Análisis de Algunos Casos desde la Teoría y la Práctica de la Ciencia del Envejecimiento

Caso 1. Paul et al. se encontró que la Drosophila con deficiencia de Mn SOD tiene una vida útil más baja que la del tipo salvaje y se proporcionó evidencia de que este mutante muestra características similares a las del envejecimiento. Esto se ha reportado en muchos otros animales y en otros tipos de césped. El período de salud de los animales con deficiencia de césped también se ve afectado. Más recientemente, Ivannikov y Van Remmen encontraron que la deficiencia de Cu, Zn y SOD en ratones adultos causa tipos específicos de daño que también ocurren en ratones viejos de tipo silvestre y sugirieron que estos cambios en los ratones viejos de tipo silvestre podrían deberse en parte a especies reactivas de oxígeno (ROS).

Es importante destacar el análisis de los experimentos de Paul et al. proporciona pruebas de que se produce un aumento significativo de la mortalidad cuando la tasa de generación de daños aumenta sustancialmente. Estos autores han creado una serie de mutantes de Drosophila que tienen niveles progresivamente más bajos de MnSOD, lo que resultó en una duración de vida progresivamente más corta. Lo que es más interesante, sin embargo, es que en el período de retraso esencialmente plano de los primeros 10 a 20 días, la mortalidad de los animales de tipo silvestre no fue diferente de la de los mutantes y, por lo tanto, la tasa de mortalidad inicial (α) no estuvo influenciada por la deficiencia de SOD. El análisis del autor, basado en el modelo de Gompertz, lo confirmó. Al mismo tiempo, tanto β como μ aumentaron en proporción con el alcance de la deficiencia de SOD. ¿Qué podría explicar tal comportamiento? La explicación aparente, de acuerdo con el modelo discutido anteriormente, es que el aumento del nivel de O2 se volvió más tóxico solo después de que otras causas de envejecimiento (daño) aumentaran con el tiempo, probablemente debido a un fallo de algunos otros mecanismos de garantía. En esa situación, el aumento del nivel de O2• se sinergizó con estas otras causas de daño (envejecimiento), acelerando así la tasa de envejecimiento y promoviendo la muerte. Como se discutió en la Sección 3 y anteriores, el superóxido necesita la cooperación de otras especies para matar.

El resveratrol extendió significativamente la vida útil de C. elegans y ejerció otros efectos beneficiosos, mientras que las compensaciones negativas fueron mínimas . Curiosamente, el resveratrol aumentó la vida útil al extender la fase de retraso, mientras que la fase exponencial no se vio afectada. Esto indica que el resveratrol no actuó eliminando directamente los radicales libres, ROS u otras especies reactivas, ya que tal acción debería haber disminuido el β. Se señaló, en este sentido, que los efectos beneficiosos de los fitoquímicos y otros agentes y específicamente del resveratrol no pueden deberse a la eliminación directa de especies reactivas, ya que sus concentraciones intracelulares son bajas y, por lo tanto, no pueden competir de manera eficiente con numerosos blancos intracelulares abundantes para las especies reactivas . Se cree que el efecto beneficioso de los fitoquímicos se debe a la hormesis . Por lo tanto, es tentador especular que el resveratrol causó adaptaciones beneficiosas que retrasaron el fracaso de los sistemas de aseguramiento esenciales y, por lo tanto, la sinergia entre las causas importantes del envejecimiento. De hecho, el efecto beneficioso del resveratrol en varios organismos, incluidos C. elegans y ratones, está probablemente mediado por sirtuinas y por el coactivador γ del receptor activado por proliferador de peroxisomas 1α (PGC-1α) y, posteriormente, afecta la función mitocondrial .

