Cechy normalnego starzenia.Teorie starzenia.

Genetyka starzenia.Epigenetyka starzenia.

Zakład Geriatrii i Gerontologii, Centrum Medyczne Kształcenia PodyplomowegoZespół Kliniczno-Badawczy Epigenetyki Człowieka, Instytut Medycyny Doświadczalnej i Klinicznej PAN

Prof. dr hab. med. Monika Puzianowska-Kuznicka

United Nations Population Division, World Population Prospects: The 2004 Revision(New York: United Nations, 2005).

Odsetek populacji ≥65 w 2000

Odsetek populacji ≥65 w 2050 – projekcja

United Nations Population Division, World Population Prospects: The 2004 Revision(New York: United Nations, 2005).

Projekcja wzrostu populacji ≥65 w liczbach bezwzględnych

MDS – kraje wysoko rozwinięte LDS kraje nisko rozwinięte

United Nations Population Division, World Population Prospects: The 2004 Revision(New York: United Nations, 2005).

Polska

ww

w.g

lobala

gin

g.o

rg/ru

rala

gin

g/w

orld

/agein

g1.jp

g

Piramida wieku

Będzie gorzej, bo nie uwzględniono emigracji młodych ludzi!!!

Teorie genetyczne

1. Defekty mechanizmów naprawy DNA, którym towarzyszy uszkadzające DNA działanie UV i wolnych rodników. Pogorszenie sprawności mechanizmów naprawy DNA (może tłumaczyć zwiększoną zapadalność na choroby rozrostowe u osób starszych).

2. Nagromadzenie mutacji somatycznych (N).3. Teoria błędów – błędy na poziomie transkrypcji i translacji,

prowadzące do powstania nieprawidłowych form kluczowych dla życia białek.

4. Skutek działania gerontogenów (N).5. Skutek nieprawidłowej funkcji genów długowieczności (N).6. Skutek skracania telomerów, niedobór działania telomerazy.

Wybrane teorie starzenia

Teorie komórkowe

1. Wolne rodniki – nawarstwiające się oksydacyjne uszkodzenia kwasów nukleinowych, lipidów i białek (stres oksydacyjny, równowaga redox).

2. Fenomen Hayflicka – ograniczona liczba podziałów komórkowych.3. Teoria zużycia – długość życia odwrotnie proporcjonalna do szybkości

metabolizmu.4. Akumulacja szkodliwych produktów przemiany materii.5. Teoria modyfikacji potranslacyjnych (np. nieprawidłowa glikozylacja i

glikacja).6. Teoria mitochondrialna – uszkodzenie DNA pozajądrowego, nieprawidłowa

funkcja mitochondriów w regulowaniu metabolizmu; teoria wspierana proporcjonalnością liczby mutacji w mitochondriach i objawami starzenia się kolejno mózgu, serca, itd.

Wybrane teorie starzenia

zależna od wieku akumulacja mutacji

w regionie kontrolującym replikację

ludzkiego mitochondrialnego DNAScience. 1999, 286:774-779

Wybrane teorie starzenia

Teorie systemowe

1. Neuroendokrynologiczna – starzenie jest wynikiem zmian w poziomie hormonów i neuroprzekaźników.

2. Immunologiczna – starzenie jest skutkiem niemożności utrzymania normalnego poziomu odpowiedzi immunologicznej, autoagresja.

Teorie ewolucyjne

1. Im więcej energii traci się na reprodukcję, tym mniej zostaje jej do utrzymania homeostazy organizmu.

I wiele innych…

Starzenie jest zjawiskiem wieloczynnikowym, najprawdopodobniej niezaprogramowanym genetycznie. Nie osiągnięto jeszcze konsensusu w sprawie tego, co je zapoczątkowuje. Znacznie lepiej znane są zjawiska molekularne mu towarzyszące, ale czy są one skutkiem, czy przyczyną starzenia - ?

Jednym z istotnych zjawisk w starzeniu są zaburzenia funkcji genomu. Nie są one jednak jedyne!!!

