Kaloriju ierobežojuma ietekme uz autofagiju: novecošanas iejaukšanās loma

Lūdzu, noklikšķinietoscar.xiao@wecistanche.comlai iegūtu vairāk informācijas

Abstract:Autofagija ir svarīgs mājturības process, kas uztur pareizu šūnu homeostāzi normālos fizioloģiskos un/vai patoloģiskos apstākļos. Tas ir atbildīgs par vielmaiņas makromolekulu un bojāto organellu iznīcināšanu un pārstrādi, izmantojot plašus lizosomu degradācijas procesus. Stresa apstākļos, tostarp barības vielu deficīta gadījumā, autofagija tiek būtiski aktivizēta, lai uzturētu pareizu šūnu darbību un veicinātu šūnu izdzīvošanu. Ir ziņots par mainītiem autofagijas procesiem dažādos novecošanas pētījumos, un disregulēta autofagija ir saistīta ar dažādām ar vecumu saistītām slimībām. Kaloriju ierobežojums (CR) tiek uzskatīts par zelta standartu daudzām novecošanas iejaukšanās metodēm. Lai gan ir skaidrs, ka CR ir dažāda ietekme, novēršot novecošanās procesu, precīzi mehānismi, ar kuriem tā modulē šos procesus, joprojām ir pretrunīgi. Nesenie sasniegumi CR pētījumos liecina, ka autofagijas aktivizēšana ir saistīta ar novēroto labvēlīgo pretnovecošanās iedarbību. Pierādījumi parādīja, ka CR izraisīja spēcīgu autofagijas reakciju dažādos vielmaiņas audos un ka autofagijas inhibīcija mazināja CR pretnovecošanās efektu. Ir padziļināti izpētīti mehānismi, ar kuriem CR modulē sarežģīto autofagijas procesu. Šajā pārskatā tiks apspriesti vairāki nozīmīgi sasniegumi, kas saistīti ar CR pretnovecošanās mehānismiem un pretnovecošanās mimētikas līdzekļiem, koncentrējoties uz autofagijas reakcijas modifikāciju.

Atslēgvārdi:novecošana; autofagija;kaloriju ierobežojums (CR); CR mimētika

1. Ievads

1.1.Autofagijas process

Autofagija ir evolucionāri labi konservēts process, kas notiek visās eikariotu šūnās no rauga līdz cilvēkiem [1]. Ļoti sarežģītie ar autofagiju saistītie signalizācijas ceļi ir plaši pētīti pēdējos 30 gadus, un tie ir noskaidroti, kombinējot dažādu sugu ģenētikas un fizioloģijas pētījumus [2]. Līdz šim ir identificētas vismaz trīs dažādas autofagijas formas: makro-autofagija, mikro-autofagija un šaperona mediētā autofagija. Visas trīs formas ir atkarīgas no lizosomu degradācijas, un makro-autofagija (turpmāk tekstā autofagija) ir visizplatītākā forma. Kad autofagija ir aktivizēta, tā ietver citozola komponentu (bojātu šūnu organellu, proteīnu vai citu makromolekulu barības vielu) sekvestrēšanu ar fagoforiem, kas nobriest autofagosomās, kas ir dubultmembrānas pūslīši [2,3]. Autofagosomas tālāk pārvietojas un saplūst ar skābo lizosomu un veido autolizosomu, kur notiek degradācija un pārstrāde. Šo procesu daudzveidīgie substrāti un bazālā aktivitāte liecina, ka šūnas ir ļoti atkarīgas no tām, lai uzturētu šūnu homeostāzi. Ir pierādīts, ka ir svarīgi uzturēt adekvātu autofagijas reakciju gan fizioloģiskos, gan patoloģiskos apstākļos [4].

