Автофагія та старіння: підтримка протеому за допомогою фізичних вправ та обмеження калорій

Курт А. Ескобар

1 кафедра кінезіології Каліфорнійського державного університету, Лонг-Біч, Лонг-Біч, Каліфорнія,

Натан Х. Коул

2 Департамент охорони здоров'я, фізичних вправ та спортивних наук, Університет Нью-Мексико, Альбукерке, штат Нью-Мексико,

Крістін М. Мерм'є

Тріша А. ВанДюссельдорп

3 Кафедра науки про фізичні вправи та управління спортом, Університет штату Кеннесо, Кеннесо, штат Джорджия,

Анотація

1. ВСТУП

Старіння - це біологічне явище, яке характеризується на клітинному рівні поступовим накопиченням дисфункціональних білків та пошкоджених органел. Нарахування та агрегація цих неіснуючих компонентів призводить до порушення клітинного гомеостазу, прогресуючої дегенерації та збільшує ризик загибелі клітин (Lopez-Otin, Blasco, Partridge, Serrano, & Kroemer, 2013). Відповідно, було висловлено припущення, що наростаючий збій в регуляторних процесах, необхідних для підтримання, відновлення та обороту дефектних білкових структур та органел, швидше за все, буде основною причиною кумулятивної дезорганізації клітин, пов'язаної зі старінням (Demontis & Perrimon, 2010; Madeo, Zimmermann, Maiuri, & Kroemer, 2015). Автофагія - це еволюційно збережений клітинний шлях ведення домашнього господарства, відповідальний за деградацію неправильно складених білків та виснажених органел, і все частіше демонструється, що він відіграє важливу роль у підтримці клітинного гомеостазу та впливає на тривалість життя та тривалість життя (Filfan et al., 2017; Madeo et al., 2015; Madeo, Tavernarakis, & Kroemer, 2010). Порушена автофагічна здатність сприяє зменшенню тривалості життя і прискорює передчасне старіння у багатьох модельних видів (Alvers et al., 2009; Hars et al., 2007; Juhasz, Erdi, Sass, & Neufeld, 2007; Kang, You, & Avery, 2007; Toth та ін., 2008), в той час як посилена аутофагія сприяла збільшенню довголіття (Demontis & Perrimon, 2010; Eisenberg et al., 2009; Pyo et al., 2013; Simonsen et al., 2008). Більше того, виявляється, що аутофагічна активність природним чином зменшується з віком (Cuervo & Macian, 2014; Donati, Recchia, Cavallini, & Bergamini, 2008; Mejias-Pena et al., 2016), тим самим поступово кидаючи виклик протеостазу і сприяючи накопиченню інутильних клітин компоненти, часто пов’язані зі старінням (Madeo et al., 2015).

Якість внутрішньоклітинного білка одночасно залежить від синтезу білка (Salminen & Kaarniranta, 2009). Таким чином, деградація зайвих і дисфункціональних цитозольних компонентів, що відбувається внаслідок аутофагії, представляє лише один аспект внутрішньоклітинного накопичення білка, який в кінцевому рахунку збалансований регуляторними елементами, що управляють синтезом нових клітинних білків.

Ціль комплексу рапаміцину 1 (TORC1; відомий як mTORC1 у видів ссавців) є центральною регуляторною кіназою, яка регулює клітинний ріст і синтез білка. Цей комплекс стимулюється доступністю поживних речовин (тобто амінокислот), механічним стресом та факторами росту (тобто інсуліноподібним фактором росту 1 [IGF ‐ 1]) і пригнічується через дефіцит поживних речовин, енергетичний стрес та макроциклічний полікетид рапаміцин (Chantranupong et al., 2014; Jung, Ro, Cao, Otto, & Kim, 2010; Meijer, Lorin, Blommaart, & Codogno, 2015). Нещодавно активність TORC1 була пов'язана із тривалістю життя та процесом старіння, завдяки чому постійно спостерігається гальмування шляху TORC1 для підвищення тривалості життя на тваринних та клітинних моделях (Lamming, Ye, Sabatini, & Baur, 2013; Pani, 2011; Xu, Cai, & Wei, 2014). Незважаючи на те, що у різних модельних організмах повідомлялося про помірність тривалості життя TORC1, основні механізми досі не розкриті (Kaeberlein, 2013; Xu et al., 2014). Проте вже давно зрозуміло, що TORC1 служить інгібітором аутофагії, і, таким чином, далі припускають, що аутофагія являє собою ключовий зв'язок між активністю TORC1 і процесом старіння (Pani, 2011; Wei, Zhang, & Cai, 2013; Xu et al., 2014). Тоді шлях TORC1 може вдвічі сприяти згубному накопиченню цитозольних білків, що спостерігається під час старіння, діючи як через регуляцію синтезу білка, так і через регуляцію аутофагічної деградації (Laplante & Sabatini, 2012; Xu et al., 2014).

