of 41 /41
Teorijski i eksperimentalni modeli starenja Goran Šimić Poslijediplomski kolegij “Neurobiologija starenja” 28. ožujak 2011. Medicinski fakultet Sveučilišta u Zagrebu

Teorijski i eksperimentalni modeli starenja

  • Author
    muriel

  • View
    77

  • Download
    1

Embed Size (px)

DESCRIPTION

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 - PowerPoint PPT Presentation

Text of Teorijski i eksperimentalni modeli starenja

  • Teorijski i eksperimentalni modeli starenjaGoran imi

    Poslijediplomski kolegijNeurobiologija starenja28. oujak 2011.

    Medicinski fakultetSveuilita 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. Histoloke promjene mozga 7. Smjernice za daljnja istraivanja

  • 1. Evolucijske teorije starenja 1. Programirana smrt organizama uslijed ogranienog broja diobi somatskih stanica (Weismann, 1889)

    2. Akumuliranje mutacija (Medawar, 1952)

    3. Antagonistika pleiotropija (Williams, 1957)

    4. Neinvestiranje u somatske stanice (Kirkwood i Holliday, 1979)

  • 1.1. Programirana smrt organizama Nastaje uslijed ogranienog broja diobi somatskih stanica (tzv. Weismann-Swim-Hayflickov limit), a da bi se oslobodio prostor i resursi za mlae generacije Odbaena zbog 3 glavna razloga: 1. Postojanja velikih razlika u duljini ivota u prirodnoj i zatienoj okolini (npr. medijan duljine ivota impanzi u zatoenitvu je 23 g. za mujake i 30 g. za enke, a u prirodi oko 8 godina) 2. Glatkoe Gompertz-Makehamove krivulje 3. Kad bi mehanizam samounitenja bio oteen kakvom mutacijom ove bi jedinke brzo nadvladale preostale (dajui vie potomstva ili pruajui dulju roditeljsku skrb)

  • 1.2. Akumuliranje mutacija Ne postoji selekcijski tlak za dugovjenost jer smo programirani samo da doivimo toliko dugo da bi smo se reproducirali: tetne mutacije to se izraavaju u mlaoj dobi podlone su jakom probiru (npr. Hutchinson-Guilford), a one koje poprimaju patoloke razmjere tek u postreprod. dobi imaju malu mogunost odstranjivanja (npr. AD), pa se takvi geni kumuliraju i prenose, a uestalost genetskih bolesti raste s porastom godina ivota dovodei do sve veeg stupnja mortaliteta Pomou genealokih tablica potvrena je pretpostavka teorije da je ovisnost duljine ivota potomaka poveana u onih potomaka iji roditelji dulje ive (imprinting?) Pretpostavlja da u starenju uestvuje veina gena (70%)

  • 1.3. Antagonistika pleiotropija Zbog sukoba interesa pleiotropnih gena (koji imaju uinak na vie svojstava organizma) probir daje prednost mutaciji koja daje prednost u razdoblju reprodukcije (npr. gen to ugrauje kalcij u kost: bez frakture u mladosti / prekomjerna kalcifikacija u starosti) Objanjava i samoubilake ivotne cikluse (npr. bambusa i pacifikog lososa) Predvia da e uspjean odabir za produljeni ivot dovesti do smanjene reprodukt. sposobnosti u mlaoj dobi

  • Eksperiment odabira za produljeni ivot 1976. Michael Rose (Univ. of Sussex): u nekoliko boca mlijeka smjestio 200 vinskih muica i nakon 5 tjedana, kad su muice dole pred kraj reproduktivnog razdoblja, pokupio jajaca, uzgojio ih i ponovio isti postupak nadajui se da e ivjeti neto due nego prethodna generacijaM.R. Rose. 2003. Can Human Aging Be Postponed? E-Book, Scientific American.

  • Rezultat: maksimalni ivotni vijek muica se poveava Od poetnih 200 sada ima vie od milijun muica, a eksperiment svakodnevno nastavlja vei broj asistenata na Univ. of Irvine, CA: dananji potomci prvotnih muica ive prosjeno dvostruko dulje (oko 120 dana), to bi kod ovjeka odgovaralo dobi od oko 150 godina, te i dalje ive sve dulje i dulje

    Naeni porast dugovjenosti razmjeran je smanjenoj fertilnosti u ranoj odrasloj dobi i produljenom razdoblju razvitka do odrasle jedinke

  • Zakljuci eksperimenta Geni igraju vanu ulogu u starenju (muicama nije poboljana kvaliteta ivota i time oekivano trajanje ivota, ve maksimalni ivotni vijek)

    Postoji vei broj gena ukljuenih u starenje, jer da ih je malo, oni bi bili probrani ve nakon samo nekoliko generacija