lūdzu, noklikšķiniet šeit, lai uzzinātu vairāk

1.2. Autofagijas procesa molekulārā iekārta

Molekulārie mehānismi un signalizācijas ceļi, kas kontrolē autofagiju, ir plaši pētīti [5]. Autofagija sākas ar autofagosomu komponentu de novo ražošanu, kam seko montāža, ko virza proteīnu grupas, ko sauc par ATG (ar autofagiju saistīti gēni), saskaņota darbība. Tā kā autofagijas procesa detalizētā molekulārā iekārta iepriekš ir aprakstīta vairākos pārskata rakstos, šajā pārskatā tiks aplūkotas tikai tās vispārējās iezīmes. Autofagijas procesa sākumā fagofora veidošanās tiek uzsākta no endoplazmatiskā tīkla (ER) un mitohondriju saskarnes, un turpmāka fagofora pagarināšanās ir atkarīga no Golgi un plazmas membrānām. Autofagosomu veidošanās progresēšanu lielā mērā raksturo ATG proteīnu piesaiste fagoforā [6].

UMC{0}}kā kināzes 1 (ULK1, homologs rauga ATG1) kompleksu veidošanās ir agrākais notikums autofagosomas veidošanā. ULK1 aktivācija notiek pirms citu ATG proteīnu piesaistes, un ULK1 kināzes aktivitāte ir nepieciešama, lai fagoforā piesaistītu VPS34 kompleksu (III klases PI3- kināze). Tas ir ļoti svarīgi fosfatidilinozīta (PtdIns) fosforilēšanai un sekojošai PtdIns 3- fosfāta ražošanai. Fosfolipīdus saistošo proteīnu turpmāka piesaistīšana fagoforam ir svarīga proteīnu kompleksu stabilizēšanai netālu no autofagosomu veidošanās vietas. Vezikulu pagarināšanas procesā ir iesaistītas divas konjugācijas sistēmas. ATG5 konjugācijai ar ATG12 kompleksu ir nepieciešama ubikvitīnam līdzīga konjugācijas sistēma, kas ietver ATG7 un ATG10.citrusaugļu bioflavonoīdiKonjugētie ATG5-ATG12 kompleksi ir nepieciešami, lai tālāk konjugētu fosfoetanolamīnu (PE) ar ATG8 (ar mikrotubuliem saistītā proteīna 1. vieglā ķēde 3; LC3). Šim konjugācijas procesam ir nepieciešami ATG4, ATG7 un ATG3. Tiek uzskatīts, ka LC3 pārvēršana no LC3-I (šķīstošā forma) uz LC3-II (ar pūslīšu saistītu formu), izmantojot PE konjugāciju, ir nepieciešama, lai aizvērtu paplašinās autofagosomu membrānu. Visbeidzot, nogatavinātā autofagosoma tiek sapludināta ar lizosomu, lai izpildītu procesa galveno mērķi, kas beidzas ar substrātu degradāciju un pārstrādi autofagosomā.

1.3. Autofagiju regulē barības vielu uztveršanas signalizācija

Autofagijas procesu izraisa dažādi fizioloģiski svarīgi stimuli, tostarp organellu (ER, mitohondriju) bojājumi, hipoksija un iekaisums [2]. Tomēr barības vielas un enerģijas stress ir visspēcīgākie autofagijas procesa regulatori [7]. Šūnu enerģētiskā stāvokļa izmaiņas, piemēram, barības vielu, piemēram, glikozes un aminoskābju, izņemšana, izraisa autofagijas procesa aktivizēšanos no sākuma līdz beigām [8]. Uzturvielu līmeni var tieši atpazīt ar autofagijas augšpuses signalizācijas mehānismu, lai regulētu tā sākšanos, reaģējot uz mainīgajiem šūnu enerģijas līmeņiem (1. attēls).

