Efectele restricției de calorii asupra autofagiei: rol în intervenția îmbătrânirii

Vă rugăm să faceți clicoscar.xiao@wecistanche.compentru mai multe informatii

Abstract:Autofagia este un proces important de întreținere care menține homeostazia celulară adecvată în condiții fiziologice și/sau patologice normale. Este responsabil pentru eliminarea și reciclarea macromoleculelor metabolice și a organelelor deteriorate prin procese largi de degradare lizozomală. În condiții de stres, inclusiv deficiență de nutrienți, autofagia este în mod substanțial activată pentru a menține funcția celulară adecvată și pentru a promova supraviețuirea celulelor. Procesele de autofagie alterate au fost raportate în diferite studii privind îmbătrânirea, iar autofagia dereglată este asociată cu diferite boli asociate vârstei. Restricția calorică (CR) este considerată standardul de aur pentru multe metode de intervenție pentru îmbătrânire. Deși este clar că CR are efecte diverse în contracararea procesului de îmbătrânire, mecanismele exacte prin care modulează acele procese sunt încă controversate. Progresele recente în cercetarea CR au sugerat că activarea autofagiei este legată de efectele benefice anti-îmbătrânire observate. Dovezile au arătat că CR a indus un răspuns autofagie robust în diferite țesuturi metabolice și că inhibarea autofagiei a atenuat efectele anti-îmbătrânire ale CR. Mecanismele prin care CR modulează procesul complex de autofagie au fost investigate în profunzime. În această revizuire, vor fi discutate câteva progrese majore legate de mecanismele anti-îmbătrânire ale CR și mimeticele anti-îmbătrânire, concentrându-se pe modificarea răspunsului autofagiei.

Cuvinte cheie:îmbătrânire; autofagie;restricție calorică (CR); CR mimetic

1. Introducere

1.1.Procedeul de autofagie

Autofagia este un proces evolutiv bine conservat care are loc în toate celulele eucariote, de la drojdie la om [1]. Căile de semnalizare extrem de complexe legate de autofagie au fost studiate pe larg în ultimii 30 de ani și au fost elucidate prin studiul combinat al geneticii și fiziologiei la diferite specii [2]. Cel puțin trei forme diferite de autofagie au fost identificate până acum: macro-autofagie, micro-autofagie și autofagie mediată de însoțitori. Toate cele trei forme depind de degradarea lizozomală, macro-autofagia (denumită în continuare autofagie) fiind cea mai răspândită formă. Odată activată, autofagia implică sechestrarea componentelor citosolice (organele celulare deteriorate, proteine ​​sau alți nutrienți macromolecule) de către fagofori care se maturizează în autofagozomi, care sunt vezicule cu membrană dublă [2,3]. Autofagozomii se translocă în continuare și fuzionează în lizozomul acid și formează autolizozomul, unde au loc degradarea și reciclarea. Diversele substraturi și activitatea bazală a acestor procese sugerează că celulele sunt foarte dependente de ele pentru menținerea homeostaziei celulare. Importanța menținerii unui răspuns autofagie adecvat a fost demonstrată atât în ​​condiții fiziologice, cât și patologice [4].

dați clic aici pentru a afla mai multe

1.2. Mașinăria moleculară a procesului de autofagie

Mecanismele moleculare și căile de semnalizare care controlează autofagia au fost studiate pe larg [5]. Autofagia începe cu producerea de novo a componentelor autofagozomului, urmată de asamblarea condusă de acțiunea concertată a unui grup de proteine ​​numite ATG (gene legate de autofagie). Deoarece mecanismul molecular detaliat al procesului de autofagie a fost descris anterior în mai multe articole de revizuire, numai caracteristicile sale generale vor fi discutate în această recenzie. La începutul procesului de autofagie, formarea fagoforului este inițiată de la interfața reticulului endoplasmatic (ER)-mitocondrial și alungirea ulterioară a fagoforului depinde de Golgi și membranele plasmatice. Progresia formării autofagozomului este caracterizată în mare măsură prin recrutarea proteinelor ATG la fagofor [6].

