STÁRNUTÍ. MUDr. Jan Pláteník, PhD Ústav lékařské biochemie a laboratorní diagnostiky 1.LF UK. Co je to stárnutí

Transkript

1 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 let, nemění se 1

2 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

3 Radikálová teorie stárnutí Nahromadění oxidačního poškození s věkem je příčinou stárnutí Dr. Denham Harman, Reaktivní formy kyslíku v organismu: Jednoelektronovou redukcí kyslíku (mitochondrie, NADPH oxidasa) vzniká superoxid O 2 Dismutace superoxidu produkuje peroxid vodíku: O 2 + O H + O 2 + H 2 O 2 Fentonova reakce s Fe nebo Cu vytvoří z peroxidu hydroxylový radikál: H 2 O 2 + Fe 2+ OH + OH + Fe 3+ Ionizační záření: Hydroxylový radikál vzniká ionizací vody: H 2 O + hν H + OH 3

4 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

5 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 O 2 kratší život) U většiny savců je délka života dána určitou sumou srdečních tepů/spotřebou O 2 : Kůň: 0,2 L O 2 na kg a hodinu, žije max. 35 let L O 2 /kg za život Veverka: 1 L O 2 na kg a hodinu, žije max. 7 let L O 2 /kg za život (též známo jako rate-of-living theory nyní jako teorie stárnutí odmítáno kvůli četným výjimkám) 5

6 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) Methylglyoxal + Arg Arg Protein (Glyoxalase 1, 2, GSH) AGE AGE Protein 6

7 Glyoxalasa 1 prodlužuje život červu C. elegans Morcos M et al. Aging Cell 2008; 7: 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.: 7

8 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.: 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 metalothionein hemoxygenasa 1 vyšší odolnost vůči dalšímu oxidačnímu stresu propagace zánětu 8

9 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

10 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 nežčlověk K.O. myšího genu pro telomerasu: předčasné stárnutí až po několika generacích, výskyt lidských epiteliálních nádorů (karcinomů) 10

11 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) Obr.: 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 11

12 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

13 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), ) Katastrofické stárnutí: Tichomořský losos 13

14 Živočichové, kteří žijí déle než by měli: Výjimky ze vztahu délka života spotřeba kyslíku Krunýř Křídla Vyspělý mozek Obr.: 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 O 2 asi 10x menší Obr.: 14

15 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 Příklady u lidí: Huntingtonova chorea Hemochromatosa (T.B.L.Kirkwood & S.N. Austad, Nature 408 (2000), ) 15

16 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.: 16

17 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 ( 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: ) 17

18 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

19 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

20 ? 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