Biochemická podstata stárnutí


Biochemical Essence of Aging

Aging can be defined as progressive and irreversible loss of vitality and increasing mortality coming inescapably with age. It is a stochastic process, rather than a program. The biochemical essence of aging lies in impossibility to prevent accumulation of random errors in important biomolecules, such as DNA and proteins. In the complicated process of aging, there are roles for reactive oxygen species, mitochondrial dysfunction, reactive carbonyls, and damage to genomic DNA including telomeres, epigenetic alterations, cell senescence, and collapse of proteostasis. Although all tissues of human body age, the biological limits of maintenance and repair affect the non-dividing cells the most. As the key organs of human body, brain, heart, and skeletal muscle, are based on postmitotic cells, a human being in his biological body can never reach immortality. Within the biological limits, organisms are equipped with important adaptable mechanisms for body maintenance and repair, such as stress-induced cellular resistance to stress (hormesis), autophagy and DNA damage response. Insight into these mechanisms provides rationale for benefits of life style interventions, such as caloric restriction and physical exercise, and in future might even bring drugs that could slow aging.

Keywords:

reactive oxygen species – mitochondria – pyruvaldehyde – DNA damage – proteostasis


Autoři: J. Pláteník
Působiště autorů: Ústav lékařské biochemie a laboratorní diagnostiky 1. LF UK a VFN, Praha
Vyšlo v časopise: Klin. Biochem. Metab., 28, 2020, No. 4, p. 132-138

Souhrn

Stárnutí lze definovat jako progresivní, ireverzibilní ztrátu vitality a stoupající mortalitu nevyhnutelně přicházejícím s věkem. Jde o stochastický proces, nikoliv program. Biochemická podstata stárnutí spočívá v nemožnosti zabránit nahromadění náhodných chyb v důležitých biomolekulách, tj. v DNA a v bílkovinách. Svou roli v komplikovaném procesu stárnutí hrají reaktivní formy kyslíku, mitochondriální dysfunkce, reaktivní karbonyly, poškození genomové DNA včetně telomer, epigenetické alterace, buněčná senescence a selhání proteostázy. I když všechny tkáně lidského těla stárnou, biologické limity údržby a oprav nejvíce dopadají na buňky, které se nedělí. Jelikož klíčové orgány lidského organismu, mozek, srdce a kosterní sval jsou založeny na postmitotických buňkách, lidská bytost ve svém biologickém těle nesmrtelnosti nikdy dosáhnout nemůže. V rámci svých biologických limitů jsou organismy vybaveny důležitými adaptabilními mechanismy tělesné údržby a oprav, jako je stresem stimulovaná buněčná odolnost vůči stresu (hormeze), autofagie či reakce na poškození DNA. Vhled do těchto mechanismů poskytuje vysvětlení pro příznivé působení faktorů životního stylu, jako je kalorická restrikce a fyzická aktivita, a do budoucna může přinést i léky schopné stárnutí zpomalit.

Klíčová slova:

reaktivní formy kyslíku – mitochondrie – pyruvaldehyd – poškození DNA – proteostáza

Úvod

Touha vyhnout se stárnutí a smrti je s námi od samých počátků historie lidstva. Již sumerský epos o králi Gilgamešovi, vyrytý do hliněných destiček více než 2000 let před naším letopočtem a považovaný za nejstarší literární památku lidstva, obsahuje příběh o hledání kouzelné byliny, dávající lidem nesmrtelnost a věčné mládí [1]. Ani v 21. století nic takového nemáme a stárnutí zůstává významným problémem medicínským, sociálním i ekonomickým. Co víme, alespoň ve stručnosti, o biochemii tohoto procesu?

Hromadění náhodných chyb, spíše než program

Stárnutí lze definovat jako progresivní ztrátu funkce provázenou poklesem plodnosti a stoupající mortalitou [2]. Je to pomalý, ireverzibilní a v zásadě univerzální proces – u jiných vyšších živočichů probíhá také, jen rychlost se liší [1-3]. Během posledních asi 150 let se ve vyspělých zemích významně prodloužila délka života jako důsledek zlepšení životních podmínek a pokroku medicíny. Další vzestup doby dožití už ale naráží na vnitřně daný a zřejmě neměnný limit, který se odhaduje kolem 115-120 let [1, 4].

Stárnutí je nepochybně komplexní děj a k jeho vysvětlení na molekulární, buněčné i fyziologické úrovni bylo formulováno mnoho teorií, vzájemně se spíše doplňujících než vylučujících [3]. Podstatou většiny z nich je stochastický proces - hromadění náhodných chyb v důležitých biomolekulách, tj. především v bílkovinách a v DNA. Lze to formulovat i pomocí druhé věty termodynamické jako pomalý, nevratný vzestup entropie [3].

Lidské tělo ale umí všechny své komponenty syntetizovat, proč tedy nedokáže molekuly poškozené věkem neustále nahrazovat novými? Jak bude ukázáno dále, některá poškození opravovat ani nahradit prostě neumíme. Především ani evoluce života primárně k perfektním opravám nesměřuje. V neustálé evoluční soutěži organismů a jejich genů vítězí především úspěch v reprodukci. Dle tzv. „disposable soma theory“ [2] musí všechny organismy dělit své vnitřní energetické zdroje mezi reprodukci a tělesnou údržbu. Věnují-li více energie na opravy, mají méně na rozmnožování, a naopak. V přírodě většina organismů hyne z vnějších příčin dříve, než stačí zestárnout, a tak opravují svá těla jen tak dobře, aby se stihly úspěšně rozmnožit. Jen u některých, které získaly výhodu např. v podobě křídel (ptáci, netopýři) anebo vyspělého mozku a sociality (mj. primáti včetně člověka) mohla přírodní selekce vést k lepším opravám a relativní dlouhověkosti [2].

