Вплив обмеження калорій на аутофагію: роль у лікуванні старіння. Частина 2

Будь ласка зв'яжітьсяoscar.xiao@wecistanche.comдля отримання додаткової інформації

3. Захисні ефекти CR-індукованої аутофагії на різні органи

Субстрати аутофагії включають важливі макроелементи, такі як глікоген і ліпідні краплі [72,73]. В умовах CR клітинам важливо використовувати свої внутрішні запаси поживних речовин. Продукти розпаду, отримані в результаті аутофагії, забезпечують субстрати для біосинтезу та генерації енергії. Перерозподіл поживних речовин в умовах голодування або CR має важливе значення для того, щоб клітини могли адаптуватися до мінливого середовища живлення. Дійсно, метаболічні тканини демонструють найбільш драматичні зміни в регуляції аутофагії в умовах голодування поживних речовин, що свідчить про її важливу роль у регуляції метаболізму.

Натисніть тут, щоб дізнатися більше

3.1.Літр

Важливість і оригінальна концепція аутофагії вперше були описані в печінці, де виявлено високі рівні ферментів і клітинних органел, пов’язаних з лізосомальною деградацією. Аутофагія печінки відіграє важливу роль у фізіологічних і патологічних станах, сприяючи переробці органел, а також макроелементів [74].флавоноїдиОстанні дані показали, що роль аутофагії печінки за нормальних фізіологічних умов полягає в регулюванні систем розпаду поживних речовин, таких як глікогеноліз і розпад крапель ліпідів [42,75]. Крім того, розпад ліпідних крапель у гепатоцитах (ліпофагія) особливо важливий за таких патологічних станів, як неалкогольна жирова хвороба печінки, стеатогепатит і гепатоцелюлярна карцинома [75-77].використання гесперидинуДефіцитна аутофагічна відповідь посилювала не тільки накопичення ліпідів, але й інші патологічні ознаки захворювання печінки. Аутофагія печінки також порушується під час старіння. Базовий рівень аутофагії, а також аутофагії, спричиненої реакціями на стрес, порушуються у старій печінці, що робить її вразливою до пошкодження печінки [72].

Cistanche може омолоджувати старіння

Ефекти аутофагії печінки CRon оцінювали в кількох дослідженнях. Wohlgemuth та ін. оцінювали вплив довічної CR у щурів Fisher [62]. Вони виявили, що довічна CR не викликає суттєвих змін у експресії аутофагічних білків у печінці. Однак інші дослідження з використанням інших налаштувань CR дали інші результати. Донаті та ін. оцінювали ефект CR після чергового дня голодування [63].мікронізована очищена флавоноїдна фракція 1000 мг використовуєВивчаючи швидкість аутофагічного протеолізу в ізольованих печінках, вони виявили, що максимальні показники аутофагії були досягнуті в групах CR порівняно з контрольною групою. Недавнє дослідження Luevano-Martinez et al. показали вплив CR на індукцію аутофагії в мітохондріях печінки [64]. Вони виділили мітохондрії з печінки контрольної групи, і через 4 місяці графіка CR вони виявили збільшення співвідношення LC3-II/LC3-I у печінці CR, що вказує на посилення мітохондріальної аутофагії печінки. Дерус та ін. виявили подібні результати, коли вони оцінювали вплив градуйованих рівнів CR на аутофагію за допомогою печінкового транскриптому [65]. Мишей піддавали градуйованому рівню CR (від 0 відсотків до 40 відсотків CR) протягом 3 місяців, після чого спостерігалося значне підвищення рівнів аутофагії, що корелювало з підвищенням рівня CR.втрачена імперія cistancheУ печінці відповідь аутофагії зазвичай посилюється після CR, незалежно від методу, який використовується для індукції CR.

На додаток до CR, голодування також викликало надійну аутофагію печінки. Хоча голодування відрізняється від послідовної моделі CR, вони мають деякі спільні риси. Дослідники визначили, що реакція аутофагії, викликана голодуванням, є фундаментальним процесом під час депривації їжі та важливою захисною реакцією в регуляції метаболізму [78,79].

3.2.М'язи

Скелетні м’язи є найпоширенішою тканиною тіла (що становить приблизно 40 відсотків маси тіла) і є динамічною тканиною, яка постійно адаптується до метаболічних потреб. Щоб задовольнити високий метаболічний попит, протеолітичні системи аутофагії беруть участь у метаболічній регуляції [80]. У м’язах аутофагія регулює деградацію білка та забезпечує амінокислоти для виробництва енергії [43,81]. Це особливо важливо в умовах нестачі поживних речовин або стресу для підтримки адекватного виробництва енергії. Недавні дослідження показали, що базальна аутофагія має вирішальне значення для підтримки фізіології м’язів і що неадаптивна аутофагія причетна до різних захворювань м’язів, включаючи м’язову дистрофію, саркопенію та дегенерацію міофібрил [31,66,82-84].

