Teorijski i eksperimentalni modeli starenja

1
Teorijski i eksperimentalni modeli starenja

• Goran Šimic
• Poslijediplomski kolegij
• Neurobiologija starenja
• 28. ožujak 2011.
• Medicinski fakultet
• Sveucilišta u Zagrebu

2
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

3
1. Evolucijske teorije starenja

• 1. Programirana smrt organizama uslijed
  ogranicenog broja diobi somatskih stanica
  (Weismann, 1889)
• 2. Akumuliranje mutacija (Medawar, 1952)
• 3. Antagonisticka pleiotropija (Williams, 1957)
• 4. Neinvestiranje u somatske stanice (Kirkwood i
  Holliday, 1979)

4
1.1. Programirana smrt organizama

• Nastaje uslijed ogranicenog broja diobi
  somatskih stanica (tzv. Weismann-Swim-Hayflickov
  limit), a da bi se oslobodio prostor i resursi za
  mlade generacije Odbacena zbog 3 glavna razloga
• 1. Postojanja velikih razlika u duljini života u
  prirodnoj i zašticenoj okolini (npr. medijan
  duljine života cimpanzi u zatoceništvu je 23 g.
  za mužjake i 30 g. za ženke, a u prirodi oko 8
  godina)
• 2. Glatkoce Gompertz-Makehamove krivulje
• 3. Kad bi mehanizam samouništenja bio oštecen
  kakvom mutacijom ove bi jedinke brzo nadvladale
  preostale (dajuci više potomstva ili pružajuci
  dulju roditeljsku skrb)

5
1.2. Akumuliranje mutacija

• Ne postoji selekcijski tlak za dugovjecnost jer
  smo programirani samo da doživimo toliko dugo da
  bi smo se reproducirali štetne mutacije što se
  izražavaju u mladoj dobi podložne su jakom
  probiru (npr. Hutchinson-Guilford), a one koje
  poprimaju patološke razmjere tek u postreprod.
  dobi imaju malu mogucnost odstranjivanja (npr.
  AD), pa se takvi geni kumuliraju i prenose, a
  ucestalost genetskih bolesti raste s porastom
  godina života dovodeci do sve veceg stupnja
  mortaliteta
• Pomocu genealoških tablica potvrdena je
  pretpostavka teorije da je ovisnost duljine
  života potomaka povecana u onih potomaka ciji
  roditelji dulje žive (imprinting?)
• Pretpostavlja da u starenju ucestvuje vecina
  gena (70)

6
1.3. Antagonisticka pleiotropija

• Zbog sukoba interesa pleiotropnih gena (koji
  imaju ucinak na više svojstava organizma) probir
  daje prednost mutaciji koja daje prednost u
  razdoblju reprodukcije (npr. gen što ugraduje
  kalcij u kost bez frakture u mladosti /
  prekomjerna kalcifikacija u starosti)
• Objašnjava i samoubilacke životne cikluse
  (npr. bambusa i pacifickog lososa)
• Predvida da ce uspješan odabir za produljeni
  život dovesti do smanjene reprodukt. sposobnosti
  u mladoj dobi

7
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 nadajuci se da
  ce živjeti nešto duže nego prethodna generacija

M.R. Rose. 2003. Can Human Aging Be Postponed?
E-Book, Scientific American.
8
Rezultat maksimalni životni vijek mušica se
povecava

• Od pocetnih 200 sada ima više od milijun mušica,
  a eksperiment svakodnevno nastavlja veci broj
  asistenata na Univ. of Irvine, CA današnji
  potomci prvotnih mušica žive prosjecno dvostruko
  dulje (oko 120 dana), što bi kod covjeka
  odgovaralo dobi od oko 150 godina, te i dalje
  žive sve dulje i dulje
• Nadeni porast dugovjecnosti razmjeran je
  smanjenoj fertilnosti u ranoj odrasloj dobi i
  produljenom razdoblju razvitka do odrasle jedinke

9
Zakljucci eksperimenta

• Geni igraju važnu ulogu u starenju (mušicama
  nije poboljšana kvaliteta života i time ocekivano
  trajanje života, vec maksimalni životni vijek)
• Postoji veci broj gena ukljucenih u starenje,
  jer da ih je malo, oni bi bili probrani vec nakon
  samo nekoliko generacija
• Nedostatci ekperimenta 1. Smjer probira je
  umjetno nametnut, 2. Ne može odijeliti ucinak
  odabira kasne reprodukcije na dugovjecnost od
  direktnog odabira za dugovjecnost

