Analisi di alcuni casi dalla Teoria e Pratica della Scienza dell’invecchiamento

Caso 1. Paul et al. trovato che Mn SOD-carente Drosophila ha una durata della vita inferiore rispetto al tipo selvaggio e ha fornito la prova che questo mutante mostra caratteristiche simili a quelle di invecchiamento. Questo è stato segnalato per molti altri animali e per altre zolle. Anche la durata della salute degli animali carenti di ZOLLE è influenzata. Più recentemente, Ivannikov e Van Remmen hanno scoperto che la carenza di Cu, Zn e SOD nei topi adulti causa specifici tipi di danni che si verificano anche nei vecchi topi wild-type e hanno suggerito che questi cambiamenti nei vecchi topi wild-type potrebbero in parte essere dovuti a specie reattive dell’ossigeno (ROS).

Importante, l’analisi degli esperimenti di Paul et al. fornisce la prova che un aumento significativo della mortalità si verifica quando il tasso di generazione di danni aumenta notevolmente. Questi autori hanno creato un certo numero di mutanti Drosophila con livelli progressivamente più bassi di MnSOD, che ha portato a una durata della vita progressivamente più breve. Ciò che è più interessante, tuttavia, è che nel periodo di ritardo sostanzialmente piatto dei primi 10-20 giorni, la mortalità degli animali selvatici non era diversa da quella dei mutanti e quindi il tasso di mortalità iniziale (α) non era influenzato dalla carenza di SOD. L’analisi dell’autore, basata sul modello Gompertz, lo ha confermato. Allo stesso tempo, β e μ sono aumentati in proporzione all’entità della carenza di SOD. Cosa potrebbe spiegare tale comportamento? La spiegazione apparente, secondo il modello discusso sopra, è che l’aumento del livello di O2− è diventato più tossico solo dopo che altre cause di invecchiamento (danno) sono aumentate nel tempo, probabilmente a causa di un fallimento di alcuni altri meccanismi di garanzia. In quella situazione, l’aumento del livello di O2 * si è sinergizzato con queste altre cause di danno (invecchiamento), accelerando così il tasso di invecchiamento e promuovendo la morte. Come discusso nella Sezione 3 e precedenti , il superossido ha bisogno della collaborazione di altre specie per uccidere.

Il resveratrolo ha esteso significativamente la durata della vita di C. elegans ed ha esercitato altri effetti benefici, mentre i compromessi negativi erano minimi . È interessante notare che il resveratrolo ha aumentato la durata della vita estendendo la fase di ritardo, mentre la fase esponenziale non è stata influenzata. Ciò indica che il resveratrolo non ha agito scavenging direttamente radicali liberi, ROS, o altre specie reattive, poiché tale azione dovrebbe essere diminuita β. È stato sottolineato, a questo proposito, che gli effetti benefici dei fitochimici e di altri agenti e in particolare del resveratrolo non possono essere dovuti allo scavenging diretto delle specie reattive, poiché le loro concentrazioni intracellulari sono basse e quindi non possono competere efficacemente con numerosi bersagli intracellulari abbondanti per le specie reattive . Si pensa che l’effetto benefico delle sostanze fitochimiche sia dovuto all’ormesi . Pertanto, si è tentati di ipotizzare che il resveratrolo abbia causato adattamenti benefici che hanno ritardato il fallimento del sistema di garanzia essenziale e quindi la sinergia tra importanti cause di invecchiamento. In effetti, l’effetto benefico del resveratrolo in diversi organismi tra cui C. elegans e topi è probabilmente mediato dalle sirtuine e dal coattivatore 1α del recettore-γ attivato dal proliferatore del perossisoma (PGC-1α) e successivamente influisce sulla funzione mitocondriale .

Sembra che il basso tasso di mortalità iniziale, che non è stato influenzato da O2•−, rifletta uno stato in cui i sistemi di assicurazione funzionano con la massima efficienza e l’organismo è in grado di adattarsi ; c’è poca sinergia tra le cause dell’invecchiamento la cui intensità in quel periodo è anche bassa. Nel quadro del modello Gompertz , ciò conferma il parere secondo cui α riflette la protezione di base di un dato sistema contro guasti e danni, mentre β indica il tasso di deterioramento di tale protezione. Secondo Kowald, l’equazione di Gompertz riflette l’invecchiamento e quindi μ (x) rappresenta l’invecchiamento e non solo la mortalità.

