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ATTIVITA’ MOTORIE E SPORTIVE ADATTATE (ATTIVITÀ MOTORIE PREVENTIVE E ADATTATE - APA) Prof. Antonio Cevese Prof. Camilla Raffaelli Prof. Donatella Donati.

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1 ATTIVITA’ MOTORIE E SPORTIVE ADATTATE (ATTIVITÀ MOTORIE PREVENTIVE E ADATTATE - APA) Prof. Antonio Cevese Prof. Camilla Raffaelli Prof. Donatella Donati Dott. Doriana Rudi Per un errore è stato conservato il nome del corso scritto in nero, ma questo corso deriva dalla fusione di due corsi pre esistenti: Attività motorie per la prevenzione e Attività motorie e sportive adattate (APA)

2 Il corso è basato su articoli trovati in PubMed e/o siti web: tutte le fonti sono citate di volta in volta, per rendere possibile la consultazione delle fonti per approfondire singoli argomenti. Tutto il materiale è disponibile sul sito all’indirizzo: Argomenti sviluppati: SENESCENZA E LONGEVITÀ EFFETTI DELL’ETÀ SPECIFICITÀ DI GENERE SISTEMA CARDIOVASCOLARE INFIAMMAZIONE METABOLISMO TESSUTO ADIPOSO SISTEMA RESPIRATORIO SISTEMA GASTROENTERICO RENE Gli esami per la parte teorica consistono in un test scritto a risposta multipla interamente basato sul materiale presentato a lezione – per la parte pratica in colloqui con i docenti. Il voto finale sarà la media ponderata dei voti delle tre parti, ma per superare l’esame è necessario avere la sufficienza su tutti e tre i test

3 Letture introduttive utili e divertenti

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7 Enzimi respiratori Metabolismo lipidico

8 BASI BIOLOGICHE DELL’INVECCHIAMENTO (E DELLA LONGEVITA’): Genetica Biologia Evoluzionismo Antropologia Considerazioni personali:  invecchiare è brutto  non invecchiare è molto peggio  l’ideale: invecchiare senza diventare vecchi

9 Storiella del Sig. Pietro Il Sig. Pietro ha una vita molto regolare: fa una discreta attività fisica (va in bicicletta e non prende l’ascensore), non fuma, mangia poco, è moderato nel bere e molto prudente nell’attività sessuale, evita di arrabbiarsi e litigare, insomma fa una vita sana … il tutto per vivere una settimana di più … e magari piove!

10 Molte reviews su invecchiamento e longevità nell’introduzione si riferiscono alla figura storica di Juan Ponce de León. Per curiosità mia (e spero vostra) ho cercato questo nome su Wikipedia

11 Juan Ponce de León (Santervás de Campos, 1474 circa – L'Avana, luglio 1521) è stato un condottiero spagnolo che ricoprì la carica di Governatore di Porto Rico dal 1508 al 1511 e dal1515 al Si arruolò ancora giovane per entrare in guerra e liberare Granada, l'ultimo possedimento dei Mori nella Penisola iberica. Nel 1493 accompagnò Cristoforo Colombo nel suo secondo viaggio verso il Nuovo Mondo. Nel 1508 iniziò la colonizzazione di Porto Rico fondando il primo insediamento, Caparra, e nel 1509, eletto dalla corona spagnola, divenne il primo governatore di Porto Rico. Nel 1513, il 2 aprile, domenica di resurrezione, in spagnolo "Domenica della Pasqua Florida" perché normalmente accadeva all'inizio della primavera, sbarcò in quella che è l'attuale Florida e per questo motivo è considerato il primo esploratore europeo ad aver messo piede negli Stati Uniti continentali. In Florida cercò a lungo la fonte della giovinezza, un luogo leggendario il cui mito derivava dal Romanzo di Alessandro, un libro del medioevo.Santervás de Campos1474L'Avanaluglio1521condottierospagnoloGovernatore di Porto Rico GranadaMoriPenisola iberica1493Cristoforo ColomboNuovo Mondo1508Porto RicoCaparra1509governatore di Porto Rico1513FloridaeuropeoStati Unitifonte della giovinezzaRomanzo di Alessandromedioevo