Parece que la baja tasa de mortalidad inicial, que no fue afectada por O2•−, refleja un estado donde los sistemas de aseguramiento funcionan con la máxima eficiencia y el organismo es capaz de adaptarse ; hay poca sinergia entre las causas del envejecimiento cuya intensidad en ese período también es baja. En el marco del modelo Gompertz, esto respalda la opinión de que α refleja la protección básica de un sistema dado contra fallos y daños, mientras que β indica la tasa de deterioro de esa protección. Según Kowald, la ecuación de Gompertz refleja el envejecimiento y, por lo tanto, μ(x) representa el envejecimiento y no solo la mortalidad.

Los parámetros α y β son más o menos análogos a v0 y n, respectivamente, en el modelo descrito anteriormente. Por lo tanto, se podría concluir que en una medida significativa envejecemos y la tasa de envejecimiento está aumentando, ya que la tasa de generación de daños relacionados con el envejecimiento (tv) aumenta cada vez más rápido con el paso del tiempo debido al creciente poder de las fuerzas destructivas sinérgicas (causas del envejecimiento). Se puede esperar que las especies e individuos que tienen v0 y n bajos tengan una vida útil larga. Ciertamente, las habilidades de los organismos para tolerar y reparar el daño que se inflige, así como la tasa de disminución de estas habilidades con el tiempo, también son importantes factores determinantes de la longevidad. Tenga en cuenta que el fallo de los sistemas que reparan el daño aumentará el tiempo de recuperación, que es un factor importante en el modelo de Mitnitski et al. . Por lo tanto, tanto el aumento de la tasa de generación de daños como el aumento del tiempo de recuperación son factores que determinan la tasa de envejecimiento.

Caso 2. Las teorías evolutivas del envejecimiento han sido revisadas y existe la opinión de que, mientras que las teorías mecanicistas del envejecimiento intentan responder cómo envejecemos, las teorías evolutivas pueden explicar por qué envejecemos . Se debe tener en cuenta que, según Gavrilov y Gavrilova , estas teorías podrían no ser todavía «teorías completas definitivas, sino más bien un conjunto de ideas que por sí mismas requieren una mayor elaboración y validación»; Le Bourg expresa pensamientos similares.

De acuerdo con algunas de estas teorías, acumulamos rasgos negativos (como los que causan algunas enfermedades hereditarias) cuando nos afectan negativamente después de la reproducción, pero no antes, ya que tales rasgos no pueden eliminarse por selección. En primer lugar, esto no es del todo así, al menos en el caso de los seres humanos y otros organismos donde la sabiduría (aptitud) de los ancianos contribuye a la supervivencia de los jóvenes. Por lo tanto, si un padre cuidador tiene tal rasgo, la progenie está en desventaja y estará sujeta a una mayor presión de selección natural. Lo que es más relevante para la presente discusión es que las hipótesis evolutivas no explican del todo, desde un punto de vista mecanicista, por qué tales enfermedades comienzan después de la reproducción. ¿Cuál es el reloj? La explicación aparente es que en estos casos hay realmente un sinergismo entre dos tipos de procesos. Uno de ellos es el envejecimiento, que es el daño inevitable a esencialmente todas las funciones y estructuras, y el segundo es la toxicidad debido al rasgo negativo heredado. Es probable que este sinergismo comience después de un retraso, porque los mecanismos de garantía que son importantes para contrarrestar la toxicidad causada por el rasgo negativo siguen intactos en gran medida inicialmente hasta que comienzan a fallar en un momento posterior.