Показано, що обмеження калорійності (CR) є надійним методом продовження тривалості життя та/або модератором вікових захворювань за допомогою модуляції аутофагічної активності у багатьох модельних видів, починаючи від дріжджів і закінчуючи людиною (Bitto et al., 2016; Morselli et al. ., 2010; Мост, Тості, Редман та Фонтана, 2016). Подібним чином регулярні фізичні вправи давно відомі для сприяння здоровому старінню та пом'якшення вікових захворювань (Booth, Roberts, & Laye, 2012; Bouzid, Filaire, McCall, & Fabre, 2015; Vina, Rodriguez-Manas, Salvador-Pascual, Tarazona ‐Santabalbina, & Gomez ‐ Cabrera, 2016). Хоча механізми, що лежать в основі опосередкованого вправами впливу на довголіття, ще не повністю зрозумілі, вправа також впливає на аутофагічну та активність mTORC1 у моделях гризунів та людей (Halling, Ringholm, Olesen, Prats, & Pilegaard, 2017; He, Bassik, et al. ., 2012; Jamart, Benoit, et al., 2012; Schwalm et al., 2015). Більше того, CR та фізичні вправи впливають на аутофагію та активність mTORC1 за допомогою загальних шляхів у моделях гризунів та людини (Egan et al., 2011; Medina et al., 2015; Ng & Tang, 2013; Tam & Siu, 2014; Watson & Баар, 2014). Хоча в даний час довготермінові наслідки хронічних фізичних навантажень на взаємодію цих протеостатичних систем та довголіття ще не охарактеризовані, сильний вплив фізичних вправ на процес старіння може значною мірою відображати вплив КР, враховуючи їх спільну модулюючу роль в аутофагії та активність mTORC1. Цей огляд обговорить поточну літературу, що стосується аутофагії та активності mTORC1, до процесу старіння та висвітлить докази впливу CR та фізичних вправ на ці регуляторні шляхи, а також пов'язані наслідки для здорового старіння людини.

2. ДОМАШНЕ ДОГЛЯД І СТАРІННЯ: АВТОФАГІЧНО-ПОСЕРЕДЖЕНІ ЕФЕКТИ

Вікове зниження загальної протеолітичної активності спостерігається у широкому діапазоні організмів, і прогресивне накопичення пошкоджених білків з віком широко задокументовано (Demontis & Perrimon, 2010; Liang & Jung, 2010; Martinez-Lopez, Athonvarangkul, & Singh, 2015; Rajawat & Bossis, 2008). Більше того, зафіксовано природний спад аутофагічної функції в деяких конкретних органах і тканинах із настанням віку та спостерігався у ряду модельних видів, включаючи ссавців (Donati et al., 2008; Martinez-Lopez et al., 2015; Mejias ‐ Pena et al., 2016; Phadwal et al., 2012). Дегенеративна втрата аутофагічної активності у вікових клітинах, ймовірно, все більше обмежує здатність клітини підтримувати здорову популяцію протеомів та органел, сприяючи прогресуючій втраті клітинних функцій і, зрештою, прискорюючи загибель клітин (Cuervo & Macian, 2014; Рубінштейн, Marino, & Kroemer, 2011). Хоча механізми, що лежать в основі ескалаційного порушення аутофагічної функції у старіючих клітинах, залишаються недостатньо вивченими, зниження експресії Atg на рівні мРНК та білка було залучено як фактор, що сприяє цьому (Carames, Taniguchi, Otsuki, Blanco, & Lotz, 2010; Lipinski et al. ., 2010; Рубінштейн та ін., 2011). Також повідомлялося, що допоміжні білки, необхідні для індукції аутофагії, такі як Сіртуїн 1 (SIRT1), виявляють аналогічно знижену експресію у вікових клітинах, одночасно зі зменшеною аутофагією (de Kreutzenberg et al., 2010; Rubinsztein et al., 2011). В даний час залишається незрозумілим, чи є ці декременти в Атгс та/або цілях сигналізації вище за течією основним джерелом вікової автофагічної несправності (Martinez-Lopez et al., 2015; Rubinsztein et al., 2011), оскільки це також було припустив, що зниження базальної аутофагії може бути принаймні частково опосередковане надлишком активності TORC1 (Lee et al., 2010; Pani, 2011; Xu et al., 2014).