Stárnutí není považováno za proces, který by byl přímo řízený geny, na rozdíl například od ontogeneze. Geny ovšem nepřímo roli hrají. Jsou známy desítky genů se vztahem ke stárnutí a dlouhověkosti, jejich produkty ovlivňují především buněčnou odolnost vůči stresu a antioxidační ochranu, energetický metabolismus, prevenci a opravu mutací, hormonální homeostázu a regulaci buněčné proliferace [3]. Genetická informace může obecně rozhodnout o individuálním nastavení poměru mezi energií věnované tělesné údržbě a reprodukci [1]. Dále, dle tzv. teorie antagonistické pleiotropie přírodní výběr může preferovat genové varianty, které svým nositelům poskytují nějakou výhodu v reprodukci, přestože zároveň urychlují stárnutí a/nebo zvyšují mortalitu později během života [1, 2].

Alternativou je pohled na stárnutí jako geneticky zakódovaný a řízený program. Již August Weissman v roce 1891 vyslovil myšlenku, že stárnutí mohlo vzniknout v přírodě jako účelný mechanismus urychlující střídání generací a tím i evoluci [1-3]. Jakkoliv je tento názor dnes všeobecně odmítán, teorie programovaného stárnutí se stále objevují v literatuře a spíše jich přibývá [např. 5]. Atraktivita tohoto alternativního pohledu je zřejmá – každý program lze „hacknout“, zatímco pokud je stárnutí jen hromadění chyb, s druhou větou termodynamickou toho mnoho nepořídíme. Bohužel to tak ale asi bude, neboť přesvědčivý důkaz pro stárnutí jako program dosud nikdo nenašel [6]. Žádná počítačová simulace populační genetiky neprokázala výhodnost evolučního vzniku stárnutí u (hypoteticky) dosud nestárnoucích organismů; stejně tak u modelových experimentálních organismů nebyla nalezena žádná mutace, schopná jejich stárnutí zastavit [6].

Oxidační stres

Základní příčinou hromadění chyb v důležitých biomolekulách během života jedince by měly být spontánní a neřízené „boční“ chemické reakce [3]. Na prvním místě je z nich třeba jmenovat oxidace. Molekulární kyslík je z hlediska reakční termodynamiky velmi silným oxidačním činidlem, jehož reaktivitu s organickými látkami ale naštěstí snižuje kinetická bariéra, tzv. spinová restrikce [7]. Podstatou aerobního metabolismu je kontrolované překonávání této bariéry, přesněji přechodnými kovy katalyzovaný transfer elektronů ze substrátů na kyslík v mitochondriálním dýchacím řetězci se zachycením části uvolněné energie do ATP. Při tomto procesu je kyslík úplně a bezpečně redukován na vodu. V organismu ale s určitou pravděpodobností dochází i k neřízené částečné redukci kyslíku na tzv. reaktivní formy kyslíku (reactive oxygen species, ROS, „kyslíkové radikály“), jako je superoxid, peroxid vodíku a hydroxylový radikál [7]. Tyto reaktivní deriváty snadno spouštějí řetězové reakce a oxidačně poškozují biomolekuly, čemuž všechny aerobní organismy čelí mnoha systémy antioxidační ochrany a oprav vzniklého poškození [1,7]. Zároveň jsou ROS generovány i záměrně a slouží v buněčné signalizaci a obraně proti infekci [8]. Celkově jde o určitou evolučně optimálně nastavenou rovnováhu mezi tvorbou ROS a ochranou před nimi. Vychýlení této rovnováhy se označuje jako oxidační stres a podílí se – anebo alespoň vyskytuje – v patogenezi mnoha onemocnění [7].

Tzv. radikálovou teorii stárnutí formuloval Denham Harman již v roce 1957 [1,7-9] na základě analogie mezi důsledky radiace a aerobního metabolismu – v obou případech vznikají a organismus poškozují tytéž kyslíkové radikály [1]. Dle této teorie je stárnutí důsledkem endogenní produkce ROS, jež i přes antioxidační ochranu a opravy vede k postupnému hromadění oxidačního poškození biomolekul. S poznáním, že základním zdrojem ROS v buňkách je dýchací řetězec, radikálová teorie stárnutí zacílila na mitochondrie: ROS produkované v mitochondriích jako nezáměrný vedlejší produkt buněčné respirace oxidačně poškozují především samotné mitochondrie a jejich DNA, což vede k mitochondriální a buněčné dysfunkci [7-9].

Víme, že k produkci ROS a k oxidačnímu poškození biomolekul nepochybně stále dochází i ve zcela zdravém organismu [1, 7]. S věkem stoupají markery oxidačního stresu a hromadí se produkty oxidace proteinů [7], v buňkách nastává mitochondriální dysfunkce a přibývá redoxně aktivních kovů [9]. Antioxidační ochrana celkově zůstává ve stáří zachována [7], některé komponenty (askorbát, glutathion) ale ubývají [7, 9]. Radikálová/ mitochondriální teorie stárnutí skvěle vysvětluje univerzalitu tohoto procesu v přírodě i pozoruhodné korelace mezi délkou života různých organismů a jejich spotřebou kyslíku, přesněji mitochondriální produkcí ROS [1]. Korelace však stále neznamená kauzalitu. Přímý důkaz asi podat nelze – oxidační poškození ani v experimentu neumíme separovat od aerobního metabolismu. Pokusy prodloužit život pomocí antioxidantů nebo zvýšené exprese antioxidačních enzymů se daří spíš u jednodušších, krátce žijících organismů, jako je červ Caenorhabditis elegans, než u vyšších živočichů, jako je laboratorní myš [7-9] a nezřídka poskytly i výsledky, které radikálové teorii stárnutí odporují [10-12].