Por lo tanto, las teorías evolutivas por sí solas no explican aspectos importantes de por qué envejecemos. El envejecimiento es un proceso inevitable de deterioro que puede ser modulado, pero no detenido por completo por la evolución; tarde o temprano causará el desarrollo de condiciones patológicas y la muerte, por eso envejecemos. Es cierto que la evolución puede aumentar significativamente la vida útil de varias maneras, incluso cambiando el equilibrio entre los mecanismos de aseguramiento de la longevidad/salud y la reproducción en favor de los primeros . Sin embargo, debido a los limitados recursos disponibles, la creatividad de la evolución no puede evitar el resultado final de la acción implacable de las fuerzas destructivas. Por lo tanto, las preguntas de por qué y cómo envejecemos deben ser respondidas principalmente por teorías mecanicistas. Sin embargo, las teorías evolutivas deberían ser capaces de explicar cada vez mejor cómo y por qué la evolución modula (acelera o ralentiza) el envejecimiento. Así, Kirkwood y Melov discuten el papel de la selección natural en la «conformación» del envejecimiento. Este conocimiento sin duda nos ayudará a diseñar mejores estrategias para» combatir » el envejecimiento. En este sentido, ¿cuál es la explicación evolutiva para los casos en que la fertilidad disminuye antes de la muerte? El comienzo de la respuesta, que es importante para la discusión posterior en el texto, podría ser que de esta manera se evita el nacimiento de individuos significativamente defectuosos por padres que adquieren defectos heredables debido a daños relacionados con la edad durante su vida individual. Ciertamente, como en el caso de los humanos, también hay otras razones .

Dicho esto, debe haber al menos dos formas de contrarrestar las enfermedades que se desarrollan después de la reproducción. Uno es reparar o prevenir el daño causado por el mecanismo tóxico desencadenado por la enfermedad y el segundo es prevenir el fracaso de, o reparar, el afectado a través de mecanismos de garantía relevantes para el envejecimiento.

Por supuesto, es diabólico que las causas del envejecimiento y/o las enfermedades se sinergicen y aceleren el desarrollo del otro. Por otro lado, una vez que aprendemos cómo interactúan, es más fácil encontrar al menos un tratamiento parcial contrarrestando solo algunas o incluso una de las causas que interactúan.

A continuación se presenta un debate más específico sobre algunos de los puntos planteados.

Caso 3. El daño al ADN y el aumento de la acumulación de mutaciones a menudo se sugieren como causas significativas del envejecimiento y resultados del envejecimiento . Curiosamente, en un estudio reciente con levaduras, Kaya et al. se evaluaron las mutaciones que aparecen en colonias de células hijas de células madre jóvenes y viejas, respectivamente, y se encontró que, aunque el número de mutaciones aumentó con la edad, el número fue sorprendentemente bajo. Estimaron menos de una mutación por vida útil (replicativa), aunque esto podría ser una subestimación, como señalaron. Tampoco observaron cambios estructurales genómicos significativos en esas células.

Kaya et al. se interpretaron estos resultados en el sentido de que las mutaciones y los cambios genómicos en general no desempeñan un papel significativo en el envejecimiento de las levaduras y, a primera vista, se debería concluir que tampoco son un resultado significativo del envejecimiento. Según ellos, las mutaciones pertenecen a una categoría de miríadas de «formas de daño leves which que tomadas de forma aislada no causan envejecimiento, el envejecimiento aún puede resultar del daño acumulativo, al que estas formas de daño contribuyen». Finalmente, según ellos ,» las formas de daño leves son demasiado numerosas para protegerse», lo que está de acuerdo con las opiniones expresadas anteriormente por uno de los coautores, que también declaró muerta la teoría de los radicales libres del envejecimiento (FRTA).

Tomadas al pie de la letra y especialmente si son válidas para otros organismos y no solo para levaduras, estas conclusiones sugieren que muchos conceptos y teorías sobre el papel del estrés oxidativo y de las mutaciones en el envejecimiento son probablemente erróneos o necesitan modificaciones significativas. Además, los radicales libres y el estrés oxidativo, que se consideran causas importantes del envejecimiento , causan daños al ADN y mutaciones, como se discutió anteriormente y más adelante en el texto. Finalmente, se sabe que el mantenimiento defectuoso del genoma y la reparación del ADN promueven fenotipos de envejecimiento prematuro . Vale la pena, por lo tanto, antes de comprometer tales conceptos en el cubo de basura de la historia, analizar críticamente el trabajo de los autores y algunos estudios relacionados con el fin de comprender mejor el proceso de envejecimiento en general y específicamente en levaduras.