    Nedostatci ekperimenta: 1. Smjer probira je umjetno nametnut, 2. Ne moe odijeliti uinak odabira kasne reprodukcije na dugovjenost od direktnog odabira za dugovjenost

  • Dokaz o utjecaju gena na starenje ovjekaU istraivanju 2872 danskih blizanaca roenih 1870-1880. g. (J Gerontol 1994) naeno je da je razlika u dobi kad su umrli jednojajani blizanci bila znaajno manja od razlike u dobi kad su umrli dvojajani blizanciUtjecaj naslijea na varijabilnost u doivljenoj dobi relativno malen: 26% za mukarce, te 23% za ene A Twin Study of the Genetic Contribution to Age-Related Functional Impairment. Gurland et al. J Gerontol A Biol Sci Med Sci.2004; 59: 859-863.2721 par blizanaca (USA): 22% : 78%

  • Nedostatci teorije antagonistike pleiotropije Predvia da bi bri razvitak do reprod. zrelosti trebao korelirati s brim starenjem, rezultati to ne potvruju Predvia da je veina dugovjenih ljudi imala oteenu reproduktivnu sposobnost, rezultati to ne potvruju Dugoivue mutante npr. C. elegans pokazuju prednost u tekim prirodnim uvjetima nad divljim sojem, suprotno oekivanju prema ovoj teoriji

  • 1.4. Neinvestiranje u somatske stanice Na tragu ideje da su organizmi samo mediji (survival machines) Sebinog gena (Dawkins, 1976): Prirodni odabir favorizira manje investiranje organizama u popravak i odravanje somatskih stanica nego to je to neophodno za neogranieno preivljenje spolnih stanica (iji je stupanj preciznosti odravanja visok, jer bi inae bile eliminirane) Kroz odabir se mijenja investiranje u odravanje temeljnih staninih sustava u odnosu na stupanj izvanjske opasnosti: ako je mortalitet uslijed okolinih initelja vei, to manje treba investirati u somatske stanice (a vie u reprodukciju), npr. tvrdi oklop u dugovjenih kornjaa ili nalaz da oposumi ive dulje ako im je stanite na otocima bez prirodnih neprijatelja

  • Kritika evolucijskih teorija starenja Tvrde da je starenje nespecifian proces, te da je u njega ukljuen ogroman broj gena; no, otkria mutanti pojedinanih gena to dovode do znaajnog produljenja maksimalnog ivotnog vijeka ukazuju da mehanizmi starenja mogu ukljuivati samo manji broj gena i biti vrlo specifini

    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 moe postii aditivni uinak

  • 2. Teorije sistemskog starenja Do sada predloeno >300 teorija Imunoloke (Walford, 1962: smanjena sposobnost razlikovanja tuih od vlastitih antigena; Burnet, 1970: iscrpljenje klonova i smanjenje imunoloke obrane) Greke u sintezi (protein error theory, Orgel, 1963) i odravanju strukture proteina (chaperon theory, Miyaishi, 1995) Teorija stresa: troenje adaptivne energije (Selye, 1970); tijesno povezana s drugim endokrinolokim teorijama sistemskog starenja

  • Endokrinoloke teorije starenja Temelje se na uoenim smanjenim konc. cirkulirajuih humoralnih initelja, 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 ena smanjuje mortalitet i za 10 godina (+poboljava kogn. sposobnosti), ali ne poveava maks. ivotni vijek (to takoer nije dokazano ni za jedan drugi hormon)

  • DHEA (dehidroepiandrosteron) i hormon rastaBaltimore Longitudinal Study of AgingTraje od 1958. g., prati 1500 ljudi;2002 pokazala da je povean ivotnivijek povezan s:1. Manjom tjelesnom temp.2. Manjom prosj. konc. inzulina3. Veom konc. DHEASDHEA je univezalni prekursor za nastanak androgenih i estrogenih steroida u perifernim tkivima; ima najveu konc. u dobi od 20-25 g., a zatim se postupno smanjuje do na oko 10-20% vrijednosti u dobi od 80 godina

  • 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 sindrom14. g.48. g. 1903/4. kao student medicine syprvi opisao Otto Werner, a zatim Oppenheimer i Kugel 1935.

    Oekivana dob ivota 44-48 g.

    Simptomi: arterioskleroza, ulceracije, maligniteti, dijabetes, osteoporoza, katarakta, itd. (mozaiko starenje)

    1996. Shellenberg GD i Martin GM otkrili WRN gen na 8. kromosomu to kodira jednu DNA helikazu (vri despiralizaciju prije popravka DNA)

    Lamin A/CChen L et al. LMNA mutationsin atypical Werners syndrome.Lancet 2003;362:440-5.Oshima J et al. Homozygous andcompound heterozygous mutationsat the Werner syndrome locus. Hum Mol Genet. 1996;5:1909-13.