Formarea complexelor UMC-51-cum ar fi kinaza 1(ULK1, omolog cu drojdia ATG1) este cel mai timpuriu eveniment în formarea autofagozomului. Activarea ULK1 se află în amonte de recrutarea altor proteine ​​ATG, iar activitatea kinazei ULK1 este necesară pentru recrutarea complexului VPS34 (o PI3-kinază de clasă III) la fagofor. Acest lucru este crucial pentru fosforilarea fosfatidilinozitolului (PtdIns) și producerea ulterioară de PtdIns 3-fosfat. Recrutarea în continuare a proteinelor de legare a fosfolipidelor la fagofor este importantă pentru stabilizarea complexelor proteice din apropierea locului de formare a autofagozomului. Două sisteme de conjugare sunt implicate în procesul de alungire a veziculelor. Conjugarea ATG5 la complexul ATG12 necesită sistemul de conjugare asemănător ubiquitinei care implică ATG7 și ATG10.bioflavonoide din citriceComplecșii ATG5-ATG12 conjugați sunt necesari pentru a conjuga în continuare fosfoetanolamina (PE) la ATG8 (proteina asociată microtubulilor 1, lanț ușor 3; LC3). ATG4, ATG7 și ATG3 sunt necesare pentru acest proces de conjugare. Conversia LC3 din LC3-I (forma solubilă) în LC3-II (forma asociată veziculelor) prin conjugarea PE se consideră că este necesară pentru închiderea membranei autofagozomale în expansiune. În cele din urmă, autofagozomul matur este fuzionat cu lizozomul pentru a îndeplini scopul principal al procesului, culminând cu degradarea și reciclarea substraturilor din autofagozom.

1.3. Autofagia este reglată de semnalizarea de detectare a nutrienților

O varietate de stimuli importanți din punct de vedere fiziologic induc procesul de autofagie, inclusiv deteriorarea organelor (ER, mitocondrii), hipoxia și inflamația [2]. Cu toate acestea, nutrienții și stresul energetic sunt cei mai puternici regulatori ai procesului de autofagie [7]. Modificările stării energetice celulare, cum ar fi retragerea nutrienților, cum ar fi glucoza și aminoacizii, induc activarea procesului de autofagie, de la inițiere până la terminare [8]. Nivelurile de nutrienți pot fi recunoscute direct de către mașina de semnalizare din amonte a autofagiei pentru a regla inițierea acesteia ca răspuns la schimbarea nivelurilor de energie celulară (Figura 1).

Cistanche ar putea anti-imbatranire

Dintre toate moleculele de semnalizare asociate nutrienților, ținta mamiferelor a rapamicinei (mTOR) a fost arătată ca fiind unul dintre modulatorii cheie ai semnalizării autofagiei [9,10]. mTOR este o serină/treonin kinază foarte conservată, care este reglată de semnale multiple, inclusiv niveluri de energie, factori de creștere și alți factori de stres celulari, pentru a coordona proliferarea/creșterea celulară și pentru a menține homeostazia energetică. mTOR formează un complex, care este cunoscut sub numele de mTORC1 (mTOR). complex1) și mTORC2 (complexul mTOR 2).mTORC1 este legat de modificările de semnalizare autofagie și este activat în prezența nutrienților sau a factorilor de creștere. mTORC1 este de obicei activat în condiții bogate în nutrienți ]11. Poate fi activat direct printr-o concentrație crescută de aminoacizi în celulă sau ca semnalizare în aval prin acțiunea factorilor de creștere [11,12]. Odată activat, mTORC1 fosforilează direct ULK1[13]. În mod critic, activarea mTORC1 este suficientă pentru a inhiba autofagia în prezența unor nutrienți suficienti [14]. Reprimarea directă a kinazei ULK1 de către mTORC1 este, de asemenea, bine conservată între specii [15]. Alte componente ale complexului ATG interacționează direct cu mTORC1 și reprimă procesul de autofagie [16]. În plus, mTORC1 poate suprima indirect autofagia prin controlul biogenezei lizozomului [17,18]. Factorul de transcripție EB (TFEB) este responsabil pentru transcrierea genelor lizozomale și legate de autofagie[19]. Fosforilarea TFEB mediată de mTORC1-îi scade activitatea transcripțională, scăzând astfel expresia generală a expresiei genelor legate de autofagie [20,21].