Vše je mnohem složitější, neboť ROS jsou zároveň integrální součástí buněčných signálních drah za fyziologických i patologických okolností. Jsou nezbytné pro adekvátní odpověď buňky na mitogenní růstové faktory a především stres nejrůznějšího druhu (tepelný šok, infekce, radiace aj.). Oxidace kritických thiolových skupin a oxidační inhibice fosfatáz vede k převaze mitogeny aktivovaných proteinkináz a aktivaci transkripčních faktorů, jako je Nrf2, NF-κ-B a p53 [1, 8]. Důsledky změn programu genové exprese mohou směřovat ven – jako zánět, i dovnitř – vyšší expresí např. antioxidačních enzymů a heat-shock proteinů se buňka lépe chrání před dalším oxidačním i jiným stresem [1, 8]. Stárnutí přináší trvale zvýšenou bazální expresi stresových genů, zároveň ale rozsah akutní odpovědi na stres klesá [7, 8, 12]. Trvale prozánětlivé nastavení není pro organismus výhodné a bylo navrženo jako významný případ antagonistické pleiotropie u člověka: silná obrana proti infekci v mládí znamená větší tendenci k chronickým „degenerativním“ chorobám ve stáří [1]. Vyšší buněčná odolnost vůči stresu je ale naopak – dle celé řady genetických manipulací u C. elegans, octomilek i laboratorních myší – spojena s relativní dlouhověkostí [8]. Velmi zajímavým a intenzivně studovaným fenoménem je tzv. hormeze, totiž možnost pomocí mírného krátkodobého stresu dlouhodobě stimulovat buněčnou odolnost vůči stresu a tím (poněkud) i zvýšit délku života [12, 13]. U laboratorních hlodavců i u lidí právě takto zřejmě působí pravidelná fyzická aktivita [8, 13].

Radikálovou teorii stárnutí je tedy zřejmě třeba chápat jinak. Neplatí původní jednoduchý pohled, že ROS vznikají a poškozují náhodně, a čím více jich antioxidační ochrana odstraní, tím lépe pro organismus. Spíše jsou ROS primárně fyziologickou součástí mechanismů adaptivní homeostázy [12], tj. schopnosti živých organismů dynamicky reagovat na měnící se podmínky a neustále optimalizovat svou odolnost vůči metabolickému a externímu stresu. Klíčovým rysem stárnutí, ba téměř jeho definicí, je snižování rozsahu této adaptivní homeostázy [7,8,12]. Možná, že právě až v důsledku této ztráty adaptability se ROS, v mládí prospěšné, stávají více a více poškozující?

Mitochondriální dysfunkce

Více autorů si povšimlo, že mitochondrie jsou z hlediska stárnutí Achillovou patou eukaryotických buněk [14]. Drtivá většina mitochondriálních proteinů je kódována jadernou DNA, mitochondrie však zároveň závisí na produktech transkripce své vlastní DNA, jež se při semiautonomním dělení těchto organel propaguje asexuálně, tj. bez rekombinace [1]. Za těchto okolností buňka, především pokud se sama nedělí, postrádá účinný selekční filtr proti postupnému hromadění dysfunkčních mitochondrií [1, 14]. Takové mitochondrie produkují méně ATP, jež je ovšem potřeba tím více, čím víc je v buňce třeba různá poškození opravovat [1]. Počítačové simulace Kowalda a Kirkwooda [14] ukázaly, že takovýto systém už na základě svých vstupních parametrů pomalu a nezvratně spěje ke kolapsu buněčné homeostázy.

K poškození mitochondrií s věkem skutečně dochází, klesá jejich počet i funkční kapacita aerobního metabolismu, a v mitochondriální DNA (mtDNA) přibývá mutací [10]. Původní předpoklad radikálové/mitochondriální teorie stárnutí, že mtDNA mutuje, protože je poškozována ROS unikajícími z dýchacího řetězce, se ale potvrdit nepodařilo. Kvantifikovat oxidační poškození DNA je technicky neobyčejně obtížné [1, 7]. Detailní analýza umožněná pokrokem sekvenování v posledních dvou dekádách vedla k poznání, že hlavní příčinou poškození mtDNA s věkem jsou chyby při replikaci mtDNA, nikoliv ROS [10, 11]. Mitochondriální DNA polymeráza dělá chyby, zdravé a mutované kopie mtDNA jsou při mitózách náhodně distribuovány do dceřiných buněk a postupem času, náhodným driftem, v některých z nich defektní mtDNA převáží [11]. Ve starém mozku, srdci nebo svalu tak vzniká mozaikový deficit respirační kapacity, tedy výrazná dysfunkce mitochondrií v některých buňkách, jakkoliv průměrné zastoupení mutované mtDNA ve vzorku tkáně může být nízké [10, 11]. Přesvědčivý experimentální důkaz kauzální úlohy mitochondrií ve stárnutí organismu představuje mtDNA mutátorová myš, u níž byla mitochondriální DNA polymeráza geneticky pozměněna, aby chybovala častěji. Výsledkem je dramaticky zrychlené stárnutí a kratší doba života [15].

Dosud nejúčinnější způsob, jak u nejrůznějších laboratorních zvířat od C. elegans až po primáty zpomalit proces stárnutí, představuje kalorická restrikce, tj. snížení příjmu kalorií v potravě při zachování její biologické hodnoty [7]. Jde o komplexní adaptaci, zřejmě formu hormeze [13], kdy si organismus nedostatek potravy „přeloží“ jako období nevhodné pro reprodukci a zlepší mechanismy odolnosti vůči stresu a oprav buněčných struktur, aby přečkal období nedostatku a dožil se další doby hojnosti. Deficit živin a energie vede k přenastavení signálních drah, především potlačení signalizace růstového hormonu a inzulínu, a naopak aktivaci AMP-dependentní proteinkinázy [16]. Velmi důležité jsou také sirtuiny, proteiny s deacetylázovou aktivitou závislé na přítomnosti kofaktoru NAD+ v oxidované podobě, jehož podíl v buňce stoupá při fyzickém cvičení a nedostatku potravy. Při zvýšené oxidaci živin (včetně alkoholu) naopak převládne NAD+ v redukované podobě a sirtuiny jsou inhibovány [17]. Kalorickou restrikcí aktivované signální děje a procesy působí příznivě i na mitochondrie, např. mitochondriálně lokalizovaný sirtuin SIRT3 v nich deacetylací zvyšuje aktivitu klíčových enzymů intermediárního metabolismu i antioxidační ochrany [17]. Výzkum těchto mechanismů do budoucna nabízí řadu možností, jak mitochondriální dysfunkci přicházející s věkem ovlivnit farmakologicky [16, 17].