Varios artículos citados por Kaya et al. demostrar que durante su vida útil replicativa las levaduras acumulan algún daño y envejecen . Por lo tanto, las células viejas pasan algunas de las moléculas dañadas, proteínas agregadas y mitocondrias disfuncionales a sus células hijas, y las hijas de madres muy ancianas viven una vida más corta (replicativa). Curiosamente, las nietas de células madre viejas aparentemente son capaces de limpiar el daño y su vida útil se restaura a la de las hijas de madres jóvenes.

Se debe concluir que mientras las levaduras envejecen y acumulan algún daño durante su vida replicativa, ni la tasa de envejecimiento ni el daño acumulado fueron lo suficientemente extensos como para dañar permanentemente incluso a la última hija de una madre; de hecho, tales hijas produjeron colonias, como lo notaron Kaya et al. . Lo que se acaba de discutir es importante por varias razones y una se refiere a la validez de las conclusiones de Kaya et al.

Kaya et al. discutimos un estudio aparentemente contradictorio. Por lo tanto, Hu et al. se encontró un número significativo de variedades de cambios genómicos en poblaciones de células muy antiguas, la mayoría de las cuales han dejado de dividirse. Como Kaya et al. anotado, es probable que estos cambios ocurrieron después de que la última hija brotara. Además, especularon que estos cambios podrían haber contribuido a la muerte de las células viejas, definiendo la muerte como una incapacidad para tener una hija más, pero no al proceso de envejecimiento per se, aunque esto no explica qué causó estos cambios. Sin embargo, en realidad, las levaduras que acaban de dejar de dividirse están tan «muertas» como otras células postmitóticas y senescentes tempranas y como las mujeres en un período postmenopáusico temprano. De hecho, todos ellos viven más tiempo después de eso y continúan sujetos al envejecimiento. Las fuerzas destructivas nunca descansan. Que las células senescentes no mueren inmediatamente después de que su última hija brota y permanecen metabólicamente activas durante días después de que se sepa . A este respecto, Zadrag-Tecza et al. y Minois et al. han advertido que las células que acaban de dejar de brotar hijas aún no están muertas.

Por lo tanto, podría ser más razonable sugerir que los cambios genómicos y otras formas de daño resultan del envejecimiento y juegan un papel importante en el envejecimiento que ocurre en una madre después de que la última hija brota, pero no antes de ese momento. De hecho, como afirma Vijg, es probable que las mutaciones se acumulen más fácilmente en los tejidos (células) postmitóticos que en los que proliferan activamente. Además, es probable que el envejecimiento sea comparativamente moderado hasta o justo antes de que nazca la última hija, pero se acelere después de eso. Para aprender más sobre el envejecimiento a medida que continúa en las células que han dejado de dividirse y/o en los organismos en los períodos post-reproductivos y en las últimas etapas de la vida, tenemos que analizar varios artículos más.

Laun et al. presentar evidencia de un estrés oxidativo significativo en células viejas (senescentes o casi senescentes), pero no en células jóvenes de levadura.

Un artículo más reciente de Brandes et al. también es informativo, aunque estudiaron levaduras cronológicamente envejecidas que dejaron de dividirse cuando se acercaron a la fase estacionaria. Observaron que poco después de que las células dejan de dividirse, se produce un cambio prooxidante. Específicamente, el nivel de NADPH disminuye, mientras que los tioles de proteínas se oxidan dramáticamente. En algunos casos, la oxidación se auto-aceleración. También es evidente de sus resultados que, al mismo tiempo o poco después de estos eventos, la mortalidad de las levaduras, que inicialmente era insignificante, comenzó a acelerarse. Se podría concluir que después de que las levaduras dejaron de reproducirse, experimentaron un envejecimiento acelerado y daños, lo que sugiere causas sinérgicas en acción. Este envejecimiento acelerado condujo a condiciones patológicas y a la muerte real (final) y no solo a la reproductiva de las levaduras.