12 La Fonte dell'Eterna Giovinezza Secondo una leggenda molto diffusa, Ponce de León scoprì la Florida mentre era impegnato nella ricerca della Fonte dell'Eterna Giovinezza. Benché leggende di acque in grado di restituire la giovinezza e la vitalità fossero diffuse su entrambe le sponde dell'oceano Atlantico già da molti anni prima di Ponce de León, il racconto della sua ricerca di queste acque non gli fu attribuito se non dopo la sua morte. Nella sua Historia General y Natural de las Indias del 1535,Gonzalo Fernández de Oviedo scrisse che Ponce de León era alla ricerca delle acque di Bimini nella speranza di curare la sua impotenza sessuale. Poi, nel 1575, Hernando de Escalante Fontaneda, che, sopravvissuto a un naufragio, si trovò a vivere per 17 anni con gli Indiani della Florida, pubblicò le sue memorie in cui collocava la Fonte in Florida, e riferiva che Ponce de León probabilmente l'aveva cercata in quei luoghi. Benché Fontaneda dubitasse che de León si fosse realmente recato in Florida con l'intenzione di cercare la Fonte, questo racconto fu incluso nella Historia general de los hechos de los Castellanos di Antonio de Herrera y Tordesillas (1615).

13 The Retardation of Aging in Mice by Dietary Restriction: Longevity, Cancer, Immunity and Lifetime Energy Intake1 RICHARD WEINDRUCH, ROY L. WALFORD, SUZANNE FLIGIEL2 ANDDONALD GUTHRIE* J. Nutr. 116: , 1986.

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16 Annu. Rev. Physiol :617–19 SPECIAL TOPIC: AGEING AND LONGEVITY Annu. Rev. Physiol. 2013

17 Aging, Cellular Senescence, and Cancer

18 Riassunto Citando il noto teorico dell’evoluzione George Williams: “È stupefacente che dopo gli eventi quasi miracolosi della morfogenesi un metazoo complesso non sia capace di assolvere al compito molto più facile di mantenere semplicemente ciò che è già formato”. Come e perché invecchiamo è un mistero dai tempi dei tempi. Il “come” di questo mistero è il punto di vista del biologo sperimentale che cerca di comprendere i processi basilari che fanno decadere il mantenimento dei sistemi - dal livello delle molecole a quello dell’intero organismo -, ciò che chiamiamo invecchiamento. Il “perché” di questo mistero è il compito del teorico dell’evoluzione le cui idee formano i quesiti che si pongono i biogerontologi, sulla base di premesse enunciate da un altro insigne genetista e biologo dell’evoluzione, Theodosius Dobzhansky, secondo cui “nulla in biologia ha senso se non alla luce dell’evoluzione”. Queste prospettive sperimentali ed evoluzionistiche convergono nella scienza moderna dell’invecchiamento e della sua curiosa controparte, la “longevità”, nello sforzo di unificare vaste conoscenze di diversi campi della biologia.

19 È certamente chiaro che l’invecchiamento non procede secondo un programma genetico, ma non c’è dubbio che l’interazione di processi determinati geneticamente con fattori ambientali abbia un’influenza profonda sulla velocità e la qualità dell’invecchiamento di ciascun individuo di una specie e fra diverse specie. Un’osservazione basilare per ogni modello o teoria dell’invecchiamento è che vi sono grandi differenze sulla durata media e massima della vita nel regno animale, differenze che coprono cinque ordini di grandezza e vanno da giorni a secoli. Queste differenze di larga scala dipendono completamente dall’intreccio inestricabile dei programmi genetici che determinano la crescita e la fecondità degli individui di una specie e che permettono l’esistenza di specie così diverse, dalla libellula alla balena. Sembra che correlazioni generali fra la durata della vita e aspetti anatomici e fisiologici, come le dimensioni e il metabolismo, indichino meccanismi fondamentali, ma vi sono anche numerose ed importanti eccezioni che mostrano la complessità del processo dell’invecchiamento e la difficoltà ad estrarre principi generali da semplici variabili fisiologiche o dalla durata della vita.