I parametri α e β sono più o meno analogici a v0 e n, rispettivamente, nel modello sopra descritto. Quindi, si potrebbe concludere che in misura significativa invecchiamo e il tasso di invecchiamento è in aumento poiché il tasso della generazione di danni legati all’invecchiamento (vt) sta aumentando sempre più velocemente con il passare del tempo a causa della crescente potenza delle forze distruttive sinergizzanti (cause dell’invecchiamento). Ci si potrebbe aspettare che le specie e gli individui con v0 e n bassi abbiano una lunga durata di vita. Certamente le capacità degli organismi di tollerare e riparare il danno inflitto, così come il tasso di declino di queste capacità con il tempo sono anche importanti fattori che determinano la longevità. Si noti che il fallimento dei sistemi che riparano il danno aumenterà il tempo di recupero, che è un fattore importante nel modello di Mitnitski et al. . Quindi, sia l’aumento del tasso di generazione del danno che l’aumento del tempo di recupero sono fattori che determinano il tasso di invecchiamento.

Caso 2. Le teorie evolutive dell’invecchiamento sono state riviste e c’è una visione che mentre le teorie meccanicistiche dell’invecchiamento tentano di rispondere a come invecchiamo, le teorie evolutive possono spiegare perché invecchiamo . Va tenuto presente che, secondo Gavrilov e Gavrilova, queste teorie potrebbero non essere ancora ” teorie ultimate completate, ma piuttosto un insieme di idee che a loro volta richiedono un’ulteriore elaborazione e convalida”; Le Bourg esprime pensieri simili.

Secondo alcune di queste teorie, accumuliamo tratti negativi (come quelli che causano alcune malattie ereditarie) quando ci influenzano negativamente dopo la riproduzione ma non prima, poiché tali tratti non possono essere eliminati dalla selezione. In primo luogo, questo non è del tutto così, almeno nel caso degli esseri umani e di altri organismi in cui la saggezza (fitness) degli anziani contribuisce alla sopravvivenza dei giovani. Quindi, se un genitore premuroso ha un tale tratto, la progenie è in svantaggio e sarà sottoposta ad una maggiore pressione di selezione naturale. Ciò che è più rilevante per la presente discussione è che le ipotesi evolutive non spiegano abbastanza da un punto di vista meccanicistico perché tali malattie iniziano dopo la riproduzione. Qual è l’orologio? La spiegazione apparente è che in questi casi c’è in realtà un sinergismo tra due tipi di processi. Uno di questi è l’invecchiamento, che è il danno inevitabile a essenzialmente tutte le funzioni e le strutture, e il secondo è la tossicità dovuta al tratto negativo ereditato. È probabile che questo sinergismo inizi dopo un ritardo, perché i meccanismi di garanzia che sono importanti per contrastare la tossicità causata dal tratto negativo sono ancora in gran parte intatti inizialmente fino a quando non iniziano a fallire in un secondo momento.

Quindi, le teorie evolutive da sole non spiegano aspetti importanti del perché invecchiamo. L’invecchiamento è un processo inevitabile di deterioramento che può essere modulato ma non completamente fermato dall’evoluzione; prima o poi causerà lo sviluppo di condizioni patologiche e la morte—questo è il motivo per cui invecchiamo. È vero, l’evoluzione può aumentare significativamente la durata della vita in diversi modi, tra cui spostando l’equilibrio tra meccanismi di longevità/garanzia della salute e riproduzione a favore del primo . Tuttavia, a causa delle limitate risorse disponibili, la creatività dell’evoluzione non può impedire il risultato finale dell’azione implacabile delle forze distruttive. Pertanto, le domande sul perché e su come invecchiamo dovrebbero essere risolte principalmente da teorie meccanicistiche. Le teorie evolutive, tuttavia, dovrebbero essere in grado di spiegare sempre meglio come e perché l’invecchiamento è modulato (accelerato o rallentato) dall’evoluzione. Così Kirkwood e Melov discutono il ruolo della selezione naturale nel “plasmare” l’invecchiamento. Tale conoscenza ci aiuterà certamente a progettare strategie migliori per” combattere ” l’invecchiamento. A questo proposito, qual è la spiegazione evolutiva per i casi in cui la fertilità diminuisce prima della morte? L’inizio della risposta, che è importante per la discussione più avanti nel testo, potrebbe essere che in questo modo si evita la nascita di individui significativamente difettosi da parte di genitori che acquisiscono difetti ereditari a causa di danni legati all’età durante la loro vita individuale. Certamente, come nel caso degli esseri umani, ci sono anche altre ragioni .