Figura 1. Autofagia este reglată de semnalizarea de detectare a nutrienților. Semnalizarea autofagiei este modulată în principal de căile de semnalizare sensibile la nutrienți. Insulina și IGF (factorul de creștere asemănător insulinei) induc activarea țintei mamiferelor a semnalizării rapamicinei (mTOR) și inhibă inițierea autofagiei. Activarea proteinei kinazei activate de AMP (AMPK) printr-un raport AMP/ATP crescut în timpul înfometării crește direct autofagia și inhibă complexul mTOR. Activarea proteinei care leagă CRE (CREB) prin semnalizarea glucagonului și activarea receptorului activat de factorul de proliferare a peroxizomilor (PPAR) de către liganzii săi crește nivelul de transcripție a genei a autofagiei și proteinelor înrudite cu lizozomi.

În condiții de deficit de nutrienți, activarea autofagiei este reglată de mai multe proteine ​​bine-cunoscute de semnalizare sensibile a nutrienților. Unul dintre cei mai importanți jucători în detectarea deprivării de nutrienți este protein kinaza activată de AMP (AMPK) [13,22]. Raportul molecular dintre ATP și AMP reflectă nivelurile de energie ale celulei, iar nivelurile crescute de AMP reprezintă un sistem intern de avertizare al celulei care induce celula să economisească energie pentru menținerea homeostaziei metabolice. AMP este detectat direct de AMPK, iar AMPK activat a fost caracterizat și demonstrat că are funcții multiple în reglarea metabolismului celular. Există mai multe mecanisme prin care AMPK induce autofagia. În primul rând, AMPK fosforilează direct ULK, care este un proces care este necesar pentru activarea ULK1 și inițierea autofagiei în condiții de privare de nutrienți[13]. Interacțiunea dintre AMPK și ULK1 poate fi blocată de fosforilarea ULK1 mediată de mTORC1-, indicând o conexiune complicată între aceste două căi. În al doilea rând, AMPK este un regulator negativ al căii de semnalizare mTOR [23]. Din punct de vedere mecanic, AMPK fosforilează direct complexul asociat tuberculozei (TSC), care este un regulator negativ al activării mTORC1. AMPK, de asemenea, fosforilează direct subunitatea Raptor a complexului mTORC1, crescând degradarea complexului mTORC1. Aceste studii au demonstrat în mod clar că AMPK, un regulator critic al disponibilității nutrienților, este capabil să regleze activitatea autofagiei prin coordonarea mecanismelor independente și dependente de mTOR.

1.4.Autofagie și îmbătrânire

Îmbătrânirea este asociată cu diverse modificări, inclusiv instabilitatea genomică, pierderea proteostazei, modificări epigenetice și căi dereglate de sensibilizare a nutrienților [24]. Aceste modificări sunt, de asemenea, asociate cu numeroase boli legate de vârstă, inclusiv boli cardiovasculare, boli neurodegenerative și boli metabolice. Printre modificările care apar în timpul îmbătrânirii, unele sunt asociate cu căile de semnalizare legate de autofagie [24,25]. O scădere a activității proteolitice generale și alterarea semnalizării de detectare a nutrienților este direct asociată cu autofagia. Într-adevăr, scăderea autofagiei odată cu îmbătrânirea a fost raportată pe scară largă într-o gamă largă de organisme, unde s-a demonstrat că are loc o acumulare progresivă de proteine ​​și organele celulare deteriorate [26].beneficii cynomoriumScăderea nivelului de transcripții genetice și proteine ​​legate de autofagie a fost detectată la nematozi și la musca de fructe [27-29]. Țesuturile îmbătrânite de la mamifere și oameni au arătat, de asemenea, o expresie mai scăzută a proteinelor cheie autofagie [30-32]. În concordanță cu modificările nivelurilor componentelor autofagiei, studiile recente au arătat în continuare o scădere a capacității autofagice generale în timpul îmbătrânirii la C.elegans [33]. Observațiile la microscopie electronică au arătat o acumulare legată de vârstă de vacuole autofagice, care reprezintă blocarea fluxului autofagiei. În mod similar, activitatea generală de proteoliză este afectată în timpul procesului de îmbătrânire, iar proteinele cu viață lungă care nu au fost degradate corespunzător au fost detectate în ficat la șobolanii în vârstă [34].