Cistanche varētu novērst novecošanos

No visām ar uzturvielām saistītajām signalizācijas molekulām rapamicīna (mTOR) zīdītāju mērķis ir parādīts kā viens no galvenajiem autofagijas signālu modulatoriem [9, 10]. mTOR ir ļoti konservēta serīna/treonīna kināze, ko regulē vairāki signāli, tostarp enerģijas līmenis, augšanas faktori un citi šūnu stresa faktori, lai koordinētu šūnu proliferāciju/augšanu un uzturētu enerģijas homeostāzi. mTOR veido kompleksu, kas pazīstams kā mTORC1 (mTOR). komplekss1) un mTORC2 (mTOR komplekss 2).mTORC1 ir saistīts ar autofagijas signālu izmaiņām un tiek aktivizēts barības vielu vai augšanas faktoru klātbūtnē. mTORC1 parasti tiek aktivizēts ar uzturvielām bagātos apstākļos]11. To var tieši aktivizēt ar paaugstinātu aminoskābju koncentrāciju šūnā vai kā pakārtotu signālu, iedarbojoties augšanas faktoriem [11,12]. Pēc aktivizēšanas mTORC1 tieši fosforilē ULK1[13]. Kritiski mTORC1 aktivizēšana ir pietiekama, lai inhibētu autofagiju pietiekamu barības vielu klātbūtnē [14]. Tiešās ULK1 kināzes represijas ar mTORC1 ir arī labi saglabājušās visās sugās [15]. Citi ATG kompleksa komponenti tieši mijiedarbojas ar mTORC1 un nomāc autofagijas procesu [16]. Turklāt mTORC1 var netieši nomākt autofagiju, kontrolējot lizosomu bioģenēzi [17, 18]. Transkripcijas faktors EB (TFEB) ir atbildīgs par lizosomu un ar autofagiju saistīto gēnu transkripciju[19]. mTORC1-mediētā TFEB fosforilācija samazina tā transkripcijas aktivitāti, tādējādi samazinot ar autofagiju saistītās gēnu ekspresijas kopējo ekspresiju [20,21].

1. attēls. Autofagiju regulē barības vielu uztveršanas signalizācija. Autofagijas signalizāciju modulē galvenokārt barības vielu uztveršanas signalizācijas ceļi. Insulīns un IGF (insulīnam līdzīgais augšanas faktors) izraisa rapamicīna (mTOR) signālu zīdītāju mērķa aktivizēšanu un kavē autofagijas ierosināšanu. AMP aktivētās proteīnkināzes (AMPK) aktivizēšana ar palielinātu AMP/ATP attiecību bada laikā tieši palielina autofagiju un inhibē mTOR kompleksu. CRE saistošā proteīna (CREB) aktivācija ar glikagona signalizāciju un peroksisomu proliferācijas faktora aktivētā receptora (PPAR) aktivācija ar tā ligandiem palielina autofagijas un ar lizosomu saistīto proteīnu gēnu transkripcijas līmeni.

Barības vielu deficīta apstākļos autofagijas aktivizēšanu regulē vairāki labi zināmi barības vielu uztveršanas signalizācijas proteīni. Viens no ievērojamākajiem spēlētājiem barības vielu trūkuma noteikšanā ir AMP aktivētā proteīna kināze (AMPK) [13, 22]. ATP un AMP molekulārā attiecība atspoguļo šūnas enerģijas līmeni, un paaugstināts AMP līmenis ir iekšēja šūnu brīdinājuma sistēma, kas mudina šūnu taupīt enerģiju vielmaiņas homeostāzes uzturēšanai. AMP tieši uztver AMPK, un ir raksturots un pierādīts, ka aktivizētajam AMPK ir vairākas funkcijas šūnu metabolisma regulēšanā. Ir vairāki mehānismi, ar kuriem AMPK izraisa autofagiju. Pirmkārt, AMPK tieši fosforilē ULK, kas ir process, kas nepieciešams ULK1 aktivācijai un autofagijas ierosināšanai barības vielu trūkuma apstākļos[13]. AMPK un ULK1 mijiedarbību var bloķēt mTORC1-mediētā ULK1 fosforilēšana, kas norāda uz sarežģītu saistību starp šiem diviem ceļiem. Otrkārt, AMPK ir mTOR signalizācijas ceļa negatīvs regulators [23]. Mehāniski AMPK tieši fosforilē ar tuberkulozi saistīto kompleksu (TSC), kas ir negatīvs mTORC1 aktivācijas regulators. AMPK arī tieši fosforilē mTORC1 kompleksa Raptor apakšvienību, palielinot mTORC1 kompleksa degradāciju. Šie pētījumi skaidri parādīja, ka AMPK, kas ir kritisks barības vielu pieejamības regulators, spēj regulēt autofagijas aktivitāti, koordinējot no mTOR atkarīgos un neatkarīgos mehānismus.