Detto questo, ci dovrebbero essere almeno due modi per contrastare le malattie che si sviluppano dopo la riproduzione. Uno è quello di riparare o prevenire i danni causati dal meccanismo tossico innescato dalla malattia e il secondo è quello di prevenire il fallimento di, o per riparare, l’interessato attraverso meccanismi di garanzia rilevanti per l’invecchiamento.

Naturalmente, è diabolico che le cause dell’invecchiamento e / o delle malattie sinergizzino e accelerino lo sviluppo reciproco. D’altra parte, una volta che impariamo come interagiscono, è più facile trovare almeno un trattamento parziale contrastando solo alcune o anche una delle cause interagenti.

Segue una discussione più specifica su alcuni dei punti sollevati.

Caso 3. Il danno al DNA e l’aumento dell’accumulo di mutazioni sono spesso suggeriti come cause significative dell’invecchiamento e dei risultati dell’invecchiamento . È interessante notare che, in un recente studio che coinvolge lieviti, Kaya et al. ha valutato le mutazioni che appaiono nelle colonie di cellule figlie di cellule madri giovani e vecchie, rispettivamente, e ha scoperto che sebbene il numero di mutazioni aumentasse con l’età, i numeri erano sorprendentemente bassi. Hanno stimato meno di una mutazione per durata della vita (replicativa), anche se questa potrebbe essere una sottostima, come hanno notato. Inoltre non hanno osservato cambiamenti genomici strutturali significativi in quelle cellule.

Kaya et al. interpretati questi risultati nel senso che le mutazioni e i cambiamenti genomici in generale non svolgono un ruolo significativo nell’invecchiamento dei lieviti e al valore nominale si dovrebbe concludere che non sono un risultato significativo dell’invecchiamento. Secondo loro, le mutazioni appartengono a una categoria di miriade di ” forme lievi di danno…che prese in isolamento non causano l’invecchiamento, l’invecchiamento può ancora derivare da danni cumulativi, a cui queste forme di danno contribuiscono”. Infine, secondo loro, “le forme di danno lieve sono troppo numerose per essere protette contro”, che è in accordo con le opinioni precedentemente espresse di uno dei coautori, che ha dichiarato morta anche la teoria dei radicali liberi dell’invecchiamento (FRTA).

Prese al valore nominale e soprattutto se valide per altri organismi e non solo per i lieviti, queste conclusioni suggeriscono che molti concetti e teorie sul ruolo dello stress ossidativo e delle mutazioni nell’invecchiamento sono probabilmente sbagliate o fortemente bisognose di modifiche significative. Inoltre, i radicali liberi e lo stress ossidativo, che sono considerati importanti cause di invecchiamento , causano danni al DNA e mutazioni, come discusso sopra e più avanti nel testo. Infine, la manutenzione del genoma difettoso e la riparazione del DNA sono noti per promuovere i fenotipi di invecchiamento precoce . Vale la pena, quindi, prima di impegnare tali concetti nel bidone della spazzatura della storia, analizzare criticamente il lavoro degli autori e alcuni studi correlati al fine di comprendere meglio il processo di invecchiamento in generale e in particolare nei lieviti.