Aquí hay un resumen de lo que hemos aprendido hasta ahora como resultado del análisis realizado: Durante la vida útil replicativa de las levaduras, se acumulan algunos daños, como agregados de proteínas y algunas mutaciones, y esto potencialmente puede conducir a daños adicionales. El daño acumulado durante la vida de la replicación, pero no debido a mutaciones, es suficiente para eliminar la capacidad de las células para reproducirse, pero no las mata en el sentido literal de la palabra. En el período posterior, como resultado de un mayor daño, el envejecimiento se acelera, probablemente porque las causas del envejecimiento, cuyos niveles aumentan, se sinergizan entre sí y esto finalmente conduce a la muerte. Las causas sinérgicas probablemente incluyen cambios genómicos y formación de agregados, así como otras formas de daño como el estrés oxidativo.

El final de la vida útil replicativa de las levaduras es el final de su período de replicación y no de su vida , y los resultados de Kaya et al. sugieren fuertemente que las mutaciones no son parte del mecanismo que detiene la replicación. La naturaleza de este mecanismo ha sido discutida recientemente por Bilinski y Zadrag-Tecza . En este sentido, el estrés oxidativo es un buen candidato para un mecanismo que detiene la replicación o al menos podría ser uno de los factores que lo desencadenan. Por lo tanto, los mutantes deficientes en SOD o glutatión peroxidasa tienen vidas replicativas dramáticamente más cortas . Es probable que la evolución conserve este mecanismo e incluso lo haya perfeccionado y sincronizado, ya que es poco probable que la producción de hijas significativamente deterioradas sea beneficiosa para el grupo y para la especie. La analogía con los humanos es evidente. Bilinski y Zadrag-Tecza instan a la precaución sobre el uso de levadura como organismo modelo de gerontología. De todos modos, parece obvio que la comprensión correcta sobre la naturaleza del envejecimiento en las levaduras, así como en los seres humanos, no se puede lograr estudiando solo los cambios que ocurren antes del final de la vida reproductiva. Por lo tanto, evidentemente, las levaduras y muchas otras células y organismos podrían considerarse en la fase de retraso del envejecimiento o en el período temprano de aceleración, donde el envejecimiento, aunque progresa, no se ha acelerado significativamente, al menos hasta aproximadamente la última fase del período reproductivo. Más información sobre la línea de tiempo del cambio del período de retraso, que también podría llamarse el período de mortalidad latente, al de envejecimiento acelerado y mortalidad en humanos, se puede leer en la revisión de Salinary y De Santis . Todo esto no debe interpretarse en el sentido de que el daño relacionado con el envejecimiento (incluidas las mutaciones) no ocurre en absoluto en las células en división y antes del final de la reproducción y que dicho daño no puede contribuir al desarrollo de enfermedades, especialmente en organismos que tienen una vida cronológica más larga que las levaduras.

Se podría especular que el desplazamiento prooxidante observado por Brandes et al. depende de la especie o de la condición. Como discuten los autores, esto no es probable, ya que también se observaron cambios similares en experimentos con roedores envejecidos. Algunos de los resultados más definitivos se han obtenido en los laboratorios de Sohal y Orr, que observaron un cambio prooxidante similar en las moscas de la fruta que envejecen . Además, hicieron un número significativo de observaciones importantes, como que la sobreproducción de enzimas antioxidantes como la glucosa-6-deshidrogenasa, la tiorredoxina reductasa y las peroxiredoxinas 3 y 5 aumentaba la vida útil de la Drosophila y que la vida útil de la Drosophila que no expresaba tanto la peroxiredoxina 3 como la peroxiredoxina 5 era cinco veces más corta que la del tipo silvestre . La importancia de los hallazgos de Sohal, Orr y compañeros de trabajo fue subrayada en mi revisión anterior .