На сьогоднішній день добре задокументовано, що пригнічення аутофагії призводить до передчасного старіння різних видів (Rubinsztein et al., 2011). Мутації втрати функції в окремих білках Atg (Atg1, Atg7, Atg18 та беклін-1) були безпосередньо продемонстровані для зменшення тривалості життя у нематоди Caenorhabditis elegans (C. elegans) (Toth et al., 2008). Подібним чином спостерігалося також приглушення експресії Atg1, необхідного білка утворення аутофагосом, що значно зменшує тривалість життя плодової мухи Drosophila melanogaster (D. melanogaster) (Lee et al., 2010). У мишей вибивання білків Atg породжує вікові дефекти, включаючи накопичення дисфункціональних органел (Hartleben et al., 2010; Komatsu et al., 2005; Masiero et al., 2009), аномальна агрегація білка (Liang & Jung, 2010; Liang, Wang, Peng, Gan, & Guan, 2010; Wu et al., 2009), дезорганізовані мітохондрії (Komatsu et al., 2005; Masiero et al., 2009) та ендоплазматичний стрес (Hartleben et al., 2010) ).

Більше того, накопичується безліч доказів припускає, що продовження тривалості життя може бути результатом збереженої аутофагічної функції з експериментально посиленою аутофагією, яка показала, що затримує фенотип старіння та продовжує довголіття (Martinez-Lopez et al., 2015; Rajawat, Hilioti, & Bossis, 2009; Рубінштейн та ін., 2011). Було помічено, що різні втручання, що ведуть до регуляції аутофагічної активності, можуть продовжити довголіття у C. elegans (Hansen et al., 2008; Melendez et al., 2003), а також у дріжджів Saccharomyces cerevisiae (S. cerevisiae) (Eisenberg et al., 2009), одночасно сприяючи довголіття в окремих клітинах і тканинах (Demontis & Perrimon, 2010; Donati, Taddei, Cavallini, & Bergamini, 2006). Таким чином, посилення аутофагічної функції може представляти терапевтичну мішень для сприяння довголіття у людей.

3. ТОР І СТАРІННЯ

Ціль комплексу рапаміцину 1 (mTORC1 у ссавців) є одним із двох функціонально та композиційно відмінних багатобілкових комплексів TOR; другий - комплекс TOR 2 (TORC2). Обидва комплекси мають високу консервативність у всіх відомих клітинах еукаріотів (Meijer et al., 2015; Xu et al., 2014). TORC1 є основним посередником синтезу білка та росту клітин, тоді як TORC2 залишається недостатньо вивченим. Пропонується TORC2 регулювати просторову координацію цитоскелету (Sarbassov et al., 2004; Xu et al., 2014), водночас беручи участь у активації TORC1 через шлях Akt (Jung et al., 2010; Sarbassov et al., 2006; Сарбасов, Гертін, Алі та Сабатіні, 2005). Гостре лікування рапаміцином сильно пригнічує активність TORC1, але ефекти TORC2 не повністю характеризуються, оскільки рапаміцин не може зв’язуватися з повністю зібраним комплексом TORC2 (Kaeberlein, 2013; Xu et al., 2014). Однак було продемонстровано, що лікування хронічним рапаміцином може також порушити активність TORC2, запобігаючи утворенню комплексу TORC2 (Sarbassov et al., 2006). Відповідно, у дослідженнях, що включають тривале лікування рапаміцином, особливо тих, що стосуються досліджень старіння, роль TORC2 залишається незрозумілою (Kaeberlein, 2013; Xu et al., 2014).

Добре встановлено, що інгібування шляху TORC1 призводить до збільшення тривалості життя та сприяє здоровому старінню у численних модельних видів (Kaeberlein, 2013; Kapahi et al., 2010; Laplante & Sabatini, 2012; Xu et al., 2014). Хоча також відомо, що TORC1 діє як інгібітор аутофагії, досі не можна остаточно встановити, що ефекти придушення TORC1, що подовжують тривалість життя, безпосередньо пов’язані з подальшою посиленою аутофагічною активністю, зменшенням синтезу нових клітинних білків або деяких їх поєднання (Kaeberlein, 2013; Kapahi et al., 2010; Meijer et al., 2015; Pani, 2011; Xu et al., 2014). Можливо, продовження синтетичної активності білка через TORC1 у постмітотичних клітинах (тобто зрілих клітинах, які вступили в арешт клітинного циклу і більше не реплікуються) призводить до перевантаження механізмів, відповідальних за деградацію клітин, включаючи аутофагію, та накопичення зайвого цитозольні компоненти. Зрештою, недостатність систем деградації в цих старечих клітинах призводить до агрегації білків і патологічної дезорганізації клітин (Pani, 2011; Xu et al., 2014).