Karbonylový stres

Další skupinou spontánních „bočních“ chemických reakcí, které v organismu poškozují biomolekuly, jsou glykace [3]. Jejich podstatou je ochota karbonylových sloučenin (aldehydů) reagovat s aminoskupinami proteinů, fosfolipidů i DNA. Prototypem je známá Maillardova reakce, v níž se karbonylová skupina glukózy váže na organický amin za vzniku Schiffovy báze, zvolna přecházející na Amadoriho produkt a končící jako některý z cyklických produktů pokročilé glykace (advanced glycation end products, AGEs) [3, 18]. Reaktivní aldehydy přijímáme potravou, jiné vznikají v organismu jako intermediáty glykolýzy, produkty autoxidace glukózy, odštěpování Amadoriho produktů, oxidačního poškození proteinů i peroxidace lipidů [3, 18-21]. Hranice mezi tímto tzv. karbonylovým stresem a působením ROS je neostrá, karbonyly mohou být jak příčinou oxidačního stresu, tak jeho důsledkem [3, 19]. Na rozdíl od prchavých ROS jsou aldehydy dostatečně stabilní na to, aby mohly v organismu poškozovat struktury daleko od místa svého vzniku [3, 19]. Glykace vedou k ireverzibilnímu zesítění a denaturaci proteinů [3], mohou iniciovat autoimunitní reakci či vnést mutaci do DNA; výsledné AGEs po rozpoznání receptory na povrchu buněk spouští zánětlivou odpověď [18].

Za nejvíce poškozující aldehydy v organismu jsou dnes považovány α-oxokarbonylové (dikarbonylové) sloučeniny, z nichž kvantitativně nejvýznamnější a nejreaktivnější je metylglyoxal (MG), H3C–CO-CHO [19-21]. Tato látka je tělu vlastní, vzniká stále z triózafosfátů jako vedlejší produkt glykolýzy, glukoneogeneze i glycerogeneze (pro esterifikaci mastných kyselin); tvorba MG je přímo úměrná intenzitě využití těchto metabolických drah. MG ochotně reaguje s argininovými, lysinovými i cysteinovými zbytky v proteinech, což na rozdíl od pomalé Maillardovy reakce tvoří AGEs okamžitě a přímo. Glykace argininů je zvlášť závažná, neboť argininy se často nacházejí v aktivních centrech enzymů, takto modifikovaný enzym je inaktivován a odeslán k degradaci v proteazomu [19]. O detoxikaci MG se v těle stará především na glutathionu závislý enzymový systém glyoxalázy 1. Expresi glyoxalázy 1 řídí transkripční faktor Nrf2, jde o důležitou součást výše popsané buněčné odpovědi na stres a mechanismů hormeze [19-21].

Glykace přesně odpovídají obecné představě pomalého, spontánního, univerzálního a ireverzibilního chemického poškození biomolekul. A skutečně, poškození reaktivními aldehydy, tj. především MG, se dnes jeví jako jeden ze základních mechanismů stárnutí i patogeneze chorob souvisejících s věkem [3, 19-21]. Kovalentní zesítění zřejmě představuje největší chemický rozdíl mezi proteiny mladého a starého organismu, a snadno vysvětlí s věkem „přirozeně“ přicházející ztrátu elasticity cév, plicní tkáně, kůže, kloubů a vazů [3]. MG ale např. také glykuje proteiny dýchacího řetězce, což zvyšuje mitochondriální produkci ROS [22], glykací nukleotidů způsobuje mutace a řetězcové zlomy v DNA, vede k hromadění neodbouratelných proteinových agregátů v buňkách a přes již zmíněnou aktivaci receptorů pro AGEs stimuluje chronický zánět [20]. S věkem se v těle hromadí AGEs a aktivita glyoxalázy 1 klesá [20, 22]. Genetické manipulace s expresí glyoxalázy 1 mají u C. elegans přímý vliv na délku života [22]. Znamená to tedy, že bychom úplným odstraněním MG z organismu zastavili stárnutí? Bohužel ne – víme, že i MG v organismech funguje v rámci hormeze, tedy určitá nízká hladina je prospěšná, ba nezbytná pro indukci ochrany buněk před stresem, a až vyšší dávky poškozují [20, 21]. Podobně jako u ROS jde o optimální rovnováhu mezi tvorbou MG a jeho detoxikací, jejíž individuální nastavení může znamenat rozdíl mezi zdravým stárnutím a nemocí [20].

Poškození DNA

Ve srovnání s mitochondriální DNA mutuje jaderná DNA pomaleji a původ mutací je jiný [16]. Jakkoliv UV záření a chemické mutageny zevního prostředí jistě též zanechávají stopu, většina genotoxické zátěže je endogenní [23]. DNA poškozují tělu vlastní ROS, reaktivní karbonyly, metabolity estrogenů i endogenní metylační činidla, také spontánní hydrolýza purinových bází a hydrolytická deaminace metylcytosinů [23]. Nejčastější jsou zřejmě oxidační poškození a jednořetězcové zlomy, celkově v běžné savčí buňce dochází k desítkám až stovkám tisíc poškození DNA každý den [23-25]. Zároveň ale v buňce pracuje celý arzenál reparačních enzymů a téměř všechna poškození DNA jsou opravena. Vzácné, ale mimořádně závažné jsou dvouřetězcové zlomy, které významně narušují integritu genomu a zpravidla nejsou opravovány bez změny sekvence [24].