Aktualna teoria starzenia

Normalne zmiany związane z procesem starzenia

1. Starzenie biologiczne: uniwersalne, postępujące, samoistne. Zmiany dotyczą wszystkich układów.

2. Obniżona zdolność do utrzymania homeostazy.

3. Obniżona odpowiedź na bodźce fizyczne i emocjonalne.

4. Obniżone rezerwy organizmu.

genetyka(niemodyfikowalna)

epigenetyka(częściowo

modyfikowalna)

styl życiaśrodowisko

(modyfikowalne)

rezerwy organizmu

Normalne i patologiczne zmiany związane z procesem starzenia

ZDROWE STARZENIE

chorobyupośledzenie

funkcji organizmu

Naturalne starzenie powinno być zdrowe, choroby stanowią powikłanie starzenia.

nadciśnienie

cukrzyca

stwardnienie rozsiane

rak piersi

choroba Crohna

udar

reumatoidalne zapalenie stawów

U przeciętnie genetycznie wyposażonych osób ryzyko zachorowania na „choroby związane z wiekiem” zależy od genów w ok. 20%. W przypadku chorób neurodegeneracyjnych udział genów jest większy (!). Reszta ryzyka zależy od środowiska i czynników przypadkowych.

Hum

Mol G

enet. 2

005, 1

4:R

11-R

18

Normalne i patologiczne zmiany związane z procesem starzenia

Starzenie i długość życia

Presja ekologiczna:infekcje, wypadki,wojny, itd.

Długość życia zależy głównie, ale nie tylko, od tempa starzenia.

?Zgony

Wiek

Maksymalna długość życia

Odmiany genów Środowisko Czynniki przypadkowe

Metody badania wpływu genów na starzenie/długość życia:

1. Badania na zwierzętach (knock-out, knock-in).

2. Badania asocjacyjne pojedynczych odmian genów u ludzi.

3. Badania GWAS (w skali genomu).

4. Sekwencjonowanie całogenomowe.

Starzenie i długość życia: geny

1. Do ok. 85 roku życia długość życia zależy od genów jedynie w 25-30%.

Starzenie i długość życia: geny

Hum Genet. 1996, 97:319-323Hum Genet. 2006, 119:312-321

2. Po 90 r. ż. rola czynników genetycznych znacząco wzrastai długowieczność łatwiej osiągają osoby z „korzystnymi” odmianami genów.

3. Rodzeństwo stulatków ma większą niż inni szansę na dożycie 100 lat.

4. Nawet rodzice i rodzeństwo dziewięćdziesięciolatków mają większą niż inni ludzie szansę na długowieczność. Być może ten efekt jest częściowo związany z płcią (silniejszy u krewnych osób płci męskiej).

Eur J Hum Genet. 2000, 8:743-749 Proc Natl Acad Sci U S A. 2002, 99:8442-7844

Eur J Hum Genet. 2011, 19:882-886

Eur J Hum Genet. 2006, 14:79-84

Starzenie i długość życia: geny

5. Większość zidentyfikowanych odmian genów jest specyficznych dla danych populacji. Jedynie niewielka grupa genów konsekwentnie „pokazuje się” w różnych typach badań i u różnych populacji.

6. U ludzi wpływ pojedynczych genów na długość życia jest niewielki. Liczy się „zestaw” odmian genetycznych, który sprzyja długowieczności. Istnieją liczne takie zestawy.

Starzenie i długość życia: geny

Meta-analiza 5 badań stulatków z USA, Europy i Japonii wskazała 128 polimorfizmów znamiennie związanych z długowiecznością (z 6% ryzykiem błędu), z czego korektę Bonferroniego przetrwało jedynie 16 u osób rasy kaukaskiej i 6 u osób rasy kaukaskiej i Japończyków.

Aging. 2013, 5:653-661

Starzenie i długość życia: geny

Sekwencjonowanie następnej generacji (next generation sequencing, NGS) umożliwia wykrycie rzadkich odmian genów związanych z długowiecznością.

Stosując NGS do badania sekwencji genomów 40 i 100-letnich bliźniąt monozygotycznych oceniano, czy starzenie wiąże się z akumulacją mutacji somatycznych. Wykazano, że przeżycie 100 lat nie wiąże się ze znamiennym zwiększeniem liczby takich mutacji (znaleziono osiem na cały genom!!!).