Alte dovezi izbitoare între îmbătrânire și autofagie provin din mai multe modele genetice ale autofagiei afectate. Un screening imparțial pentru factorii de îmbătrânire a drojdiei, nematodelor și muștelor de fructe a dezvăluit mutanți de scurtă durată cu defecte în autofagie [27,35,36]. Mai mult, la șoarecii knockout, ștergerea întregului corp a genelor legate de autofagie a dus la moartea postnatală timpurie, indicând un rol esențial al autofagiei în menținerea generală a proceselor fiziologice [37-39]. Modelele de șoareci knockout condiționate specifice țesutului au dezvăluit, de asemenea, multiplele fenotipuri ale îmbătrânirii, inclusiv agregarea și acumularea de proteine ​​intracelulare, organite celulare și alte macromolecule [40-43]. Pierderea activității autofagice în aceste modele este probabil să restrângă din ce în ce mai mult capacitatea celulelor de a menține controlul calității, ceea ce duce la acumularea de insulte toxice și duce la îmbătrânire și patologii asociate vârstei [3]. Pe de altă parte, acumularea de dovezi sugerează că autofagia îmbunătățită experimental prelungește durata de viață și întârzie fenotipul îmbătrânit. Supraexprimarea genelor specifice autofagiei poate prelungi durata de viață a mai multor specii. Reglarea în creștere a activității autofagice poate extinde longevitatea la C.elegans, precum și la drojdie, în timp ce supraexprimarea omniprezentă a Atg5 la șoareci este suficientă pentru a stimula autofagia și a prelungi durata de viață [44,45]. În mod colectiv, aceste observații indică faptul că modificările activității autofagice pot fi asociate cu longevitatea și că creșterea funcției autofagice poate fi o abordare eficientă pentru a întârzia îmbătrânirea și pentru a promova longevitatea la diferite specii, inclusiv la mamifere.

Mecanismele prin care componentele autofagiei sau procesele autofagice scad odată cu vârsta rămân neclare. Deoarece procesul de autofagie, de la inițiere până la finalizare, este complex și asociat cu diverse etape și proteine ​​diferite, este probabil ca mecanismele care contribuie la scăderea autofagiei asociată vârstei să fie multifactoriale. Cel mai plauzibil mecanism de reglare care contribuie la autofagia suprimată în îmbătrânire este o schimbare a semnalizării din amonte în timpul inițierii autofagiei. Două proteine ​​importante sensibile la nutrienți, mTOR și AMPK, joacă un rol important în reglarea inițierii autofagiei[10,13]. În plus, acești factori reflectă starea unei celule, cum ar fi reglarea hormonală (în afara celulei) și stresul nutrițional (în interiorul celulei). Senzorul de nutrienți mTOR inhibă puternic nu numai inițierea autofagiei, dar exercită și un efect inhibitor asupra mai multor etape din procesul de autofagie. Este posibil ca semnalizarea mTOR crescută în timpul îmbătrânirii să joace un rol important în suprimarea autofagiei asociată cu vârsta. Deoarece activitate crescută a mTOR a fost raportată în diferite boli legate de vârstă, inclusiv tulburări metabolice și degenerative, este plauzibil ca semnalizarea mTOR crescută să fie cauza predominantă a reglării în jos a procesului general de autofagie [46]. Spre deosebire de mTOR, care este de obicei hiperactivat în timpul îmbătrânirii, activitatea sau expresia AMPK este de obicei suprimată [47]. Este plauzibil ca scăderea AMPK să influențeze sau să suprime autofagia și să acționeze în concordanță cu mTOR. În acest scop, deși mecanismele care perturbă semnalizarea autofagiei în timpul îmbătrânirii sunt multifactoriale, este clar că modificările în căile sale din amonte sunt critice pentru reglarea acesteia.