Myšlenku, že stárnutí způsobuje hromadění mutací v DNA, formuloval Peter Medawar již v roce 1952 [6]. Později byla tato teorie upozaděna, respektive poškození DNA se jevilo jako příčina nemocí spojených s věkem, spíše než stárnutí samotného [3]. Dnes je však poškození DNA uznáváno za jeden z hlavních mechanismů stárnutí [16, 24, 25]. Přes veškerou snahu reparačních enzymů se s věkem v buněčné DNA hromadí poškození a mutace. Katalytická aktivita enzymů opravujících DNA s věkem klesá [16, 24, 25]. Za část mutací je zodpovědný sám mechanismus oprav, např. u výše uvedených dvouřetězcových zlomů, nebo k chybám vede postupná ztráta souhry jednotlivých enzymů [16]. Jak důležité jsou tyto reparační enzymy v mechanismu stárnutí, ukazuje například fakt, že prakticky všechny vrozené syndromy předčasného stárnutí (progerie) u lidí jsou zapříčiněny mutacemi v genech pro enzymy opravující DNA, a tyto syndromy lze napodobit genetickými manipulacemi u myší [24, 25]. Lidé, kteří v dětství prodělali maligní onemocnění léčené ozařováním a cytostatiky, stárnou mnohem rychleji [26].

Nahromadění mutací v jaderné DNA může samozřejmě vést ke vzniku nádoru; celkový výskyt rakoviny u lidí i laboratorních hlodavců roste s věkem a to exponenciálně - se čtvrtou až pátou mocninou věku [7]. Ale poškození DNA či vzniklé mutace mohou také inhibovat replikaci a transkripci (především dlouhých genů) a naru-
šovat regulaci genové exprese [16, 24, 25]. Možná toto je hlavní příčinou, proč se ve stáří vytrácí adaptabilita buněčné reakce na stres [12]. Poškození DNA může narušit i expresi genů pro enzymy opravující DNA [24]. Přetrvávající dvouřetězcové zlomy, které se údajně v buňkách starého organismu vyskytují [24], mají vliv i na buněčný metabolismus a funkci mitochondrií, aktivují totiž poly-ADP-ribózapolymerázy (PARP), jež sice slouží opravám DNA, ale zároveň spotřebovávají buněčnou hotovost kofaktoru NAD+, který pak chybí v  metabolických procesech i pro aktivitu sirtuinů [16, 25].

Především ale přetrvávající dvouřetězcové zlomy v DNA aktivují reakci na poškození DNA (tzv. DNA damage response, DDR). Hlavní roli v ní hraje známý antionkogen a „strážce genomu“ transkripční faktor p53; zastavením buněčného cyklu poskytuje čas na opravy DNA a při jejich selhání naviguje buňku k programu buněčné smrti - apoptóze [25]. Jde o rovnováhu mezi reparací/regenerací tkáně a eliminací buněk s příliš poškozeným genomem [25]. Málo razantní DDR umožní vznik nádoru, naopak intenzivní eliminace buněk apoptózou způsobí jejich depleci. Zvlášť citlivé na poškození DNA jsou kmenové buňky poté, co se již začaly dělit, jejich eliminací DDR se regenerační potenciál tkání a celého organismu vyčerpává [24]. DDR má ještě jeden možný výsledek, totiž tzv. buněčnou senescenci [24, 25]. Při té buňky přestávají být schopné dělení, zůstávají ale metabolicky aktivní a produkují mnoho působků s převážně prozánětlivou aktivitou. S věkem se hromadící nežádoucí důsledky, případně nezdary DDR pak ve svém souhrnu zřejmě vedou k charakteristickým projevům stáří, jako je atrofie, zánět, imunosenescence (dysfunkce imunitního systému) a výskyt nádorů [24].

Nad informací v sekvenci DNA jsou ještě další instrukce zapsané v metylaci cytosinů v CpG sekvencích a v metylacích a acetylacích histonů, lze jim souhrnně říkat epigenom. Tyto epigenetické značky spolu s vazbou transkripčních faktorů a nekódujícími RNA rozhodují o tom, které geny budou aktivně přepisovány, a které zůstanou „uspané“, což má samozřejmě zásadní vliv na všechny aspekty života buňky [27]. S věkem tento nesmírně složitý a provázaný koncert regulace genové exprese hraje více a více falešně. Jakkoliv jsou epigenetické značky na DNA a histonech zcela reverzibilní, s věkem se i zde hromadí chyby a jejich rozmístění se stává více náhodné. Na jedné straně to narušuje účinnou indukci exprese potřebných genů, včetně těch v buněčné reakci na stres; na druhé straně ve stáří celkově ubývá heterochromatinu a dochází k náhodné transkripci genů, které měly zůstat neaktivní, včetně např. mutagenní aktivace transpozonů [27]. Stojí za zmínku, že významnými „uspávači“ genů jsou sirtuiny jakožto deacetylázy histonů [27].

Analýza metylace CpG v DNA se v současné době využívá k velmi přesnému měření biologického věku, tj. rychlosti stárnutí. Umožňuje porovnat, jak rychle stárnou různé tkáně v rámci jednoho organismu nebo změřit relativní stárnutí jedince vzhledem k jeho vrstevníkům, a predikovat jeho budoucí morbiditu a mortalitu [28]. Tyto „epigenetické hodiny“ využívají sadu několika set CpG markerů, které byly z miliónů metylovaných míst v DNA vybrány pomocí analýz velkých souborů dat a strojového učení; o vztahu těchto markerů k regulaci genové exprese a mechanismu stárnutí vlastně mnoho nevíme [28].