10
Dokaz o utjecaju gena na starenje covjeka

• U istraživanju 2872 danskih blizanaca rodenih
  1870-1880. g. (J Gerontol 1994)
• nadeno je da je razlika u dobi kad su umrli
  jednojajcani blizanci bila znacajno manja od
  razlike u dobi kad su umrli dvojajcani blizanci
• Utjecaj naslijeda na varijabilnost u doživljenoj
  dobi relativno malen 26 za muškarce, te 23 za
  žene

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 78Ž
11
Nedostatci teorije antagonisticke pleiotropije

• Predvida da bi brži razvitak do reprod. zrelosti
  trebao korelirati s bržim starenjem, rezultati to
  ne potvrduju
• Predvida da je vecina dugovjecnih ljudi imala
  oštecenu reproduktivnu sposobnost, rezultati to
  ne potvrduju
• Dugoživuce mutante npr. C. elegans pokazuju
  prednost u teškim prirodnim uvjetima nad divljim
  sojem, suprotno ocekivanju prema ovoj teoriji

12
1.4. Neinvestiranje u somatske stanice

• Na tragu ideje da su organizmi samo mediji
  (survival machines) Sebicnog gena (Dawkins,
  1976) Prirodni odabir favorizira manje
  investiranje organizama u popravak i održavanje
  somatskih stanica nego što je to neophodno za
  neograniceno preživljenje spolnih stanica (ciji
  je stupanj preciznosti održavanja visok, jer bi
  inace bile eliminirane)
• Kroz odabir se mijenja investiranje u održavanje
  temeljnih stanicnih sustava u odnosu na stupanj
  izvanjske opasnosti ako je mortalitet uslijed
  okolišnih cinitelja veci, to manje treba
  investirati u somatske stanice (a više u
  reprodukciju), npr. tvrdi oklop u dugovjecnih
  kornjaca ili nalaz da oposumi žive dulje ako im
  je stanište na otocima bez prirodnih neprijatelja

13
Kritika evolucijskih teorija starenja

• Tvrde da je starenje nespecifican proces, te da
  je u njega ukljucen ogroman broj gena no,
  otkrica mutanti pojedinacnih gena što dovode do
  znacajnog produljenja maksimalnog životnog vijeka
  ukazuju da mehanizmi starenja mogu ukljucivati
  samo manji broj gena i biti vrlo specificni
• 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
• postici aditivni ucinak

14
2. Teorije sistemskog starenja

• Do sada predloženo gt300 teorija
• Imunološke (Walford, 1962 smanjena sposobnost
  razlikovanja tudih 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

15
Endokrinološke teorije starenja

• Temelje se na uocenim smanjenim konc.
  cirkulirajucih humoralnih cinitelja, 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 povecava maks. životni
  vijek (što takoder nije dokazano ni za jedan
  drugi hormon)

16
DHEA (dehidroepiandrosteron) i hormon rasta
DHEA je univezalni prekursor za nastanak
androgenih i estrogenih steroida u perifernim
tkivima ima najvecu 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
povecan životni vijek povezan s 1. Manjom
tjelesnom temp. 2. Manjom prosj. konc.
inzulina 3. Vecom konc. DHEAS
17
3. Eksperimentalni pristupi

• 1. Progerije
• 2. Kalorijska restrikcija
• 3. Eksperimentalni modeli

18
3.1. Progerije

• 1. Wernerov sindrom
• 2. Hutchinson-Guilfordov sindrom
• 3. Down sindrom
• 4. Cockayne sindrom
• 5. Ataxia teleangiectasia

19
3.1.1. Wernerov sindrom

• 1903/4. kao student medicine sy
• prvi opisao Otto Werner, a zatim Oppenheimer i
  Kugel 1935.
• Ocekivana dob života 44-48 g.
• Simptomi arterioskleroza, ulceracije,
  maligniteti, dijabetes, osteoporoza, katarakta,
  itd. (mozaicko starenje)
• 1996. Shellenberg GD i Martin GM otkrili WRN gen
  na 8. kromosomu što kodira jednu DNA helikazu
  (vrši despiralizaciju prije popravka DNA)

14. g.
48. g.
Lamin A/C Chen L et al. LMNA mutations in
atypical Werners syndrome. Lancet 2003362440-5.
Oshima J et al. Homozygous and compound
heterozygous mutations at the Werner syndrome
locus.Hum Mol Genet. 199651909-13.
20
3.1.2. Hutchinson- Guilford

• 1886. Jonathan Hutchinson, 1904. Hastings
  Guilford
• Ocekivana dob života 15-20 g.
• Simptomi i znakovi brzo boranje kože,
  generalizirana alopecia, mali rast, distroficni
  nokti, usporeno spolno sazrijevanje, povecana
  ekskrecija hijaluronske kiseline?, smanjena
  mitoticka aktivnost vecine tkiva (mozaicko
  starenje)
• Od 6300 pretraženih gena dosad nadeno 76
  mutiranih (15 od njih su ukljuceni u kontrolu
  stanicnog ciklusa pri mitozi, dezmoplakin I što
  se veže za kolagene, gen za galaktozil-transferazu
  , itd.)