Un alt posibil mecanism responsabil pentru scăderea autofagiei observată la îmbătrânire este reglarea transcripțională. TFEB a fost descris anterior ca un regulator al transcripției genelor legate de autofagie; cu toate acestea, studii recente au dezvăluit alți factori importanți de transcripție care reglează expresia genică a proteinelor legate de autofagie. Proteina de legare a factorului transcripțional de post (CREB) este suprareglată de glucagon în condiții de privare de nutrienți și, de asemenea, reglează expresia genei autofagie, inclusiv ATG7, ULK1 și TFEB. În plus față de CREB, receptorul activat de factorul de proliferare a peroxizomilor (PPAR), un alt factor de transcripție care joacă un rol în foamete, de asemenea, dirijează transcrierea genelor autofagie [19,4849]. Ambii factori de transcripție pot acționa în comun pentru a crește expresia genelor legate de autofagie. Deleția genetică a ambilor factori de transcripție a redus autofagia și a condus la un răspuns metabolic inadecvat, în special în cazul lipsei de nutrienți. Deși nu există dovezi directe că acestea joacă un rol în autofagia defectuoasă în timpul îmbătrânirii, există unele dovezi că sunt importante și dereglate în timpul îmbătrânirii [50-52]. Vor fi necesare studii suplimentare pentru a dezvălui relația dintre acești factori de transcripție și autofagia defectuoasă în timpul îmbătrânirii.

2. Restricția calorică (CR) modulează procesele de autofagie

2.1.Introducere în Restricția Caloriilor

Restricția calorică (CR) s-a dovedit a fi o metodă consacrată de prelungire a vieții care reglează bolile legate de vârstă, precum și îmbătrânirea în sine.zambila de desertDeși diferită ca metodologie (de obicei 20% -40% aport ad libitum, 40% reducere în majoritatea cazurilor), CR a arătat o durată de viață prelungită la o gamă largă de specii, de la drojdie la primate non-umane și sprijină îmbătrânirea sănătoasă a oamenilor [ 53]. În plus, CR exercită efecte preventive asupra diferitelor afecțiuni legate de vârstă, cum ar fi cancerul, bolile neurodegenerative, cardiovasculare și alte boli metabolice [54]. Eficacitatea diversă a CR în contracararea îmbătrânirii și a bolilor legate de vârstă a făcut din acesta standardul de aur al studiilor de intervenție în materie de îmbătrânire. Deși efectele anti-îmbătrânire ale CR sunt reproductibile, mecanismele exacte ale modului în care CR își exercită efectele anti-îmbătrânire sunt discutabile, deoarece CR reglează mai multe aspecte diferite ale fiziologiei. Aceste modificări includ modificări ale semnalizării de detectare a energiei, stresul oxidativ, inflamația și alte procese intercelulare și intracelulare. Dintre numeroasele modificări induse de CR, producția și utilizarea energiei sunt semnalarea cea mai direct reglementată exercitată de CR[55,56]. Deoarece aportul redus de energie și modificările stării nutriționale după CR pot schimba căile de semnalizare moleculară asociate cu mecanismele de detectare a energiei, alte mecanisme pot fi efecte secundare ale acestui proces.

2.2. Dovezi pentru efectele benefice ale autofagiei mediate de CR

Pe baza mecanismului de inducție al autofagiei și a rolului său în timpul înfometării, s-a prezis că CR ar putea induce procesul autofagic. Într-adevăr, în multe situații diferite de condiții de privare de nutrienți, inclusiv în CR, autofagia este indusă pentru a regla homeostazia organismului. Deși este clar că CR reprezintă un inductor puternic fiziologic autofagic, este incert dacă autofagia contribuie la efectele anti-îmbătrânire ale CR. Recent, mai multe studii au arătat că inducerea autofagiei a fost esențială pentru efectele anti-îmbătrânire ale CR (Tabelul 1).metoda extractiei flavonoidelor pdfS-a demonstrat că CR promovează longevitatea sau protejează de hipoxie printr-un proces de inducere a autofagiei dependent de Sirtuin{0}}[57,58]. Un alt studiu a mai arătat că extinderea vieții prin restricție de metionină necesită activarea autofagiei[59]. Dovezile tot mai mari susțin ideea că autofagia are un rol substanțial în efectele benefice ale CR[60,61]. Pe lângă cercetările privind longevitatea, alte studii au arătat că CR induce în mod robust autofagia în diferite condiții fiziologice și patologice și că are un efect protector asupra menținerii funcțiilor normale în organism. În secțiunea următoare, va fi discutat rolul protector al autofagiei în condiții CR.

Tabelul 1. Studiile arată efectele protectoare ale autofagiei induse de restricția calorică (CR) în diferite organe. LC3: lanț ușor 3.

Acest articol este Nutrienți 2019, 11, 2923; doi:10.3390/nu11122923 www.mdpi.com/journal/nutrients