Starzenie i długość życia: geny

Twin Res Hum Genet. 2013, 16:102610-102632

Starzenie i długość życia: geny

PLoS One. 2012, 7:e29848

W wielkoskalowym badaniu ponad 1000 stulatków znaleziono 281 polimorfizmów występujących z różną częstością u kontroli i osób długowiecznych.

Stabilność i funkcja genomu

Indukcja starzenia komórki

Regulacja wydzielaniainsuliny

Gospodarka lipidowai choroba Alzheimera

Starzenie i długość życia: genyRodzeństwa dziewięćdziesięciolatków z rodzin długowiecznych i jedynacy w wieku ponad 85 lat z ogólnej populacji mają taką samą ilość odmian genów zwiększających ryzyko chorób jak młode kontrole.

Total Metabolic Cancer

Total Metabolic Cancer PNAS. 2010, 107:18046-18049

Nie ma różnicy w częstości występowania dużej liczby odmian genetycznych związanych z chorobami pomiędzy stulatkami i młodymi kontrolami.

1054 stulatków i

4118 kontroli

PLoS ONE. 2012, 7:e29848

1. Sugeruje to, że ważniejsze są korzystne odmiany genów regulujących tempo starzenia i inne procesy, np. funkcję genomu niż „ryzykowne” odmiany genów chorób.

2. Jeśli „ryzykowne” odmiany jednak są obecne, to korzystne odmiany genów długowieczności mogą przeciwdziałać ich negatywnemu wpływowi.

Proc Natl Acad Sci USA. 2010, 107:18046-18049PLoS One. 2012, 7:e29848

Starzenie i długość życia: geny

Z licznych badań wynika, że najsilniej związany z długowiecznością jest locus zawierający geny TOMM40, APOE, i APOC1 (locus 19q13.32).

Sci Aging Knowledge Environ. 2006, 2006:pe20Aging Cell. 2013, 12:184-913

Aging. 2013, 5:653-661

Starzenie i długość życia: geny

PLoS One. 2012, 7:e29848

W metaanalizie (2776 stulatków i 11941 młodszych kontroli) wykazano związek APOE z ekstremalną długowiecznością (EL). Prawdopodobieństwo EL było negatywnie związane z obecnością allele ε4 i z genotypami ε4/ε4, ε3/ε4 i ε2/ε4. Genotyp ε2/ε3 był pozytywnie związany z EL.

Rejuvenation Res. 2015, 18:3-13

Jądra komórkowe osób starych nabywają defektów genetycznych podobnych do tych u osób z zespołem przedwczesnego starzenia – HGPS (zmiany kształtu jądra, w modyfikacjach histonów, zwiększona ilość uszkodzeń DNA, zaburzenia aktywności genów). Science. 2006, 312:1059-1063

W metaanalizie 3448 osób długowiecznych i młodszych kontroli wykazano związek odmiany LMNA z długowiecznością.

PLoS ONE. 2012, 7:e29848

Aging Cell. 2012, 11:475-481

Starzenie i długość życia: geny

Geny szlaku insuliny i insulinopodobnego czynnika wzrostu 1:IR, IGF1R, KLOTHO, FOXO (FOXO3a) .

Agein

g R

es R

ev. 2

010, 9

(suppl 1

), S67-S

78

Starzenie i długość życia: geny

Metaanaliza badań GWAS 6036 osób w wieku ≥90 lat i 3757 kontroli które zmarły pomiędzy 55 i 80 rokiem życia wykazała wysoce znamienny związek wariantu FOXO3 z długowiecznością.

J Gerontol A Biol Sci Med Sci. 2015, 70:110-118

SIRT (SIRT1, SIRT3, SIRT6).

Starzenie i długość życia: geny

Genome Biology. 2004, 5:224

Sirt4

Sirt5

Sirt6

Sirt7

SOD, katalaza.

www.sigmaaldrich.com/img/assets/5942/Superoxi...