Diversi documenti citati da Kaya et al. dimostrare che durante la loro durata di vita replicativa i lieviti accumulano alcuni danni e invecchiano . Così, le vecchie cellule passano alcune delle molecole danneggiate, proteine aggregate e mitocondri disfunzionali alle loro cellule figlie e figlie di madri molto anziane vivono una vita più breve (replicativa). È interessante notare che le nipoti di vecchie cellule madri sono apparentemente in grado di eliminare il danno e la loro durata di vita è ripristinata a quella delle figlie di giovani madri.

Si dovrebbe concludere che mentre i lieviti invecchiano e accumulano qualche danno durante la loro durata di vita replicativa, né il tasso di invecchiamento né il danno accumulato erano abbastanza estesi da danneggiare permanentemente anche l’ultima figlia di una madre; in effetti tali figlie producevano colonie, come notato da Kaya et al. . Ciò che è stato appena discusso è importante per diversi motivi e uno riguarda la validità delle conclusioni di Kaya et al.

Kaya et al. discusso uno studio apparentemente contraddittorio. Quindi, Hu et al. trovato un numero significativo di varietà di cambiamenti genomici in popolazioni di cellule molto vecchie, la maggior parte delle quali ha cessato di dividersi. Come Kaya et al. notato, è probabile che questi cambiamenti si siano verificati dopo che l’ultima figlia è stata germogliata. Hanno inoltre ipotizzato che questi cambiamenti potrebbero aver contribuito alla morte delle vecchie cellule, definendo la morte come l’incapacità di germogliare un’altra figlia, ma non al processo di invecchiamento di per sé, anche se questo non spiega cosa abbia causato questi cambiamenti. Tuttavia, in realtà, i lieviti che hanno appena smesso di dividersi sono altrettanto “morti” come altre cellule postmitotiche e senescenti precoci e come le donne in un periodo post-menopausale precoce. In effetti, tutti vivono per più tempo dopo e continuano ad essere soggetti all’invecchiamento. Le forze distruttive non riposano mai. Che le cellule senescenti non muoiono immediatamente dopo la loro ultima figlia è in erba e rimangono metabolicamente attivi per giorni dopo che è noto . A questo proposito, Zadrag-Tecza et al. e Minois et al. hanno avvertito che le cellule che hanno appena cessato di germogliare le figlie non sono ancora morte.

Pertanto, potrebbe essere più ragionevole suggerire che i cambiamenti genomici e altre forme di danno derivano dall’invecchiamento e svolgono un ruolo significativo nell’invecchiamento che si verifica in una madre dopo che l’ultima figlia è in erba, ma non prima di quel momento. Infatti, come affermato da Vijg, è probabile che le mutazioni si accumulino più facilmente nei tessuti postmitotici (cellule) che in quelli attivamente proliferanti. Inoltre, è probabile che l’invecchiamento sia relativamente moderato fino o poco prima della nascita dell’ultima figlia, ma accelera dopo. Per saperne di più sull’invecchiamento mentre continua nelle cellule che hanno cessato di dividersi e/o organismi nei periodi post-riproduttivi e nelle ultime fasi della vita, dobbiamo analizzare diversi altri documenti.

Laun et al. presente evidenza di un significativo stress ossidativo in vecchie (senescenti o quasi senescenti) ma non in giovani cellule di lievito.

Un documento più recente di Brandes et al. è anche informativo, anche se hanno studiato cronologicamente lieviti invecchiamento che hanno smesso di dividere quando si avvicinavano alla fase stazionaria. Hanno osservato che subito dopo che le cellule smettono di dividere si verifica uno spostamento pro-ossidante. In particolare, il livello di NADPH diminuisce, mentre i tioli proteici si ossidano drasticamente. In alcuni casi l’ossidazione era autoaccelerante. È anche evidente dai loro risultati che, contemporaneamente o poco dopo questi eventi, la mortalità dei lieviti, inizialmente trascurabile, ha iniziato ad accelerare. Si potrebbe concludere che dopo che i lieviti hanno cessato di riprodursi, hanno sperimentato invecchiamento accelerato e danni, suggerendo cause sinergizzanti in azione. Questo invecchiamento accelerato ha portato a condizioni patologiche e alla morte reale (finale) e non solo quella riproduttiva dei lieviti.