21
3.1.3. Down sindrom

• Uslijed jedne prekobrojne kopije gena za APP na
  21. krom.
• razvijaju patološke promjene karakteristicne za
  AD (SP i NFT)

22
3.1.4. Cockayne sindrom

• Multisistemski AR poremecaj 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, ucestvuju u
  transkripciji i popravku DNA tip I kasni, tip II
  rani
• Ostali simptomi fotosenzitivni dermatitis,
  osjetljivost na ionizirajuce zracenje, itd.

23
3.1.5. Ataxia teleangiectasia

• Nasljedni nedostatak popravka puknuca oba lanca
  DNA (karcinogeneza, narocito leukemije u djece i
  rak dojke, 100x veca ucestalost) uslijed mutacije
  ATM gena
• ATM gen na 11. kromosomu kloniran 1995.g. kodira
  jednu fosfatidil-inozitol 3 kinazu što ima važnu
  ulogu u zaustavljanju stanicnog ciklusa,
  aktivaciji gena za popravak DNA i regulaciji
  duljine telomera
• Neurološki simptomi ataksija i koreoatetoza
  (little clowns), progresivna neurološka
  deterioracija

24
3.2. Kalorijska restrikcija

• Glodavci s kalorijski ogranicenom dijetom žive
  dvostruko dulje, za trecinu su manji, imaju manju
  tjelesnu temperaturu i manje obolijevaju
• Iako još nisu poznati precizni mehanizmi,
  mnogobrojna istraživanja potvrduju da uslijed
  smanjene razine oksidativne fosforilacije dolazi
  do posljedicno smanjene produkcije ROS
• Ogranicenje kalorijskog unosa još uvijek je
  jedina eksperimentalna intervencija koja
  nepobitno dovodi do usporenja starenja i
  produljenja životnog vijeka u svih proucavanih
  vrsta

25
3.3. Eksperimentalni modeli

• 1. Kvasac (Saccharomyces cerevisiae)
• Ima 6000 gena
• 2. Crv oblic (Caenorhabditis elegans)
• gt40 homologija s genomom covjeka
• 3. Vinska mušica (Drosophila melanogaster)
• 4 para krom., najveca DNA molekula uopce
  (41 x 109 kDa)
• 4. Miš (Mus musculus)
• Stupanj divergencije od covjeka gt100
  mil. godina

26
Gompertz-Makehamove krivulje
27
Uspjeli prirodni eksperiment Golokrticasti
štakor

• Primjerak opisan 2002. g. imao je 27. god. i 4
  mj., a vecina clanova kolonije starija je od 20
  g.
• Pretpostavlja se da je uzrok dugovjecnosti ovih
  štakora kombinacija sporog metabolizma, te života
  u dobro zašticenim nastambama pod zemljom

Buffenstein R, Jarvis JU. The naked mole rat--a
new record for the oldest living rodent. Sci
Aging Knowledge Environ 2002297 Sherman PW,
Jarvis JUM. Extraordinary life spans of naked
mole-rats (Heterocephalus glaber). J Zool Lond
2002258307-311.
28
4. Mehanizmi starenja u mitoticki aktivnih
stanica (gt600 tipova)
Leonard Guarente David Sinclair labs

• Odlican model jer su individualne stanice
  smrtne (a ne besmrtne kako se to prije mislilo),
  Gompertz-Makehamova krivulja slici višim vrstama,
  stanice prolaze karakteristicne biokemijske
  (utišavanje oba lokusa za parenje) i morfološke
  promjene (akumulacija ožiljaka od stanica kceri
  prilikom asimetricne diobe, povecanje velicine
  uslijed usporavanja stanicnog ciklusa) po kojima
  se tocno može znati koliko je stanica stara,
  razvijena prakt. metoda razdvajanja starih stanica

29
4.1. Genetska nestabilnost

• Uzrok starenja je ispadanje 150-200 kratkih
  ponavljajucih 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 izmedu 500 i 1000
  kopija, jezgrica se fragmentira a kvasac umre
• Nedostatak modela u maticnih stanica sisavaca
  nema nikakve ERC

30
4.2. Genetski programirano skracivanje telomera
FISH, Donax trunculus, Metafaza, CCAGGG

