehanizmi genske regulacije
 2. Mikropostrojbena analiza DNA u starih osoba
(već znamo da su sa starenjem povezani npr.
geni za apoE, ACE, HLA-DR i PAI-1)
 3. Otkriti zašto neki klonovi stare sporije (npr.
većina klonova teladi)
Utišavanje gena kao jedna
od novijih teorija starenja
The aging process involves silencing of the genes through
methylation of promoter sequences and the acetylation of
histones (this process contributes not only to aging, but also
cancer when silencing affects tumor suppressor genes).
Evidence of activation of silenced genes can be pursued by
documenting the relationship between 'molecular switches‘
(antineoplastons) - DNA-demethylating agents and histone
deacetylation inhibitors, genes which are turned on by them,
and clinical anti-aging changes.
Sir 2, 3 i 4 geni (nalaze se na krajevima kromosoma u blizini telomera)
uključeni su u kontrolu starenja stanica jer Sir proteini djeluju kao
deacetilaze
Burzynski SR. Gene silencing - a new theory of aging. Med
Hypotheses. 2003;60:578-83.
96-godišnja manekenka poznate
kozmetičke kuće (U.K.)