  • 3.1.2. Hutchinson- Guilford 1886. Jonathan Hutchinson, 1904. Hastings Guilford Oekivana dob ivota 15-20 g. Simptomi i znakovi: brzo boranje koe, generalizirana alopecia, mali rast, distrofini nokti, usporeno spolno sazrijevanje, poveana ekskrecija hijaluronske kiseline?, smanjena mitotika aktivnost veine tkiva (mozaiko starenje) Od 6300 pretraenih gena dosad naeno 76 mutiranih (15 od njih su ukljueni u kontrolu staninog ciklusa pri mitozi, dezmoplakin I to se vee za kolagene, gen za galaktozil-transferazu, itd.)

  • 3.1.3. Down sindrom Uslijed jedne prekobrojne kopije gena za APP na 21. krom.razvijaju patoloke promjene karakteristine za AD (SP i NFT)

  • 3.1.4. Cockayne sindrom Multisistemski AR poremeaj popravka DNA, mikrocefalija, mentalna retardacija, atrofija retine, demijelinizacija, intrakran. kalcifikacije, u neuropatolokom nalazu jo i NFT i bizarni astrociti

    CSA protein (krom. 5), CSB protein, uestvuju u transkripciji i popravku DNA; tip I kasni, tip II rani

    Ostali simptomi: fotosenzitivni dermatitis, osjetljivost na ionizirajue zraenje, itd.

  • 3.1.5. Ataxia teleangiectasia Nasljedni nedostatak popravka puknua oba lanca DNA (karcinogeneza, naroito leukemije u djece i rak dojke, 100x vea uestalost) uslijed mutacije ATM gena

    ATM gen na 11. kromosomu kloniran 1995.g. kodira jednu fosfatidil-inozitol 3 kinazu to ima vanu ulogu u zaustavljanju staninog ciklusa, aktivaciji gena za popravak DNA i regulaciji duljine telomera

    Neuroloki simptomi: ataksija i koreoatetoza (little clowns), progresivna neuroloka deterioracija

  • 3.2. Kalorijska restrikcija Glodavci s kalorijski ogranienom dijetom ive dvostruko dulje, za treinu su manji, imaju manju tjelesnu temperaturu i manje obolijevaju

    Iako jo nisu poznati precizni mehanizmi, mnogobrojna istraivanja potvruju da uslijed smanjene razine oksidativne fosforilacije dolazi do posljedino smanjene produkcije ROS

    Ogranienje kalorijskog unosa jo uvijek je jedina eksperimentalna intervencija koja nepobitno dovodi do usporenja starenja i produljenja ivotnog vijeka u svih prouavanih vrsta

  • 3.3. Eksperimentalni modeli 1. Kvasac (Saccharomyces cerevisiae) Ima 6000 gena 2. Crv obli (Caenorhabditis elegans) >40% homologija s genomom ovjeka 3. Vinska muica (Drosophila melanogaster) 4 para krom., najvea DNA molekula uope (41 x 109 kDa) 4. Mi (Mus musculus) Stupanj divergencije od ovjeka >100 mil. godina

  • Gompertz-Makehamove krivulje

  • Uspjeli prirodni eksperiment: Golokrtiasti takor Primjerak opisan 2002. g. imao je 27. god. i 4 mj., a veina lanova kolonije starija je od 20 g. Pretpostavlja se da je uzrok dugovjenosti ovih takora kombinacija sporog metabolizma, te ivota u dobro zatienim nastambama pod zemljomBuffenstein R, Jarvis JU. The naked mole rat--a new record for theoldest living rodent. Sci Aging Knowledge Environ 2002;29:7Sherman PW, Jarvis JUM. Extraordinary life spans of naked mole-rats(Heterocephalus glaber). J Zool Lond 2002;258:307-311.

  • 4. Mehanizmi starenja u mitotiki aktivnih stanica (>600 tipova) Odlian model jer su: individualne stanice smrtne (a ne besmrtne kako se to prije mislilo), Gompertz-Makehamova krivulja slii viim vrstama, stanice prolaze karakteristine biokemijske (utiavanje oba lokusa za parenje) i morfoloke promjene (akumulacija oiljaka od stanica keri prilikom asimetrine diobe, poveanje veliine uslijed usporavanja staninog ciklusa) po kojima se tono moe znati koliko je stanica stara, razvijena prakt. metoda razdvajanja starih stanicaLeonard Guarente &David Sinclair labs

  • 4.1. Genetska nestabilnost Uzrok starenja je ispadanje 150-200 kratkih ponavljajuih slijedova DNA na krom. 12 To se dogodi negdje oko sredine ivotnog vijeka, a ta ERC (izvankromosomska kruna DNA) se dalje sama umnaa: kad dosegne izmeu 500 i 1000 kopija, jezgrica se fragmentira a kvasac umre Nedostatak modela: u matinih stanica sisavaca nema nikakve ERC