Telomery a buněčná senescence

Eukaryotické chromozomy nesou na svých koncích repetitivní sekvence, tzv. telomery, u savců (TTAGGG)n, které při replikaci DNA syntetizuje enzym telomeráza dle vlastního RNA templátu. Při absenci telomerázy v buňce nemůže syntéza DNA proběhnout až po konce chromozomů, s každým buněčným cyklem je tedy délka telomer kratší a po překročení určitého počtu dělení, tzv. Hayflickova limitu, vstupuje buňka do stavu senescence a schopnost proliferace ztrácí. Drtivá většina buněk lidského těla telomerázu nemá a ztráta telomer byla navržena jako vysvětlení mechanismu stárnutí, populární pro svou zjevnou programovatelnost – kolik telomer na počátku života, tolik času vyměřeno. Tato jednoduchá extrapolace buněčné senescence na stárnutí organismu však neplatí [1, 29]. Kmenové a zárodečné buňky, které se dělí často, telomerázou vybaveny jsou. Většina buněk lidského organismu telomerázu nepotřebuje, neboť se dělí jen málo nebo vůbec, a i v případě fibroblastů a epiteliálních buněk, které se dělí častěji, je Hayflickův limit nastaven tak vysoko, že během života jedince není dosažen. Délka telomer nekoreluje s dobou života jednotlivých živočišných druhů [28, 29], např. laboratorní myš má telomery delší než člověk a její buňky telomerázu běžně exprimují, přesto žije mnohem kratší dobu než člověk. Absence telomerázy v lidských buňkách má více do činění s prevencí nádorů, než se stárnutím [1].

Telomery ale určitý vztah ke stárnutí mají. Fyziologicky jsou telomery na koncích chromozomů zavinuté do smyček a stabilizované komplexem z šesti proteinů, kolektivně nazývaných „shelterin“, které brání nevhodné aktivaci oprav DNA [30]. Při replikační senescenci se telomera stane na smyčku příliš krátkou, ztrácí shelterin a buňka pak na obnažený konec chromozomu reaguje jako na dvouřetězcový zlom, tedy spouští se výše popsaná DDR. Ke stejnému výsledku ale vede jakékoliv poškození telomer bez ohledu na jejich délku [30]. Je dobře známo, že buněčnou senescenci působí nejen vyčerpání Hayflickova limitu na počet dělení, ale i oxidační stres [8, 31]. Telomery jsou díky trojici guaninů k oxidačnímu poškození více náchylné než jiné části genomu [30]. ROS urychlují zkracování telomer [31], navíc - vzhledem k základní funkci shelterinu inhibovat opravy DNA - zlomy telomer mohou přetrvat a vést k persistentní DDR a stabilizaci fenotypu buněčné senescence. Jinými slovy, telomery nejsou jen počítadla replikací, ale také a především citlivý senzor oxidačního stresu; přechod do senescence má zajistit, aby se buňky s nadprodukcí mitochondriálních ROS a poškozením DNA nezvrhly v buňky nádorové [30, 31].

Fenotyp buněčné senescence je stabilní (v kultuře takové buňky vydrží celá léta) a neznamená jen zástavu proliferace, ale i změny v metabolismu a regulaci genové exprese, včetně tzv. SASP (senescence-associated secretory phenotype), tj. vylučování stovek cytokinů, růstových faktorů a proteáz degradujících extracelulární matrix [30]. Hromadění senescentních buněk ve stárnoucích tkáních se dostává do popředí jako jeden z hlavních mechanismů stárnutí i patogeneze mnoha chorob sdružených s věkem [30, 32]. Fyziologicky hrají senescentní buňky roli v embryonálním vývoji, v dospělosti pak možnost jejich vzniku slouží jako významná prevence vzniku nádorů, SASP pomáhá hojení ran a regeneraci tkání. Ve stáří ale zřejmě selhává eliminace senescentních buněk imunitním systémem a jejich chronická přítomnost vede k dysfunkci tkání a orgánů. SASP přispívá k prozánětlivému nastavení organismu, lokálně může indukovat senescenci u okolních buněk a paradoxně i podporovat růst nádorů [32]. Eliminace senescentních buněk ze tkání laboratorních myšek skutečně prodlužuje život a zlepšuje zdraví, a v současnosti se pracuje na vývoji „senolytik“, které by totéž dělaly i u lidí [32].

Zhroucení proteostázy

 Organismus pro své fungování potřebuje, aby syntéza nových bílkovin byla v rovnováze s degradací těch starých a poškozených. Celá armáda chaperonů pomáhá nově tvořeným proteinům se správně složit, případně opravuje ty částečně denaturované. Nesprávně složené a/nebo nevratně poškozené proteiny jsou degradovány v proteazomech či lysozomech a uvolňují tak místo pro nové. I toto udržování proteostázy má své limity a ve stáří charakteristicky selhává. S věkem se poločas buněčných proteinů prodlužuje, uvnitř i vně buněk se hromadí proteiny neaktivní, různým způsobem „chybné“ a konečně nevratně agregované [14, 33]. Jde o exponenciální proces, který se objevuje poměrně pozdě, významně až v poslední třetině života [12], zdá se ale zásadní pro obraz stárnutí i jako konečná příčina smrti starých buněk, tkání i celého organismu.

K selhání proteostázy může vést dysfunkce mitochondrií – dle počítačových simulací zdánlivě nevýznamné postupné zvyšování produkce ROS a snižování dodávky ATP poškozenými mitochondriemi vyústí v náhlý kolaps proteostázy v cytosolu [14]. Podle jiného modelu, který bezvadně odpovídá mnoha experimentálním výsledkům s C. elegans [33], je zásadní přibývání oxidačně poškozených, částečně denaturovaných proteinů, které vysycují kapacitu chaperonů, jež pak chybí jako podpora skládání nově tvořených bílkovin. V určitém bodě poškozené a agregované proteiny převládnou nad nově tvořenými a proteostáza se hroutí [33]. I syntéza proteinů se s věkem zpomaluje [16, 33]. Chaperony (heat-shock proteiny) i proteazom [12] jsou důležitou součástí výše popsané buněčné odpovědi na stres, jejíž plasticita, jak uvedeno, s věkem klesá v důsledku poškození genomu, epigenomu a regulace buněčné exprese. Konečně, i chaperony a proteazom mohou samy být poškozovány, např. glykací [20].