1.4.Autofagija un novecošana

Novecošana ir saistīta ar dažādām izmaiņām, tostarp genoma nestabilitāti, proteostāzes zudumu, epiģenētiskām izmaiņām un deregulētiem barības vielu uztveršanas ceļiem [24]. Šīs izmaiņas ir saistītas arī ar daudzām ar vecumu saistītām slimībām, tostarp sirds un asinsvadu slimībām, neirodeģeneratīvām slimībām un vielmaiņas slimībām. Starp izmaiņām, kas notiek novecošanas laikā, dažas ir saistītas ar ar autofagiju saistītiem signalizācijas ceļiem [24, 25]. Vispārējās proteolītiskās aktivitātes samazināšanās un izmainīta barības vielu uztveršanas signalizācija ir tieši saistīta ar autofagiju. Patiešām, par autofagijas samazināšanos līdz ar novecošanu plaši ziņots plašā organismu lokā, kur tika pierādīta bojātu olbaltumvielu un šūnu organellu pakāpeniska uzkrāšanās [26].cynomorium priekšrocībasAr autofagiju saistīto gēnu transkriptu un proteīnu līmeņa pazemināšanās ir konstatēta nematodēs un augļu mušās [27-29]. Novecojuši zīdītāju un cilvēku audi arī uzrādīja zemāku galveno autofagijas proteīnu ekspresiju [30-32]. Atbilstoši izmaiņām autofagijas komponentu līmeņos, jaunākie pētījumi arī parādīja, ka C.elegans novecošanas laikā samazinās vispārējā autofagiskā kapacitāte [33]. Elektronu mikroskopijas novērojumi parādīja ar vecumu saistītu autofagisko vakuolu uzkrāšanos, kas atspoguļo autofagijas plūsmas bloķēšanu. Tāpat novecošanas procesā tiek traucēta kopējā proteolīzes aktivitāte, un vecu žurku aknās ir konstatētas ilgstošas ​​​​olbaltumvielas, kas netika pienācīgi noārdītas [34].

Papildu pārsteidzoši pierādījumi starp novecošanu un autofagiju nāk no vairākiem traucētas autofagijas ģenētiskajiem modeļiem. Neobjektīvs rauga, nematožu un augļu mušu novecošanās faktoru skats atklāja īslaicīgus mutantus ar autofagijas defektiem [27, 35, 36]. Turklāt nokautētām pelēm ar autofagiju saistīto gēnu izdzēšana visā ķermenī izraisīja agrīnu pēcdzemdību nāvi, kas norāda uz autofagijas būtisku lomu vispārējā fizioloģisko procesu uzturēšanā [37-39]. Audiem specifiski nosacīti nokautu peļu modeļi atklāja arī vairākus novecošanas fenotipus, tostarp intracelulāro proteīnu, šūnu organellu un citu makromolekulu agregāciju un uzkrāšanos [40-43]. Autofagiskās aktivitātes zudums šajos modeļos, visticamāk, arvien vairāk ierobežos šūnu spēju uzturēt kvalitātes kontroli, izraisot toksisku apvainojumu uzkrāšanos un izraisot novecošanos un ar vecumu saistītas patoloģijas [3]. No otras puses, uzkrājošie pierādījumi liecina, ka eksperimentāli uzlabota autofagija pagarina dzīves ilgumu un aizkavē novecojušo fenotipu. Specifisku autofagijas gēnu pārmērīga ekspresija var pagarināt vairāku sugu dzīves ilgumu. Autofagiskās aktivitātes regulēšana var pagarināt C.elegans, kā arī rauga ilgmūžību, savukārt visuresošā Atg5 pārmērīga ekspresija pelēm ir pietiekama, lai stimulētu autofagiju un pagarinātu dzīves ilgumu [44,45]. Kopumā šie novērojumi liecina, ka izmaiņas autofagiskajā aktivitātē var būt saistītas ar ilgmūžību un ka autofagiskās funkcijas palielināšana var būt efektīva pieeja, lai aizkavētu novecošanos un veicinātu ilgmūžību dažādām sugām, tostarp zīdītājiem.