  • 4.2. Genetski programirano skraivanje telomeraFISH, Donax trunculus,Metafaza, CCAGGG Telomere u eukariota slue zatiti otvorenih krajeva DNA (od razgradnje enzimima, sljepljivanja s drugim kromosomima, mogueg pogrenog prepoznavanja otvorenih krajeva DNA) Slijed TTAAGG (kraljenjaci, koljkai i bodljikai), TTAGG (kukci) ili pak TTTAGGG (biljke) ponavlja se nekoliko stotina do nekoliko tisua puta); prilikom diobe ne mogu se u potpunosti replicirati DNA polimerazama jer one dodaju nukleotide samo u jednom smjeru

  • Telomeraza Duljinu telomera nadoknauje ribonukleoprotein telomeraza (koja prepoznaje jednolanane krajeve) Aktivnost telomeraze je slaba u veini somatskih stanica starih ljudi, a stalno je aktivna samo u spolnim (telomerni nizovi su stalne duljine svojstvene za vrstu), tumorskim (otvara mogunost da se inhibicijom moda zaustavi rast tumora) i nekim stanicama koje se stalno dijele (npr. krvotvorne)Za razliku od ivotinja kod kojih se telomere skrauju pri svakoj diobi, u biljaka je duljina stalno ista uslijed nepromijenjenog izraaja telomeraza (npr. stanice sekvoje se dijele vie od 4000 godina)

  • Telomere moda ipak nisu molekularni sat jer: 1. Nema jasne korelacije izmeu starosti donora i replikativnog starenja njegovih stanica

    2. Veina progeroidnih stanica umre i prije nego li im se skrate telomere

    3. Mievi bez gena za telomerazu ne pokazuju odstupanja, osim za mitotiki jako aktivna tkiva u poodmakloj dobi

    (4.) Pokuaj produljivanja tumorigeneza

  • 5. Mehanizmi starenja u mitotiki neaktivnih stanica 1. Zn/Cu SOD 2. Katalaza 3. Glutation reduktaza itd.

    Transgenina drozofila za 1. i 2. ivi 34% dulje,a uslijed umetanja SOD ovjeka 40% dulje Antioksidativni enzimi:MPTP H2O2 + MPP+ (model PD)(1-metil-4-fenil-1,2,3,6 tetrahidropiridin)

  • 5.1. Oksidativno oteenje slobodnim radikalima kisikaMelatonin (cave: mi s poveanom koncentracijom melatonina opak ima skraen ivotni vijek uslijed nastanka tumora)

    Biljezi oksidacije kao nitrotirozin, 8OHdG (8-hidroksi-2-deoksigvanozin) i drugi pokazuju vei stupanj oksid. u modanom tkivu starijih osoba

  • 5.2. Mutacije mtDNA 1. Uobiajeni stupanj mutacija 10-20x vei nego u jezgri

    2. Oteenja dovode do smanjene produkcije ATP i omjera NAD/NADH, to poveava konc. ROS

    3. Transgenini C. elegans za CLK1 gen (kodira koenzim Q) produljuje ivot za oko 30%

    4. Vei rizik za nastanak AD imaju osobe kojima je majka oboljela od AD, a ne otac

  • 6. Neke najee univerzalne histoloke promjene mozga u normalnom starenjuLipofuscin (oks. lipidi i proteini)Neuromelanin (nusprod. sinteze katehol.)Corpora amylaceaUmjerena astroglioza

  • Promjene mozga u starenju veine normalnih ljudi Leukoaraioza (vaskularne promjene malih krvnih ila uslijed hijalinih arteriosklerotskih promjena s nastankom tortuoziteta)

    Ireverzibilna glikozilacija mnogobrojnih proteina

    Neuropatoloki pojam istog starenja (sela na Sardiniji)

  • 7. Neke smjernice za daljnja istraivanja 1. Integracija genskih i fizikih mapa genoma ovjeka (~2% DNA s oko 30000 gena 98.77% jednakih impanzi) + deifriranje negenomske DNA (~98%), mehanizmi genske regulacije 2. Mikropostrojbena analiza DNA u starih osoba (ve znamo da su sa starenjem povezani npr. geni za apoE, ACE, HLA-DR i PAI-1) 3. Otkriti zato neki klonovi stare sporije (npr. veina klonova teladi)

  • Utiavanje gena kao jedna od novijih teorija starenjaThe 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) ukljueni su u kontrolu starenja stanica jer Sir proteini djeluju kao deacetilazeBurzynski SR. Gene silencing - a new theory of aging. Med Hypotheses. 2003;60:578-83.

  • 96-godinja manekenka poznate kozmetike kue (U.K.)

  • *****************************************