Кілька досліджень показали здатність CR індукувати аутофагію м’язів та її корисні ефекти. Wohlgemuth та ін. досліджували вплив старіння та легкої CR на аутофагію скелетних м’язів та білки, пов’язані з лізосомами [66]. Вони виявили накопичення LC3-I і LAMP-2, що свідчить про вікове зниження аутофагічної деградації. Вікові зміни були пригнічені CR, зробивши висновок, що легкий CR послабив вікове порушення аутофагії в скелетних м’язах у гризунів. Більше доказів отримано з недавніх клінічних випробувань. Ян та ін. показали, що довготривала CR посилює загальні процеси контролю якості в скелетних м’язах людини [67]. Вони виявили, що кілька генів аутофагії, включаючи ULK1, ATG101, beclin-1 і LC3, були значно активовані у відповідь на CR. Крім того, вони виявили зменшення запалення м’язів, що свідчить про ще одну корисну роль CR у біології м’язів. Дослідження Gutierrez-Casado et al. також показали помітний вплив CR на аутофагію в м'язах [68]. CR призвела до зниження рівнів p62, що свідчить про можливе збільшення потоку аутофагії. Хоча це не було експериментально продемонстровано, Lee et al. припустив важливість ролі аутофагії на регенерацію м’язових стовбурових клітин, індуковану CR [85]. CR не тільки покращив регенеративну здатність стовбурових клітин, але й посилив здатність м’язових стовбурових клітин до приживлення [86]. CR-індукована аутофагія може сприяти покращенню окислювального стресу та підвищити мітохондріальну активність у м’язових стовбурових клітинах, сприяючи їх сприятливому регенеративному ефекту в м’язах.

3.3. Жирова тканина

Жирова тканина є ще однією важливою метаболічною тканиною, яка відіграє важливу роль у зберіганні ліпідів у енергетично достатніх умовах. Зменшення ожиріння є ознакою CR, що є наслідком гормональних змін [87]. Хоча зрозуміло, що аутофагія викликає деградацію ліпідів через ліпофагію в печінці, роль аутофагії в регуляції ліпідів жирової тканини є більш складною [88]. Сінгх та ін. вперше показали, що аутофагія жирової тканини регулює масу та диференціацію жирової тканини [89]. Вони виявили, що нокдаун Atg7, важливого гена аутофагії, пригнічує накопичення ліпідів і знижує рівень білка кількох факторів диференціювання адипоцитів. Крім того, вони продемонстрували, що адипоцит-специфічна миша з нокаутом Atg7 мала худий фенотип зі зменшенням білої жирової маси та підвищеною чутливістю до інсуліну. Однак нещодавно Cai et al. показали захисний ефект аутофагії у функції зрілих адипоцитів [90]. Вони показали, що білки аутофагії необхідні для адекватної функції мітохондрій і що видалення аутофагії після розвитку спричинило резистентність до інсуліну.

Дефектна регуляція аутофагії жирової тканини була виявлена ​​у мишей і людини при ожирінні [69]. У мишачих моделях ожиріння та у людей з ожирінням виявилося, що гени та білки, пов’язані з аутофагією, значно активізуються [91,92]. Хоча ці результати були інтерпретовані як посилена аутофагія, спочатку Soussi et al. показали, що аутофагічний потік був порушений при ожирінні [93]. Цей результат узгоджувався з висновком, отриманим з роботи Cai та ін., який показав, що аутофагія може відігравати захисну роль після дозрівання.отефлавоноїдНа підставі цих результатів стає зрозуміло, що в жировій тканині необхідна підтримка відповідної активації аутофагії. Однак роль CR у функції жирової тканини ще належить з’ясувати. Нуньєс та ін. показали, що CR успішно збільшив аутофагію у худих мишей, але у мишей із ожирінням індукція аутофагії не відбулася, що свідчить про те, що, як і в попередніх звітах, аутофагічна відповідь є дефектною під час ожиріння [69]. Ghosh та ін. досліджували вплив старіння та CR на аутофагію жирової тканини та виявили зниження активності аутофагії зі старінням, сприяючи аномальному ER стресу та запаленню в старій жировій тканині [70]. Вони також показали, що активність аутофагії була посилена у мишей CR із супутнім зниженням ER стресу та запалення. У сукупності CR має сприятливий вплив на жирову тканину, принаймні частково через індукцію реакції аутофагії.