Первинне спостереження за продовженою тривалістю життя, що супроводжується пригніченням TORC1, було проведено у C. elegans, де зменшення активності TORC1 збільшило тривалість життя більш ніж удвічі (Vellai et al., 2003). Подібні висновки були зареєстровані у численних видів за допомогою декількох методів інактивації mTORC1 (Kapahi et al., 2010; Pani, 2011; Xu et al., 2014). У мишей пряме генетичне знищення mTORC1 призвело до 20% продовження життя та помітного зменшення вікових патологій (Wu et al., 2013). Введення рапаміцину розпочато через 600 днів мишам, вік якого аналогічний приблизно 50 рокам у людей, подовжує тривалість життя до 14% у самок та 9% у чоловіків (Harrison et al., 2009). Крім того, 3 місяці лікування рапаміцином збільшили тривалість життя до 60% у мишей середнього віку (Bitto et al., 2016). Зниження регуляції активності TORC1 у D. melanogaster за допомогою генетичної маніпуляції з висхідними шляхами зондування поживних речовин, зазвичай відповідальних за активацію TORC1, також збільшило тривалість життя приблизно на 15% (Kapahi et al., 2004). В протилежність, було показано, що приглушення експресії Sestrin, інгібітора TORC1, викликає численні вікові патології, які потім запобігали фармакологічним інгібуванням TORC1 у D. melanogaster (Lee et al., 2010).

Крім того, маніпуляції гомологом ras активатора TORC1 у мозку (Rheb) (Honjoh, Yamamoto, Uno та Nishida, 2009), а також цілями TORC1, розташованими нижче за течією, такими як S6K (рибосомна кіназа, що бере участь у трансляції), та еукаріотичною Фактор ініціювання трансляції (відомий як 4E-BP1) також виявив значне продовження тривалості життя у різних модельних організмів (Kapahi et al., 2010; Xu et al., 2014). Що стосується нижніх цілей TORC1, що беруть участь у трансляції генів, то, як повідомляється, делеція гена, що кодує гомолог людського S6K1 у дріжджах (Sch9), призводить до збільшення тривалості життя до 90% (Fabrizio, Pozza, Pletcher, Gendron, & Longo, 2001). Подібним чином повідомляється, що збиття мРНК гомолога S6K1 у C. elegans подовжує тривалість життя в середньому на 22% (Pan et al., 2007). Цей ефект посилився до 46% шляхом одночасного придушення гомолога eIF4G, який є ще одним ключовим ініціатором трансляції генів, про який відомо, що позитивно регулюється TORC1 (Pan et al., 2007). У мишей також було показано, що нокаутування S6K1 продовжує середню тривалість життя приблизно на 19% (Selman et al., 2009). Подібним чином, надмірна експресія 4E-BP1 у D. melanogaster, яка негативно регулюється TORC1 та інгібує ініціювання трансляції, пригнічуючи eIF4G, збільшила тривалість життя на 11% та 22% відповідно у чоловіків та жінок (Zid et al., 2009). Подібним чином було показано, що знижений синтез цитозольного білка пригнічує вікову дегенерацію мітохондрій у дріжджах (Wang, Zuo, Kucejova, & Chen, 2008).

Ці дані свідчать про те, що нормальних рівнів аутофагії може бути достатньо для підтримання цитозольного протеостазу, якщо швидкість синтезу білка та органел знижується; однак також може бути можливо, що знижені рівні аутофагії, що спостерігаються у старих клітинах, можуть не бути пов'язані зі старінням, а просто пропонують непряме відображення надлишкової активності TORC1 (Pani, 2011). В даний час залишається незрозумілим, чи впливають на тривалість життя ефекти гальмування шляху TORC1 в першу чергу через зменшення синтетичної активності білка, усунення гальмування аутофагії або поєднання цих ефектів (Kaeberlein, 2013; Rubinsztein et al., 2011). Однак було помічено, що нокдаун генів Atg, критичних для аутофагічної функції, скасовує ефекти рапаміцину, що продовжують життя, припускаючи, що аутофагія відіграє ключову роль у опосередкованому TORC1 продовженні життя (Bjedov et al., 2010; Rubinsztein et al., 2011).