Starzenie i długość życia: geny

Starzenie i długość życia: geny

XPD, WRN, inne geny naprawy DNA.

PLoS One. 2012, 7:e29848

Biogerontology. 2010, 11, 287-297 J Gerontol A Biol Sci Med Sci. 2011, 66, 19-25

Inne geny mające wpływ na długość życia poprzez modyfikację ryzyka zachorowania na choroby skracające życie (paraoksonaza PON1, mikrosomalne białko transportujące MTP, białko transportujące estry cholesterolu CETP).

Stulatkowie i ich krewni mają cząsteczki HDL i LDL większe, niż inni.

Korzystne odmiany tych genów zmniejszają ryzyko występowania chorób układu krążenia.

Starzenie i długość życia: geny

JAMA. 2003, 290:2030-2040 PLoS Med. 2006, 3:e495

Itd…

1. W kilku populacjach europejskich wykazano związek haplotypu J mtDNA z długowiecznością. Komórki z mtDNA o haplotypie J produkują mniej ATP i ROS niż komórki z innymi haplotypami.

2. Azjatycka haplogrupa D (podobnie jak haplogrupa J charakteryzująca się mutacjami w obrębie genów kompleksu I łańcucha oddechowego) jest częstsza u japońskich stulatków niż u kontroli.

Epigenomics. 2012, 4:1727Exp Gerontol. 2014, 56:234-244

Lancet. 1998, 351:185-186

htt

p:/

/w

ww

.eu

pe

dia

.co

m/e

uro

pe

/H

ap

log

rou

p_

J_

mtD

NA

.sh

tml

Starzenie i długość życia: mtDNA

1. Mutacje w obrębie genów kompleksu I wydają się sprzyjać długowieczności, podczas gdy współwystępowanie mutacji w kompleksach I i III lub I i V może zmniejszać szansę na długowieczność.

2. Wyniki dotyczące związków haplotypów mtDNA z chorobami (np. Alzheimera lub cukrzycą typu 2) są niespójne.

3. Wiele mutacji i haplotypów mtDNA hipotetycznie związanych z wyższym ryzykiem chorób degeneracyjnych występuje równie często w osób długowiecznych i osób młodych, sugerując, że efekty biologiczne mutacji mtDNA zależą od współistniejących zmian w genomowym DNA (specyfika etniczna), środowiska i wydarzeń przypadkowych.

Exp Gerontol. 2014, 56:234-244

Starzenie i długość życia: mtDNA

Starzenie: telomery

1. Telomery znajdujące się na końcach chromosomów zbudowane są z długich na 10-20 kpz powtórzeń sekwencji TTAGGG. Każdy podział komórkowy prowadzi do ich skrócenia o 25-350 par zasad – zjawisko zależne od niedoskonałego działania polimerazy DNA!!! Komórki ludzkie przestają się dzielić, gdy długość telomerów spada do 4-5 kpz (limit Hayflicka). Nie wszystkie telomery w komórce osiągają jednocześnie krytyczną długość.

2. Długość telomerów u różnych ludzi w tym samym wieku jest różna, nie jest też identyczna w różnych tkankach tego samego człowieka.

3. Długość telomerów może również zależeć od środowiska. Krótsze telomery mają osoby poddane przewlekłemu stresowi, chore na przewlekłe choroby, palące papierosy i osoby o niskim statusie ekonomicznym (dieta?). Exp Cell Res. 1965, 37:614-636

Exp Cell Res. 1995, 220:194-200Hum Mol Genet. 1996, 5:685-691

Nat Genet. 2003, 33:203-207Aging Cell. 2007, 6:709-713

Proc Natl Acad Sci USA. 2004, 101:17312-17315 Lancet. 2005, 366:662-664

Liczy się nie tylko sekwencja, ale i aktywność genów. Środowisko zmienia aktywność genów za pośrednictwem modyfikacji epigenetycznych.

epigenom

genom

Starzenie i długość życia: geny

Modyfikacje epigenetyczne (metylacja DNA; modyfikacje kowalencyjne białek chromatyny (histonów); mikroRNA (miRNA)) zmieniają aktywność genu nie wpływając na jego sekwencję.