3.4. нирка

Нирки також демонструють сприятливий вплив CR, включаючи індукцію аутофагії. У канонічній концепції обміну речовин нирка не є активним учасником. Однак нирки можуть брати участь і відігравати важливу роль у метаболізмі вуглеводів, білків і ліпідів [94,95]. Клітини ниркових канальців мають високий базальний рівень споживання енергії та залежать від окислення жирних кислот для генерації достатньої кількості АТФ [96]. Крім того, клітини проксимальних канальців генерують глюкозу шляхом глюконеогенезу, особливо в умовах дефіциту поживних речовин, і сприяють загальному рівню глюкози в крові [97]. З цих причин відповідна аутофагія важлива для підтримки нормальної фізіології нирок шляхом регуляції адекватних метаболічних процесів і якості органел. Було виявлено, що дефекти аутофагії погіршують умови при кількох типах захворювань нирок [98,99]. Відомо, що CR має сприятливий вплив на нирки як за фізіологічних, так і при патологічних станах [100]. Крім того, CR також призводить до відстроченої вікової дисфункції нирок і до структурних змін [50]. Серед кількох запропонованих механізмів, які пояснюють сприятливий вплив CR на нирки, підвищена активність аутофагії є важливим.

Кім та ін. розробив 12-місячний графік CR у 12-місячних мишей, щоб оцінити вплив старіння та CR на аутофагію [58]. У порівнянні з контрольною групою CR призвела до здорових мітохондрій з численними аутофагосомами в нирці. Крім того, нижчий рівень р62 був виявлений у нирках мишей CR. Співвідношення LC3-конверсії та LC3 puncta було вищим у мишей CR, що вказує на те, що опосередкована CR аутофагія збільшувала цілісність мітохондрій і захищала їх від пов’язаного з віком пошкодження нирок. Нін та ін. показали подібний результат, використовуючи модель короткострокового обмеження калорій [71]. Групи CR мали 40-відсоткове обмеження калорій протягом 8 тижнів і продемонстрували посилений потік аутофагії, пов’язану з аутофагією експресію генів і зниження окисного пошкодження. CR також значно знизив експресію p62 і поліубіквітинові агрегати.

Chung та ін. також показали, що короткострокова CR зменшує віковий фіброз нирок [50]. Вони виявили, що зниження експресії PPARo під час старіння порушує метаболізм ліпідів і викликає інтерстиціальний фіброз у нирках. Миші з нокаутом PPARa показали ранній початок вікового фіброзу нирок. Хоча вони зосередилися лише на метаболізмі ліпідів для регуляторної ролі PPARo і не перевіряли зміни аутофагії у своїй моделі, PPARo відіграє важливу роль у експресії пов’язаних з аутофагією генів; отже, ймовірно, що аутофагія могла зіграти роль у опосередкуванні антифіброзних ефектів CR у їхній моделі. У сукупності ці дослідження переконливо свідчать про те, що CR ефективно індукує аутофагію у старіючих і діабетичних мишей і відіграє захисну роль у цих умовах.

4. Переваги голодування між прийомами їжі в аутофагії: чи є CR єдиним рішенням?

Нещодавно цікаве дослідження Martinez-Lopez et al. продемонстрували ключову роль аутофагії за умов харчування, відмінних від CR [78]. Вони запровадили модель ізокалорійного годування двічі на день (ITAD) з тією ж кількістю споживання їжі в цілому, що й контрольна група ad libitum. Ці миші отримували їжу через два короткі інтервали часу, на початку та наприкінці денного циклу. Концепція цієї моделі відрізняється від обмеження калорій, оскільки загальне споживання їжі таке ж, як і в контролі. ITAD все ще призводить до голодування між прийомами їжі, що викликає різні фізіологічні зміни, включаючи процес аутофагії. Годування ITAD вплинуло на потік аутофагії в багатьох органах, включаючи печінку, жирову тканину, м’язи та нейрони. Годування ITAD сприяло багатьом метаболічним перевагам в органах, де аутофагія була посилена, і подальші експерименти продемонстрували тканиноспецифічний внесок аутофагії в метаболічні переваги годування ITAD за допомогою моделей нокауту тканиноспецифічної аутофагії. Нарешті, в моделі старіння та ожиріння було зроблено висновок, що дворазове харчування без CR може запобігти метаболічному синдрому через активацію аутофагії. Це дослідження можна легко перенести на людей, оскільки ITAD більш реально застосовувати, ніж CR. Якби подібний режим був застосований до людей, він міг би забезпечити деякі корисні ефекти, такі як індукція аутофагії, і в кінцевому підсумку запобігти різним метаболічним захворюванням, пов’язаним з віком.