20 La variabilità relativamente limitata della durata della vita all’interno di una specie (almeno rispetto all’enorme differenza fra specie) conferma la robustezza delle reti di segnali fisiologici che conservano cellule e tessuti. Ciononostante, il venir meno di queste reti determina fenotipi invecchiati. Per di più, al contrario dello sviluppo embrionario (che è quasi fisso), la velocità dell’invecchiamento all’interno di una specie è altamente variabile. Anche individui geneticamente identici e mantenuti nelle medesime condizioni ambientali vivono per periodi ampiamente variabili, il che dimostra che vi è una componente stocastica*, oltre a fattori genetici e ambientali, che influenza l’inizio e la velocità dell’invecchiamento. Questa variabilità induce a ritenere che la risposta di cellule, tessuti, organismi agli stress ambientali non sia inevitabile, ma vi sia una certa “malleabilità”, che può modificare il tempo di insorgenza dell’insufficienza dei meccanismi omeostatici che portano al fenotipo invecchiato. * Un evento stocastico avviene senza regole, quindi è casuale o occasionale

21 A queste osservazioni empiriche sulle variazioni relativamente piccole della lunghezza della vita nell’ambito della stessa specie (a dispetto delle varianti stocastiche) fa contrasto l’osservazione sperimentale che mutazioni genetiche ed interventi ambientali, soprattutto riguardo all’assunzione calorica, possono alterare, in alcuni casi anche di diverse volte, la durata massima della vita di individui della stessa specie. Questi risultati nell’insieme dimostrano l’importanza di fattori interni ed esterni alla cellula che si integrano nella regolazione delle risorse e delle energie investite da ciascun organismo nel mantenimento di cellule e tessuti. Conosciamo oggi una gran varietà di geni e segnali le cui mutazioni possono estendere la durata della vita. Analogamente, variazioni ambientali come la restrizione calorica, la cui efficacia è nota degli anni ‘30 del ‘900, possono aumentare notevolmente la durata della vita.

22 Annu. Rev. Physiol :621–44

23 Riassunto La scoperta delle basi biologiche dell’invecchiamento è una delle più grosse scommesse ancora valide par la scienza. La biologia dell’invecchiamento ha scoperto una gamma di interventi e percorsi che controllano la velocità dell’invecchiamento e ne emerge il quadro di una rete di segnali sensibili allo stato nutrizionale che controlla la crescita, la resistenza alle insidie ambientali e l’invecchiamento; esempi importanti sono il sistema insulina/IGF1 e il bersaglio (target) della rapamicina (TOR) che probabilmente mediano gli effetti della restrizione dietetica sull’invecchiamento. Non sono chiari però i processi biologici che stanno alla base di questo controllo della durata della vita. Una classica assunzione di base afferma che l’invecchiamento è causato da usura e consunzione (wear and tear) particolarmente a livello molecolare: per esempio, le specie reattive dell’ossigeno (ROS), generate come sottoprodotti del metabolismo, sarebbero un’importante causa di questo danneggiamento.

24 Questa teoria è però stata smentita da numerosi recenti risultati sperimentali, aprendo la strada a nuovi scenari, fra cui spicca la teoria dell’iperfunzione: i processi che provocano crescita e riproduzione continuerebbero anche negli stadi avanzati della vita sfociando in patologie ipertrofiche e iperplastiche. LA NATURA E LA MALLEABILITA’ DEL PROCESSO D’INVECCHIAMENTO La perdita di vitalità nel corso del cammino di ogni organismo vivente lungo il percorso necessariamente limitato della sua vita è una verità che non richiede conferme: è a tal punto inesorabile ed inevitabile che si potrebbe considerarla impossibile da spiegare e da sottoporre ad analisi sperimentale. Tutte le macchine fatte dall’uomo si rovinano e alla fine si rompono: perché gli organismi viventi non dovrebbero seguire la stessa sorte? D’altra parte, il processo d’invecchiamento è molto malleabile.