Mehānismi, ar kuriem autofagijas komponenti vai autofagiskie procesi samazinās līdz ar vecumu, joprojām nav skaidri. Tā kā autofagijas process no sākuma līdz pabeigšanai ir sarežģīts un saistīts ar dažādiem posmiem un dažādiem proteīniem, iespējams, ka mehānismi, kas veicina ar vecumu saistītu autofagijas samazināšanos, ir daudzfaktoriāli. Visticamākais regulējošais mehānisms, kas veicina nomāktu autofagiju novecošanas laikā, ir izmaiņas augšupējā signalizācijā autofagijas ierosināšanas laikā. Diviem svarīgiem barības vielu jutīgiem proteīniem, mTOR un AMPK, ir svarīga loma autofagijas ierosināšanas regulēšanā [10, 13]. Turklāt šie faktori atspoguļo šūnas stāvokli, piemēram, hormonālo regulējumu (ārpus šūnas) un uztura stresu (šūnas iekšienē). Uzturvielu sensors mTOR spēcīgi kavē ne tikai autofagijas sākšanos, bet arī inhibē vairākus autofagijas procesa posmus. Iespējams, ka palielinātai mTOR signalizācijai novecošanas laikā ir svarīga loma ar vecumu saistītā autofagijas nomākšanā. Tā kā ir ziņots par palielinātu mTOR aktivitāti dažādās ar vecumu saistītās slimībās, tostarp vielmaiņas un deģeneratīvos traucējumos, ir ticams, ka palielināta mTOR signalizācija ir galvenais vispārējā autofagijas procesa pazemināšanās cēlonis [46]. Atšķirībā no mTOR, kas parasti tiek hiperaktivēts novecošanas laikā, AMPK aktivitāte vai ekspresija parasti tiek nomākta [47]. Ir ticams, ka samazināts AMPK var ietekmēt vai nomākt autofagiju un darboties saskaņoti ar mTOR. Šim nolūkam, lai gan mehānismi, kas novecošanas laikā traucē autofagijas signālu pārraidi, ir daudzfaktoriāli, ir skaidrs, ka modifikācijas tā augšējos ceļos ir būtiskas tās regulēšanai.

Vēl viens iespējamais mehānisms, kas ir atbildīgs par novecošanas laikā novēroto autofagijas samazināšanos, ir transkripcijas regulēšana. TFEB iepriekš tika aprakstīts kā ar autofagiju saistītās gēnu transkripcijas regulators; tomēr jaunākie pētījumi ir atklājuši citus svarīgus transkripcijas faktorus, kas regulē ar autofagiju saistīto proteīnu gēnu ekspresiju. Barības vielu trūkuma apstākļos glikagons regulē tukšā dūšā transkripcijas faktora CRE saistošo proteīnu (CREB), un tas arī pārregulē autofagijas gēna ekspresiju, tostarp ATG7, ULK1 un TFEB. Papildus CREB, peroksisomu proliferācijas faktora aktivētais receptors (PPAR), vēl viens transkripcijas faktors, kam ir nozīme badā, arī vada autofagijas gēnu transkripciju [19,4849]. Abi transkripcijas faktori var darboties saskaņoti, lai palielinātu ar autofagiju saistīto gēnu ekspresiju. Abu transkripcijas faktoru ģenētiskā dzēšana samazināja autofagiju un izraisīja nepietiekamu vielmaiņas reakciju, īpaši barības vielu trūkuma gadījumā. Lai gan nav tiešu pierādījumu par to, vai tiem ir nozīme bojātā autofagijā novecošanas laikā, ir daži pierādījumi, ka tie ir svarīgi un neregulēti novecošanas laikā [50-52]. Būs nepieciešami turpmāki pētījumi, lai atklātu saistību starp šiem transkripcijas faktoriem un bojātu autofagiju novecošanas laikā.