Нещодавно Stekovic та ін. показали значний вплив голодування через день (AD) на старіння людей без ожиріння [101]. AD голодування значно покращило фізіологічні та молекулярні маркери; він також покращив серцево-судинні маркери зі зменшенням жирової маси та без будь-яких типових побічних ефектів. У цьому дослідженні також підкреслюється, що голодування при AD переноситься легше, ніж безперервне, і призводить до аналогічних корисних ефектів. Хоча вони не перевіряли, чи відіграє роль аутофагічна реакція, можливо, було б цікаво продовжити дослідження впливу голодування AD на індукцію аутофагії.

5. CR Mimetic як індуктор аутофагії

CR може мати сприятливий ефект, який подовжує тривалість життя людини; однак це складно реалізувати, навіть у випадку короткострокового CR. Тому розробка препаратів або сполук, що імітують ефект КР, є цікавою темою для дискусій серед біологів і геронтологів [102. На основі шляхів і білків, змінених в умовах CR, багато хто почав досліджувати модулятори, які імітують CReffect. В даний час було показано, що кілька лікарських засобів та інших сполук, які природно зустрічаються в раціоні (нутрицевтики), діють як міметики CR через різні механізми. Мішені міметиків включають шлях гліколізу, передачу сигналів інсуліну/інсуліноподібного фактора росту, mTOR AMPK, сиртуїни та інші шляхи, пов’язані з CR. Цікаво, що багато відомих міметиків CR прямо чи опосередковано пов’язані з регуляцією аутофагії. Наступне обговорення буде зосереджено на добре відомих міметиках CR, які діють через регуляцію аутофагії (рис. 2).

Рисунок 2. Обмеження калорій (CR) і CR-міметики модулюють процес аутофагії. CR зменшує передачу сигналів mTOR шляхом зниження рівня інсуліну та IGF. CR збільшує співвідношення АМФ/АТФ і активує АМФК. Знижений mTOR і активований AMPKефективно індукують початок процесу аутофагії. Різні міметики CR можуть індукувати процес аутофагії. Рапаміцин активує аутофагію шляхом пригнічення mTOR, а метформін індукує аутофагію шляхом активації AMPK. Спермідин посилює загальний процес аутофагії через інгібування деацетилази EP300.

5.1. Рапаміцин, інгібітор mTOR

Спочатку рапаміцин був описаний як імуносупресорний препарат, і його зазвичай називають сполукою для міметиків CR. У більш пізніх дослідженнях було продемонстровано, що рапаміцин безпосередньо зв’язується між FKBP12 і субодиницями кінази mTOR mTORC1, спричиняючи інгібування mTOR і його подальшого сигнального шляху [103]. Інгібіторна активність рапаміцину щодо mTOR привернула увагу, оскільки активність і експресія mTOR значно підвищуються при старінні та вікових захворюваннях [104]. Крім того, було показано, що CR знижує регуляцію функції mTOR, що призводить до посилення аутофагії зі зниженим синтезом білка [105]. Задокументовано, що рапаміцин уповільнює або полегшує захворювання, пов’язані з віком, включаючи метаболічні захворювання, серцево-судинні захворювання, фенотип передчасного старіння при прогерії Хатчінсона-Гілфорда та нейродегенеративні захворювання [104,106]. Рапаміцин також продемонстрував ефект подовження тривалості життя на різних моделях тварин, включаючи дріжджі, плодову мушку та нематоди [107]. Крім того, ефект продовження життя рапаміцину також був підтверджений і повторений на мишах кількома незалежними групами [108,109].

Хоча рапаміцин активує аутофагію через інгібування mTOR, він також виявляє інші корисні ефекти через регуляцію інших сигнальних шляхів. mTORCl активується не тільки рівнями поживних речовин у клітині, але й гормонами росту клітин. mTORC1 взаємодіє з ключовими білками в анаболічному процесі, такими як S6K, 4E-BP1 і SREBPlc, і активує синтез білків, ліпідів, нуклеотидів і органел, таких як мітохондрії [104]. Проте докази також продемонстрували деякі побічні ефекти рапаміцину, такі як пригнічення імунної системи, підвищення частоти діабету та нефротоксичність [110]. Необхідно ретельно розглянути безпеку та побічні ефекти рапаміцину при тривалому застосуванні.