Ecco un riassunto di ciò che abbiamo appreso finora a seguito dell’analisi effettuata: Durante la vita replicativa dei lieviti alcuni danni, come aggregati proteici e alcune mutazioni, si accumulano e questo potenzialmente può portare a ulteriori danni. Il danno accumulato durante la durata della vita replicativa, ma non dovuto a mutazioni, è sufficiente ad eliminare la capacità delle cellule di riprodursi ma non le uccide nel senso letterale del termine. Nel periodo successivo, a seguito di ulteriori danni, l’invecchiamento accelera, probabilmente perché le cause dell’invecchiamento, i cui livelli aumentano, si sinergizzano tra loro e questo alla fine porta alla morte. Le cause sinergizzanti probabilmente includono cambiamenti genomici e la formazione di aggregati, così come altre forme di danno come lo stress ossidativo.

La fine della vita replicativa dei lieviti è la fine del loro periodo replicativo e non della loro vita , e i risultati di Kaya et al. suggeriscono fortemente che le mutazioni non fanno parte del meccanismo che arresta la replicazione. La natura di questo meccanismo è stata discussa recentemente da Bilinski e Zadrag-Tecza . A questo proposito, lo stress ossidativo è un buon candidato per un meccanismo che interrompe la replicazione o potrebbe almeno essere uno dei fattori che lo innesca. Pertanto, i mutanti carenti di SOD o glutatione perossidasi hanno una durata di vita replicativa drammaticamente più breve . È probabile che l’evoluzione abbia conservato questo meccanismo e possa anche perfezionarlo e sincronizzarlo, poiché è improbabile che la produzione di figlie significativamente compromesse sia vantaggiosa per il gruppo e per la specie. L’analogia con gli esseri umani è evidente. Bilinski e Zadrag-Tecza sollecitano cautela sull’uso del lievito come organismo modello di gerontologia. Ad ogni modo, sembra ovvio che una corretta comprensione della natura dell’invecchiamento nei lieviti e nell’uomo non possa essere raggiunta studiando solo i cambiamenti che si verificano prima della fine della vita riproduttiva. Quindi, evidentemente, i lieviti e molte altre cellule e organismi potrebbero essere considerati nella fase di ritardo dell’invecchiamento o nel primo periodo di accelerazione, dove l’invecchiamento, sebbene progredisca, non ha accelerato in modo significativo, almeno fino all’incirca all’ultima fase del periodo riproduttivo. Maggiori informazioni sulla cronologia del passaggio dal periodo di lag, che potrebbe anche essere chiamato il periodo di mortalità latente, a quello dell’invecchiamento accelerato e della mortalità negli esseri umani possono essere letti nella recensione di Salinary e De Santis . Tutto ciò non dovrebbe significare che i danni legati all’invecchiamento (comprese le mutazioni) non si verifichino affatto nelle cellule in divisione e prima della fine della riproduzione e che tali danni non possano contribuire allo sviluppo di malattie, specialmente negli organismi che hanno una durata cronologica più lunga dei lieviti.

Si potrebbe ipotizzare che lo spostamento pro-ossidante osservato da Brandes et al. è specie dipendente o condizione dipendente. Come discutono gli autori, questo non è probabile poiché cambiamenti simili sono stati osservati anche in esperimenti con roditori invecchiati. Alcuni dei risultati più definitivi sono stati ottenuti nei laboratori di Sohal e Orr, che hanno osservato un simile cambiamento pro-ossidante nell’invecchiamento delle mosche della frutta . Inoltre, hanno fatto un numero significativo di osservazioni importanti come quella sovrapproduzione di enzimi antiossidanti come glucosio-6-deidrogenasi, tioredossina reduttasi e perossiredossine 3 e 5 ha aumentato la durata della vita della drosophila e che la durata della Drosophila sottoesprimendo sia la perossiredossina 3 che la perossiredossina 5 era cinque volte più breve di quella del tipo selvaggio . Il significato dei risultati di Sohal, Orr e colleghi è stato sottolineato nella mia precedente recensione .