2. Kaloriju ierobežojums (CR) modulē autofagijas procesus

2.1. Ievads kaloriju ierobežošanā

Ir pierādīts, ka kaloriju ierobežošana (CR) ir iedibināta dzīves pagarināšanas metode, kas regulē ar vecumu saistītas slimības, kā arī pašu novecošanos.tuksneša hiacinteLai gan metodoloģija atšķiras (parasti 20 procenti -40 procenti ad libitum uzņemšana, 40 procentu samazinājums vairumā gadījumu), CR uzrādīja ilgāku mūža ilgumu daudzām sugām, sākot no rauga līdz primātiem, kas nav cilvēkveidīgie primāti, un atbalsta veselīgu cilvēku novecošanu [ 53]. Turklāt CR profilaktiski iedarbojas uz dažādiem ar vecumu saistītiem stāvokļiem, piemēram, vēzi, neirodeģeneratīvām slimībām, sirds un asinsvadu slimībām un citām vielmaiņas slimībām [54]. CR daudzveidīgā efektivitāte novecošanās un ar vecumu saistītu slimību apkarošanā ir padarījusi to par novecošanas intervences pētījumu zelta standartu. Lai gan CR pretnovecošanās iedarbība ir atkārtojama, precīzi mehānismi, kā CR iedarbojas pret novecošanos, ir apstrīdami, jo CR regulē vairākus dažādus fizioloģijas aspektus. Šīs izmaiņas ietver izmaiņas enerģijas uztveršanas signalizācijā, oksidatīvo stresu, iekaisumu un citus starpšūnu un intracelulārus procesus. Starp daudzajām CR izraisītajām izmaiņām enerģijas ražošana un izmantošana ir vistiešāk regulētā signalizācija, ko rada CR[55,56]. Tā kā samazināts enerģijas patēriņš un uztura stāvokļa izmaiņas pēc CR var mainīt molekulāros signalizācijas ceļus, kas saistīti ar enerģijas uztveršanas mehānismiem, citi mehānismi var būt šī procesa sekundārie efekti.

2.2. Pierādījumi par CR-mediētās autofagijas labvēlīgo ietekmi

Pamatojoties uz autofagijas indukcijas mehānismu un tās lomu bada laikā, tika prognozēts, ka CR varētu izraisīt autofagisko procesu. Patiešām, daudzos dažādos barības vielu trūkuma apstākļos, tostarp CR, autofagija tiek ierosināta, lai regulētu organisma homeostāzi. Lai gan ir skaidrs, ka CR ir spēcīgs fizioloģiski autofagisks induktors, nav skaidrs, vai autofagija veicina CR pretnovecošanās efektu. Nesen vairāki pētījumi ir parādījuši, ka autofagijas indukcija bija būtiska CR pretnovecošanās iedarbībai (1.flavonoīdu ekstrakcijas metode pdfIr pierādīts, ka CR veicina ilgmūžību vai pasargā no hipoksijas, izmantojot Sirtuīna-1-atkarīgo autofagijas indukcijas procesu [57,58]. Cits pētījums arī parādīja, ka dzīves pagarināšanai, ierobežojot metionīnu, bija nepieciešama autofagijas aktivizēšana[59]. Pieaugošie pierādījumi apstiprina domu, ka autofagijai ir būtiska nozīme CR labvēlīgajā iedarbībā[60,61]. Papildus pētījumiem par ilgmūžību, citi pētījumi ir parādījuši, ka CR spēcīgi inducē autofagiju dažādos fizioloģiskos un patoloģiskos apstākļos un ka tai ir aizsargājoša iedarbība uz normālu organisma funkciju uzturēšanu. Nākamajā sadaļā tiks apspriesta autofagijas aizsargājošā loma CR apstākļos.

1. tabula. Pētījumi parāda kaloriju ierobežojuma (CR) izraisītas autofagijas aizsargājošo iedarbību dažādos orgānos. LC3: vieglā ķēde 3.

Šis raksts ir Uzturvielas 2019, 11, 2923; doi:10.3390/nu11122923 www.mdpi.com/journal/nutrients