5.2. Метформін, активатор AMPK

Метформін є ще одним цікавим міметиком CR. Це гіпоглікемічний засіб на основі гуанідину, який використовується як препарат для лікування діабету типу -2 і має здатність підвищувати чутливість до інсуліну через активацію AMPK. Хоча його зазвичай називають активатором AMPK, малоймовірно, що метформін безпосередньо зв’язується з AMPK або його активатором LKB1 [111]. Докази підтверджують, що метформін може збільшувати активацію AMPK шляхом модулювання виробництва АТФ у мітохондріях [112]. Оскільки AMPK знижується при багатьох типах метаболічних захворювань, метформін продемонстрував особливо сприятливий ефект при різних вікових метаболічних захворюваннях [113]. Подальші дослідження показали ефект подовження тривалості життя метформіну. Під час скринінгу міметиків CR Dhahbi et al. вперше виявив, що лікування метформіном показало профіль транскрипції, подібний до профілю CR у мишей [114]. Крім того, було показано, що метформін збільшує тривалість життя на моделях нематод і гризунів [115,116]. Цікаво, що деякі дослідження показали, що корисні ефекти метформіну були менш вираженими в умовах пригнічення аутофагії, що свідчить про важливість сигналізації аутофагії, індукованої метформіном [117-120]. Тепер зрозуміло, що метформін демонструє свою корисну дію принаймні частково через індукцію аутофагії. Однак у деяких моделях старіння переваги довголіття метформіну не спостерігалися. Зрозуміло, що метформін має кілька сприятливих ефектів при різних метаболічних захворюваннях. Однак необхідні подальші дослідження, щоб перевірити, чи може метформін діяти як міметик CR і постійно демонструвати ефекти проти старіння.

5.3. Спермідин

На відміну від рапаміцину та метформіну, спермідин є природним поліаміном, який стимулює аутофагію [121]. Було продемонстровано, що він бере участь у різних клітинних процесах і регулює клітинний гомеостаз. Зовнішня добавка спермідину подовжує тривалість життя різних видів, включаючи дріжджі, нематоди, плодових мушок і мишей [121-123]. Він також продемонстрував захисну дію при кількох дегенеративних захворюваннях. Важливо, що багато з цих корисних властивостей спермідину проти старіння були скасовані, коли було генетичне порушення аутофагії [123-125]. Механічні дослідження показали, що спермідин індукує аутофагію через інгібування кількох ацетилтрансфераз. EP300, одна з ацетилтрансфераз, що регулюється спермідином, є основним негативним регулятором аутофагії [126]. Епідеміологічні дані показали, що рівень спермідину знижується з віком і що збільшення споживання продуктів, багатих спермідином, знижує загальну смертність, пов’язану з серцево-судинними захворюваннями та раком [127,128]. Цікаво, що нещодавній звіт також продемонстрував подібну роль аспірину, і індукція аутофагії аспірином була продемонстрована у кількох видів [129,130]. У сукупності ці результати створюють нові молекулярні механізми для регуляції аутофагії, а спермідин і аспірин можуть утворити новий тип міметиків CR із ефектом проти старіння.

6. Заключні зауваження

У цьому огляді обговорювалися ефекти аутофагії, викликаної CR, проти старіння. Незважаючи на те, що це залежить від виду та віку, що використовуються в експериментальних моделях, а також від тривалості та інтенсивності режимів CR, усі дані підтверджують роль CR в активації аутофагії. CR-індукована аутофагія відіграє ключову роль у фізіологічних умовах, підтримуючи адекватний гомеостаз в організмі. Крім того, в різних органах і тканинах за патологічних станів, включаючи старіння, CR-індукована аутофагія відігравала захисну роль. Основні механізми подовження довголіття у відповідь на CR ще не повністю зрозумілі, але дані підтверджують, що активована аутофагія може відігравати важливу роль. З подальшим прогресом у механістичній біології цікаво, що міметики CR, що індукують аутофагію, демонструють подібні ефекти до CR у кількох організмів. Хоча необхідні додаткові дослідження, щоб краще зрозуміти переваги міметиків CR, їх безпеку та побічні ефекти також слід ретельно розглянути. Нарешті, необхідно буде оцінити, чи ефективні індуктори аутофагії та чи можуть вони застосовуватися при лікуванні захворювань людини.

Ця стаття взята з Nutrients 2019, 11, 2923; doi:10.3390/nu11122923 www.mdpi.com/journal/nutrients