Los resultados de Brandes et al. y de Sohal, Orr y compañeros de trabajo apoyan a FRTA a pesar de la falta de evidencia clara de que la producción de ROS se incrementó sustancialmente. Lo que estos autores han observado en levaduras envejecidas y Drosophila es el desarrollo dramático de estrés oxidativo, ya que el estado alcanzado después del cambio prooxidante es estrés oxidativo y debe llamarse así. De acuerdo con la definición original y todavía válida de Sies , el estrés oxidativo es «una alteración en el equilibrio prooxidante-antioxidante a favor del primero.»En otras palabras, el estrés oxidativo puede ser el resultado de una mayor producción de radicales libres, ROS y otros oxidantes o de una disminución de la capacidad de las enzimas y antioxidantes para eliminar estas especies y/o reparar el daño causado por ellas. Tenga en cuenta que en todos estos casos, las especies que causan el daño son los radicales libres, ROS y otros oxidantes; ¡esta es la esencia de la teoría del envejecimiento de FRTA/estrés oxidativo! En este sentido, el NADPH y los tioles son importantes para la reparación reductora de enzimas inactivadas, formas oxidadas de antioxidantes, etc., entre otras cosas. Este tema también se discutió anteriormente . Sin embargo, los radicales libres e incluso los oxidantes en general, aunque son causas importantes del envejecimiento, son solo una de las causas del daño y, por lo tanto, del envejecimiento. Esto fue realizado por muchos y, por lo tanto, FRTA es solo una parte, aunque importante, de GTA .

Muy importantes para los temas en discusión son las observaciones hechas por Gladyshev y sus colegas. Prepararon y analizaron una cepa de levadura mutante (designada Δ8) que carecía de ocho peroxidasas tiol (peroxiredoxinas y peroxidasas glutatión) involucradas en la eliminación de H2O2 . Esta cepa tuvo una vida útil replicativa significativamente más corta y obviamente acumuló daños graves, lo que llevó a un aumento dramático en las mutaciones puntuales y también a una disminución de la tasa de crecimiento. Además, cuando el mutante fue sometido a una acumulación de mutaciones a largo plazo, la vida útil y la tasa de crecimiento se redujeron aún más. Todo esto parece sugerir que las mutaciones que eliminan o disminuyen la actividad de ciertas enzimas son capaces de causar envejecimiento, en este caso principalmente al causar estrés oxidativo, que a su vez resultó en muchas más mutaciones. Obviamente, el daño causado por las acciones cooperativas de estas mutaciones y otras causas fue lo suficientemente significativo como para provocar un envejecimiento temprano y afectar dramáticamente incluso la capacidad reproductiva del mutante. Además, se podría esperar que el envejecimiento se acelere más rápido bajo tensiones, lo que inevitablemente experimentará el tipo salvaje. Sorprendentemente, la expresión de incluso una sola peroxidasa de tiol podría atenuar significativamente el fenotipo de las células Ural 8 .

Una observación de Fomenko et al. es importante para la presente discusión y para la discusión sobre el papel del H2O2 y otros ROS como agentes de señalización y/o tóxicos y causantes del envejecimiento. Así, encontraron que el mutante Δ8 era incapaz de activar y reprimir la expresión génica en respuesta al H2O2. Según lo discutido por los autores, esto sugiere que el H2O2 está involucrado en el proceso de señalización redox solo porque es un sustrato de las peroxidasas, mientras que las reacciones secundarias con otros tioles, proteínas, etc. desempeñar un papel insignificante, si es que lo hay, en contraste con lo que muchos creen. Parece lógico concluir que estas reacciones laterales del H2O2 causan daños, que deben repararse constantemente (de forma reductiva o no), en lugar de desempeñar un papel en la señalización específica.

Si bien el análisis de la literatura pertinente podría continuar prácticamente para siempre, el que se ha hecho hasta ahora parece apoyar esencialmente, si no probar, los puntos de discusión.