Modyfikacje epigenetyczne

Aktualny epigenom zależy od modyfikacji wrodzonych,od środowiska oraz od tzw. „trzeciego czynnika”

– zmian przypadkowych.

Zmiany epigenetyczne związane z wiekiem to, na przykład, zmniejszenie globalnej metylacji DNA (spadek aktywności metylotransferazy 1) i zwiększenie metylacji wysp CpG w promotorach genów (wzrost ekspresji metylazy DNMT3b). Wskutek tego dochodzi do hamowania aktywności wielu genów.

Komórka młoda Komórka starzejąca się

Starzenie: dryft epigenetyczny– metylacja DNA

1. Profile epigenetyczne tkanek są bardzo odrębne i specyficzne dla konkretnego typu tkanki (p<0,0001).

2. Wiek jest znamiennie związany z metylacją (p<0,0001).

PLoS Genet 2009. 5, e1000602

Starzenie: dryft epigenetyczny– metylacja DNA

W ciągu ok. 10 lat obserwacji u 29% osób stwierdzono większą niż 10% zmianę poziomu metylacji (p<0,001). Zmiany metylacji miały specyfikę rodzinną (p=0,003). Ale: zmiany były dwukierunkowe (podwyższenie lub obniżenie!)

Starzenie: dryft epigenetyczny – metylacja DNA

Sugeruje się, że metylacja DNA może być praźródłem spontanicznych, somatycznych mutacji C na T (5mC>T) w sekwencjach CpG i CpNpG (związane z wiekiem nowotworzenie?).

Ageing Res Rev. 2009, 8:314-327

Metylacja telomerów ma wpływ na ich długość.J Nutr 2009, 139:1273-1278

PNAS. 2005, 102:15167-15172

Starzenie: dryft epigenetyczny – metylacja DNA

Z wiekiem wzrasta trimetylacja histonu H4 na lizynie 20 (H4-K20), zaś wskutek niedoboru deacetylazy SIRT1- najprawdopodobniejwzrasta acetylacjaH4-K16 i H3-K9.

Starzenie: dryft epigenetyczny – modyfikacje białek chromatyny

J Biol Chem. 2002, 277:39195-39201Aging Cell. 2006, 5:413-422Cell Cycle. 2006, 5:2005-2011

Starzenie: dryft epigenetyczny – miRNA

1. Każdy narząd ma swoisty wzór związanych ze starzeniem zmian dotyczących ekspresji miRNA.

2. Zmiany pojawiają się już w średnim wieku.

3. Zmiany ekspresji pojedynczych miRNA mogą być odpowiedzialne za zmiany ekspresji wielu genów/szlakówzwiązanych ze starzeniem.

Ageing Res Rev. 2012, 11:41-50Adv Drug Deliv Rev. 2013, 65:368-375

miR-96, miR-145, miR-9

Starzenie: dryft epigenetyczny – miRNA

1. Uważa się, że sposób odżywiania istotnie wpływa na przebieg procesu starzenia.

2. Pełnowartościowa dieta niskokaloryczna „odwraca” zależny od wieku „wzór” ekspresji genów w mięśniach, wątrobie i mózgu zwierząt doświadczalnych. Powrót do normalnej diety skutkuje szybkim powrotem do poprzedniego wzoru ekspresji.

Czy czynniki epigenetyczne mogą byćmodyfikowane przez środowisko?

www.pathguy.com/lectures/ob_mouse.gif

drożdże C. elegans D. melanogaster

mysz szczur

naczelne

Dieta pełnowartościowa z ograniczeniem kalorii (CR)

Science. 2009, 325:201-204

Dieta pełnowartościowa z ograniczeniem kalorii (CR)

późna CR

wczesna CR wczesna CR

późna (O)i wczesna (Y) CR

Dieta pełnowartościowa z ograniczeniem kalorii (CR)

Nature. 2012, 489:318-321

Które badania dają prawdziwe wyniki? A jeśli obydwa?

Czy to znaczy, że nie tylko ilość kalorii ma znaczenie?