Většina proteinů s dlouhým poločasem a všechny organely se v buňce odbourávají s využitím lysozomů, v procesu zvaném autofagie [34, 35]. Jde o blahodárný, sebeozdravný děj, jímž se buňka může zbavit dysfunkčních mitochondrií (mitofagie) i proteinových agregátů v cytosolu. Má ale také své limity, dané jen omezeným spektrem lysozomálních hydroláz. V lysozomech se tak zvolna hromadí reziduální neodbouratelný materiál z oxidovaných, glykovaných a zesítěných bílkovin a lipidů, známý jako lipofuscin nebo ceroid. Lysozomy plné lipofuscinu zabírají místo funkčním strukturám a tím, že na sebe stále vážou část hydroláz, celkově účinnost autofagie snižují. Výsledkem jsou perzistující dysfunkční mitochondrie, které produkují více peroxidu vodíku, ten může difundovat do lysozomů a urychlovat tvorbu lipofuscinu, bludný kruh lysozomálně-mitochondriální dysfunkce končí apoptózou [34]. Proliferující buňky tento problém mít nemusí, neboť se vznikající „proteinový odpad“ ředí při jejich dělení rychleji, než se stačí tvořit. Postmitotické buňky v senescenci a především dlouhověké neurony a buňky srdečního a kosterního svalu jsou však odsouzeny k hromadění lipofuscinu a zániku [34].

Autofagie/mitofagie je mohutně stimulována hladověním a představuje zřejmě hlavní mechanismus příznivého účinku kalorické restrikce na zdraví a délku života, možná i hormeze [35]. Farmakologická stimulace autofagie představuje další slibný způsob, jak by bylo možné zpomalit stárnutí a příznivě ovlivnit řadu chorob přicházejících s věkem [16, 35].

Nesmrtelnost není na dosah

Bohužel je zřejmé, že stárnutí je důsledkem omezení vyplývajících ze samé podstaty struktury a funkce všech vyšších organismů. Informaci zapsanou v genomu a epigenomu nelze donekonečna kopírovat zcela bez chyb. DNA a proteiny jsou navíc stále poškozovány spontánními reakcemi ROS a aldehydů, jejich vzniku asi nelze úplně zabránit, co víc - organismus je vyžaduje jako prostředníky v adaptaci na měnící se podmínky zevního prostředí. Všechny buňky čelí hromadění chyb v genomu a epigenomu a ztrátě plasticity regulace genové exprese; především ty, které se intenzivně nedělí, nedokážou zabránit ani postupnému poklesu dodávky ATP z mitochondrií a hromadění neodbouratelných proteinových agregátů. Ve tkáních není možné udržet donekonečna proliferační a regenerační potenciál tkání a zároveň eliminovat riziko vzniku nádorů.

Život se v přírodě obnovuje zcela univerzálně pomocí buněčného dělení, zpravidla spojeného s rekombinací genetického materiálu a následnou selekcí. Už samotný fakt, že klíčové orgány lidského organismu, mozek, srdce a kosterní sval, jsou založeny na postmitotických buňkách, které se nemohou dělit a neregenerují, znamená, že člověk ve svém biologickém těle nesmrtelný v principu být nemůže. Jistě je pravda, že skutečným limitem délky našich životů je funkční stav těchto klíčových postmitotických tkání [1]. Stárnutí lze považovat za cenu, kterou platíme za vyspělost nervové soustavy, že máme myšlení a paměť [34].

Na druhou stranu, procesy, kterými organismus opravuje a udržuje sám sebe, jsou v míře dané biologickými limity flexibilní a přístupné vnějším vlivům. Nepříliš vzdálená budoucnost patrně přinese léky proti stárnutí založené na posílení buněčné odolnosti vůči stresu, stimulaci autofagie či možná eliminaci senescentních buněk. Už nyní ale máme všichni k dispozici jednoduchá pravidla zdravého životního stylu, v podstatě střídmost v jídle a přiměřenou fyzickou aktivitu, kterými lze ovlivnit stárnutí aktivací fyziologických mechanismů hormeze, alespoň dokud nám je stáří nevezme.      

Podpořeno projektem PROGRES-Q25/LF1/2

Autor prohlašuje, že není ve střetu zájmů.

Do redakce došlo 14. 4. 2020.

Adresa pro korespondenci

MUDr. Jan Pláteník, Ph.D.

Ústav lékařské biochemie a laboratorní diagnostiky

1. lékařské fakulty Univerzity Karlovy a Všeobecné fakultní nemocnice

Kateřinská 32

121 08 Praha 2 Nové Město

jan.platenik@lf1.cuni.cz


Zdroje

1.    Lane, N.: Oxygen. The Molecule that made the World. New York: Oxford University Press, Inc., 2003, 374 s. ISBN 0-19-860783-0.

2.    Kirkwood, T. B. L., Austad, S. N.:  Why do we age? Nature, 2000, 408, p. 233-238.

3.    Yin, D., Chen, K.: The essential mechanisms of aging: Irreparable damage accumulation of biochemical side-reactions. Exp. Geront., 2005, 40, p. 455-465.

4.    Dong, X., Milholland, B., Vijg, J.: Evidence for a limit to human lifespan. Nature, 2016, 538, p. 257-259.

5.    Skulachev, M. V., Skulachev, V. P.: Programmed aging of mammals: Proof of concept and prospects of biochemical approaches for anti-aging therapy. Biochemistry (Moscow), 2017, 82, p. 1403-1422.