• Telomere u eukariota služe zaštiti otvorenih
  krajeva DNA (od razgradnje enzimima,
  sljepljivanja s drugim kromosomima, moguceg
  pogrešnog prepoznavanja otvorenih krajeva DNA)
• Slijed TTAAGG (kralježnjaci, školjkaši i
  bodljikaši), TTAGG (kukci) ili pak TTTAGGG
  (biljke) ponavlja se nekoliko stotina do nekoliko
  tisuca puta) prilikom diobe ne mogu se u
  potpunosti replicirati DNA polimerazama jer one
  dodaju nukleotide samo u jednom smjeru

31
Telomeraza

• Duljinu telomera nadoknaduje ribonukleoprotein
  telomeraza (koja prepoznaje jednolancane krajeve)
• Aktivnost telomeraze je slaba u vecini somatskih
  stanica starih ljudi, a stalno je aktivna samo u
  spolnim (telomerni nizovi su stalne duljine
  svojstvene za vrstu), tumorskim (otvara mogucnost
  da se inhibicijom možda zaustavi rast tumora) i
  nekim stanicama koje se stalno dijele (npr.
  krvotvorne)

Za razliku od životinja kod kojih se telomere
skracuju pri svakoj diobi, u biljaka je duljina
stalno ista uslijed nepromijenjenog izražaja
telomeraza (npr. stanice sekvoje se dijele više
od 4000 godina)
32
Telomere možda ipak nisu molekularni sat jer

• 1. Nema jasne korelacije izmedu starosti donora
  i replikativnog starenja njegovih stanica
• 2. Vecina progeroidnih stanica umre i prije nego
  li im se skrate telomere
• 3. Miševi bez gena za telomerazu ne pokazuju
  odstupanja, osim za mitoticki jako aktivna tkiva
  u poodmakloj dobi
• (4.) Pokušaj produljivanja

tumorigeneza
33
5. Mehanizmi starenja u mitoticki neaktivnih
stanica
Antioksidativni enzimi

• 1. Zn/Cu SOD
• 2. Katalaza
• 3. Glutation reduktaza itd.
• Transgenicna drozofila za 1. i 2. živi 34 dulje,
• a uslijed umetanja SOD covjeka 40 dulje

MPTP H2O2 MPP (model
PD) (1-metil-4-fenil-1,2,3,6 tetrahidropiridin)
34
5.1. Oksidativno oštecenje slobodnim radikalima
kisika
Melatonin (cave miš s povecanom koncentracijom
melatonina opak ima skracen životni vijek uslijed
nastanka tumora)
Biljezi oksidacije kao nitrotirozin, 8OHdG
(8-hidroksi-2-deoksigvanozin) i drugi pokazuju
veci stupanj oksid. u moždanom tkivu starijih
osoba
35
5.2. Mutacije mtDNA

• 1. Uobicajeni stupanj mutacija 10-20x veci nego
  u jezgri
• 2. Oštecenja dovode do smanjene produkcije ATP i
  omjera NAD/NADH, što povecava konc. ROS
• 3. Transgenicni C. elegans za CLK1 gen (kodira
  koenzim Q) produljuje život za oko 30
• 4. Veci rizik za nastanak AD imaju osobe kojima
  je majka oboljela od AD, a ne otac

36
6. Neke najcešce univerzalne histološke promjene
mozga u normalnom starenju
Neuromelanin (nusprod. sinteze katehol.)
Lipofuscin (oks. lipidi i proteini)
Corpora amylacea
Umjerena astroglioza
37
Promjene mozga u starenju vecine normalnih ljudi

• Leukoaraioza (vaskularne promjene malih krvnih
  žila uslijed hijalinih arteriosklerotskih
  promjena s nastankom tortuoziteta)
• Ireverzibilna glikozilacija
• mnogobrojnih proteina
• Neuropatološki pojam cistog starenja (sela na
  Sardiniji)

38
7. Neke smjernice za daljnja istraživanja

• 1. Integracija genskih i fizickih mapa genoma
• covjeka (2 DNA s oko 30000 gena 98.77
  
• jednakih cimpanzi) dešifriranje
  negenomske
• DNA (98), mehanizmi genske regulacije
• 2. Mikropostrojbena analiza DNA u starih osoba
• (vec znamo da su sa starenjem povezani
  npr.
• geni za apoE, ACE, HLA-DR i PAI-1)
• 3. Otkriti zašto neki klonovi stare sporije
  (npr.
• vecina klonova teladi)

39
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) ukljuceni su u
  kontrolu starenja stanica jer Sir proteini
  djeluju kao deacetilaze

Burzynski SR. Gene silencing - a new theory of
aging. Med Hypotheses. 200360578-83.
40
96-godišnja manekenka poznate kozmeticke kuce
(U.K.)
41
(No Transcript)