1. Restrykcja kaloryczna - tak (wciąż są mocne podstawy naukowe) ale… może nie ograniczenie o 25-30% ale tylko o 10-15%?

2. Źródła składników pokarmowych – naturalne!!! (nie suplementy, jeśli nie ma wyraźnych do tego wskazań).

3. Zdrowa dieta (bez niedoborów witamin, minerałów, niezbędnych aminokwasów i kwasów tłuszczowych, polifenoli, itd.).

Dieta pełnowartościowa z ograniczeniem kalorii (CR)

Zmniejszona podaż kwasu foliowego (prekursora S-adenozylometioniny –uniwersalnego donora reszt metylowych), selenu, fitochemikaliów, w tym genisteiny i polifenoli lub przyjmowanie substancji zanieczyszczających, np. arsenu może wpływać na metylację DNA.

J Nutr. 1998, 128:1204-1212Gut 2005, 54:579-581J Nutr. 2000, 130:2903-2909J Nutr. 2002, 2419s-2423sCancer Res. 2004, 63:7563-7570

Dieta epigenetyczna

Zmieniając skład diety można w pewnym stopniu zmieniać epigenom – opóźniać dryft epigenetyczny!

Czy czynniki genetyczne/epigenetyczne mogą być

modyfikowane przez środowisko?

Ekspresja SIRT1 jest aktywowana przez polifenole z najbardziej znanym resweratrolem (z czerwonego wina, orzeszków ziemnych, soi, owoców jagodowych i owocu granatu), piceatannolem, fisteiną i oraz przez proantocyjanidynę, kwasy tłuszczowe omega-3 i wiele, wiele innych.

Oprócz wymiatania wolnych rodników, niektóre antyoksydanty (selen, cynk, kwas foliowy) mogą wspomagać naprawę DNA.

www.lef.org/magazine/graphics/freerad.jpg

Czy czynniki genetyczne/epigenetyczne mogą być

modyfikowane przez środowisko?

PNAS. 2002, 99:14548-14553PNAS. 2002, 99:13969-13971Cancer Epidemiol Biomark Prev. 2003, 12:963-969

Zdrowe żywienie i CR u człowieka

Obecnie uważa się, że najlepsze dla utrzymania dobrego stanu zdrowia i wydłużenia życia jest spożywanie całych warzyw i owoców, które zawierają nawet po kilkaset różnych flawonoidów i innych substancji aktywnych; właśnie mix tych substancji ma najkorzystniejsze działanie.

Wśród owoców szczególną uwagę zwracają owoce jagodowe:jagody, borówki, maliny, truskawki, porzeczki, itd.

Należy jeść również orzechy (zwłaszcza włoskie) oraz zielone warzywa i różne zioła/przyprawy (czosnek, kurkumina, imbir, galangal, curry, itd.).

Mrożenie nie niszczy polifenoli/flawonoidów.

Obróbka cieplna może je niszczyć.

Najlepsze są pokarmy nie przetworzone, surowe lub po niewielkiej obróbce.

Należy spożywać owoce ze skórką. Najzdrowsze są ekologiczne owoce i warzywa.

Zdrowe żywienie i CR u człowieka

Żywienie→CR →wydłużenie życia

(potencjalne interwencje farmakologiczne)

Bio

facto

rs. 2010 , 3

6:3

77-3

82

Resweratrol i metformina wydłużają zdrową fazę życia i najprawdopodobniej wydłużają życie zwierząt doświadczalnych.Rapamycyna wydłuża życie.

Podsumowanie

1. Starzenie jest procesem wieloczynnikowym o nie ustalonej jeszcze przyczynie. Dużo natomiast wiadomo o mechanizmach związanych ze starzeniem.

2. Choroby nie są „naturalnymi” elementami normalnego procesu starzenia.

3. Za przebieg procesu starzenia sekwencja genów odpowiedzialna jest w ok. 25%. Rola genów w długowieczności jest znacznie większa. Są to czynniki niemodyfikowalne starzenia/długowieczności.

4. Czynniki epigenetyczne są do pewnego stopnia modyfikowalne dzięki oddziaływaniom środowiskowym.

Dziękuję za uwagę