6.    Kowald, A., Kirkwood, T. B. L.: Can aging be programmed? A critical literature review. Aging Cell, 2016, 15, p. 986-998.

7.    Halliwell, B., Gutteridge, J. M. C.: Free Radicals in Biology and Medicine. New York: Oxford University Press, Inc., 4. vydání, 2007, 851 s. ISBN 917-0-19-856868-1.

8.    Finkel, T., Holbrook, N. J.: Oxidants, oxidative stress and the biology of ageing. Nature, 2000, 408, p. 239-247.

9.    Hagen, T. M.: Oxidative stress, redox imbalance, and the aging process. Antioxid. Redox Signal., 2003, 5, p. 503-506.

10.  Bratic, A., Larsson, N.-G.: The role of mitochondria in aging. J. Clin. Invest., 2013, 123, p. 951-957.

11.  Kauppila, T. E. S., Kauppila, J. H. K., Larsson, N. G.: Mammalian mitochondria and aging: An update. Cell Metab., 2017, 25, p. 57-71.

12.  Pomatto, L. C. D., Davies, K. J. A.: Adaptive homeostasis and the free radical theory of ageing. Free Radic. Biol. Med., 2018, 124, p. 420-430.

13.  Le Bourg, E.: Hormesis, aging and longevity. Biochim. Biophys. Acta, 2009, 1790, p. 1030-1039.

14.  Kowald, A., Kirkwood, T. B. L.: A network theory of ageing: the interactions of defective mitochondria, aberrant proteins, free radicals and scavengers in the ageing process. Mutat. Res. 1996, 316, p. 209-236.

15.  Trifunovic, A., Wredenberg, A., Falkenberg, M. et al.: Premature ageing in mice expressing defective mitochondrial DNA polymerase. Nature 2004, 429, p. 417-423.

16.  Akbari, M., Kirkwood, T. B. L., Bohr, V. A.: Mitochondria in the signaling pathways that control longevity and health span. Ageing Res. Rev. 2019, 54, ID 100940, p. 1-18.

17.  Kincaid, B., Bossy-Wetzel, E.: Forever young: SIRT3 a shield against mitochondrial meltdown, aging, and neurodegeneration. Front. Aging Neurosci. 2013, 5, ID 48, p. 1-13.

18.  Kalousová, M., Zima, T., Tesař, V., Dusilová-Sulková, S., Škrha, J.: Advanced-glycoxidation end products in chronic diseases-clinical chemistry and genetic background. Mutat. Res. 2005, 579, p. 37-46.

19.  Rabbani, N., Thornalley, P. J.: Dicarbonyl stress in cell and tissue dysfunction contributing to ageing and disease. Biochem. Biophys. Res. Commun. 2015, 458, p. 221-226.

20.  Nigro, C., Leone, A., Fiory, F. et al.: Dicarbonyl stress at the crossroads of healthy and unhealthy aging. Cells 2019, 8, ID 749, p. 1-27.

21.  Kold-Christensen, R., Johanssen, M.: Methylglyoxal metabolism and aging-related disease: moving from correlation toward causation. Trends Endocrinol. Metab. 2020, 31, p. 81-92.

22.  Morcos, M., Du, X., Pfisterer, F. et al.: Glyoxalase-1 prevents mitochondrial protein modification and enhances lifespan in Caenorhabditis elegans. Aging Cell 2008, 7, p. 260-269.

23.  De Bont, R., van Larebeke, N.: Endogenous DNA damage in humans: a review of quantitative data. Mutagenesis 2004, 19, p. 169-185.

24.  White, R. R., Vijg, J.: Do DNA double-strand breaks drive aging? Mol. Cell 2016, 63, p. 729-738.

25.  Ou, H.-L., Schumacher, B.: DNA damage responses and p53 in the aging process. Blood 2018, 131, p. 488-495.

26.  Armstrong, G. T., Kawashima, T., Leisenring, W. et al.: Aging and risk of severe, disabling, life-threatening, and fatal events in the childhood cancer survivor study. J Clin. Oncol. 2014, 32, p. 1218-1227.

27.  Booth, L. N., Brunet, A.: The aging epigenome. Mol. Cell 2016, 62, p. 728-744.

28.  Horvath, S., Raj, K.: DNA methylation-based biomarkers and the epigenetic clock theory of ageing. Nat. Rev. Genet. 2018, 19, p. 371-384.

29.  Goyns, M. H., Lavery, W. L.: Telomerase and mammalian ageing: a critical appraisal. Mech. Ageing Dev. 2000, 114, p. 69-77.

30.  Victorelli, S., Passos, J. F.: Telomeres and cell senescence – size matters not. EBioMedicine 2017, 21, p. 14-20.

31.  Von Zglinicki, T.: Oxidative stress shortens telomeres. Trends Biochem. Sci. 2002, 27, p. 339-344.

32.  McHugh, D., Gil, J.: Senescence and aging: Causes, consequences, and therapeutic avenues. J. Cell Biol. 2018, 217, p. 65-77.

33.  Santra, M., Dill, K. A., de Graf, A. M. R.: Proteostasis collapse is a driver of cell aging and death. PNAS 2019, 116, p. 22173-22178.

34.  Terman, A., Gustafsson, B., Brunk, U. T.: Autophagy, organelles and ageing. J. Pathol. 2007, 211, p. 134-143.

35.  Rubinsztein, D. C., Mariño, G., Kroemer, G.: Autophagy and aging. Cell 2011, 146, p. 682-695.

Štítky
Biochemie Nukleární medicína Nutriční terapeut
Kurzy Podcasty Doporučená témata Časopisy
Přihlášení
Zapomenuté heslo

Nemáte účet?  Registrujte se

Zapomenuté heslo

Zadejte e-mailovou adresu, se kterou jste vytvářel(a) účet, budou Vám na ni zaslány informace k nastavení nového hesla.

Přihlášení

Nemáte účet?  Registrujte se