I risultati di Brandes et al. e di Sohal, Orr, e colleghi sostengono FRTA nonostante la mancanza di prove chiare che la produzione di ROS è stato aumentato sostanzialmente. Ciò che questi autori hanno osservato nei lieviti invecchiati e nella Drosophila è il drammatico sviluppo dello stress ossidativo, poiché lo stato raggiunto dopo lo spostamento pro-ossidante è lo stress ossidativo e dovrebbe essere chiamato così. Secondo la definizione originale e ancora valida di Sies, lo stress ossidativo è “un disturbo nell’equilibrio pro-ossidante–antiossidante a favore del primo.”In altre parole, lo stress ossidativo può derivare da una maggiore produzione di radicali liberi, ROS e altri ossidanti o da una ridotta capacità di enzimi e antiossidanti di pulire queste specie e/o riparare i danni causati da loro. Si noti che in tutti questi casi, le specie che causano il danno sono i radicali liberi, ROS e altri ossidanti; questa è l’essenza della teoria dello stress ossidativo FRTA/dell’invecchiamento! A questo proposito NADPH e tioli sono importanti per la riparazione riduttiva di enzimi inattivati, forme ossidate di antiossidanti, ecc., tra le altre cose. Anche questo argomento è stato discusso in precedenza . Tuttavia, i radicali liberi e persino gli ossidanti in generale, sebbene importanti cause di invecchiamento, sono solo una delle cause del danno e quindi dell’invecchiamento. Questo è stato realizzato da molti e quindi FRTA è solo una parte, anche se un importante, di GTA .

Molto importanti per gli argomenti in discussione sono le osservazioni fatte da Gladyshev e colleghi. Hanno preparato e analizzato un ceppo di lievito mutante (designato Δ8) privo di otto perossidasi tioliche (perossiredossine e glutatione perossidasi) coinvolte nell’eliminazione di H2O2 . Questo ceppo ha avuto una durata di vita replicativa significativamente più breve e, ovviamente, ha accumulato gravi danni, portando ad un drammatico aumento delle mutazioni puntiformi e ad una diminuzione del tasso di crescita. Inoltre, quando il mutante è stato sottoposto ad accumulo di mutazioni a lungo termine, la durata della vita e il tasso di crescita sono stati ulteriormente ridotti. Tutto ciò sembra suggerire che le mutazioni che eliminano o diminuiscono l’attività di alcuni enzimi sono in grado di causare l’invecchiamento, in questo caso principalmente causando stress ossidativo, che a sua volta ha portato a molte più mutazioni. Ovviamente, il danno causato dalle azioni cooperative di queste mutazioni e altre cause era abbastanza significativo da provocare l’invecchiamento precoce e influenzare drammaticamente anche la capacità riproduttiva del mutante. Inoltre, ci si potrebbe aspettare che l’invecchiamento accelererà più velocemente sotto stress, che il tipo selvaggio sperimenterà inevitabilmente. Sorprendentemente, l’espressione anche di una singola perossidasi tiolica potrebbe attenuare significativamente il fenotipo delle cellule ∆8 .

Un’osservazione di Fomenko et al. è importante per la presente discussione e per la discussione sul ruolo di H2O2 e altri ROS come agenti di segnalazione e/o tossici e che causano l’invecchiamento. Così hanno scoperto che il mutante Δ8 non era in grado di attivare e reprimere l’espressione genica in risposta a H2O2. Come discusso dagli autori, questo suggerisce che H2O2 è coinvolto nel processo di segnalazione redox solo perché è un substrato delle perossidasi, mentre reazioni collaterali con altri tioli, proteine, ecc. gioca un ruolo insignificante, se presente, in contrasto con ciò che molti credono. Sembra logico concludere che queste reazioni collaterali di H2O2 causano danni, che devono essere costantemente (riduttivamente o in altro modo) riparati, piuttosto che svolgere un ruolo nella segnalazione specifica.

Mentre l’analisi della letteratura pertinente potrebbe essere continuata praticamente per sempre, quella fatta finora sembra sostanzialmente sostenere fortemente se non dimostrare i punti di discussione.