25 Non è proprio chiaro che cosa non vada bene durante l’invecchiamento e non sappiamo quali siano le cause meccanicistiche di questo deterioramento. Infine, se abbiamo trovato dei modi per rallentare l’invecchiamento in animali da laboratorio, non abbiamo ancora capito come essi funzionino. L’invecchiamento è davvero complicato perché avvengono molti cambiamenti contemporaneamente in diverse parti del corpo e a diversi livelli di organizzazione biologica: macromolecole, organelli, cellule, tessuti ed interi sistemi. Un altro problema è distinguere fra effetti collaterali che probabilmente non comportano diminuzioni funzionali, come l’incanutimento del pelo umano, ed effetti di importanza vitale, compresi quelli responsabili di patologie legate alla vecchiaia. Vi sono elementi comuni del processo d’invecchiamento in organismi diversissimi e inter- venti uguali possono migliorare la saluta e le funzioni negli individui vecchi, proteggerli dalle patologie specifiche e aumentare la durata della vita. Questa conservazione evolutiva è stata confermata prima di tutto per gli effetti della nutrizione.

26 Una rete di segnali molto antica e conservata durante l’evoluzione, basata sul riconoscimento dello stato nutrizionale, gioca un ruolo importante nella regolazione dell’invecchiamento: a) vermi ( Caenorhabditis elegans ), b) insetti, c) topo. Abbreviazioni: FOXO, forkhead box O transcription factor; IGF-1, insulin- like growth factor 1

27 Aminoacidi specifici giocano un ruolo chiave nell’aumento della vita legato alla restrizione dell’assunzione di cibo (CR = calorie restriction). Le prime mutazioni di un solo gene che prolungava la vita furono scoperte nel C. elegans ed era incluso nella via insulina/IGF-1 (IIS = insulina/IGF-1 signaling pathway): una via che associa i processi che consumano (crescita, metabolismo, riproduzione) con la disponibilità di nutrienti. Topi mutanti per questi geni quando sono vecchi hanno una migliore gestione del glucosio, un profilo immunitario migliorato e una buona performance neuromuscolare, mentre sono protetti da osteoporosi, cataratta, dermatite ulcerosa: un miglioramento a largo spettro delle condizioni di salute che assomiglia a quello della CR. Anche nell’uomo, varianti genetiche naturali della via insulina/IGF-1 si associano ad un prolungamento della vita. La presenza di un uguale meccanismo sensibile ai nutrienti in tante specie animali consente di studiare i meccanismi dell’invecchiamento che sono importanti anche per l’uomo. La IIS è intimamente legata alla via TOR, in maniera reciproca.

28 COME FANNO LE VIE SENSIBILI AI NUTRIENTI A CONTROLLARE L’INVECCHIAMENTO? CR e ridotta attività delle vie sensibili ai nutrienti devono in qualche modo alterare meccanismi biochimici a valle o riducendo processi che danneggiano le funzioni e peggiorano la salute oppure aumentando attività che proteggono dall’invecchiamen- to: questo è causato dall’accumulo di danni cellulari e la sua velocità dipende dall’intensità relativa dell’accumulo del danno e dai meccanismi somatici di mantenimento. Invecchiamento come iperfunzione I processi che stanno alla base dell’accrescimento e della riproduzione nella prima parte della vita continuano più avanti a livelli aumentati, provocando patologie e morte: coinvolgono GH, IGF-1 e TOR*. Autofagia e riduzione della produzione proteica potrebbero ritardare l’invecchiamento sopprimendo ipertrofia e iperplasia. * Il riconoscimento di una specifica via genica implicata nella regolazione dell’invecchiamento non indica necessariamente quale sia l’effetto specifico, anzi talvolta gli effetti sono contraddittori

29 Annu. Rev. Physiol :645–68

30 I due rami principali del mantenimento del genoma e i loro effetti sul fenotipo

31 Per instabilità del genoma si intende la sua naturale tendenza ad alterarsi in condizioni fisiologiche, in 3 modalità: a) danno chimico al DNA (rotture ad una o entrambe le eliche, legami crociati fra basi, anche fra eliche, depurinazione o depirimidinazione degli zuccheri); b) mutazioni (aggiunta, sottrazione o scambio di pezzetti di codice genetico); c) epimutazioni (alterazioni del DNA senza mutazioni). L’invecchiamento è causato dall’accumulo di mutazioni del DNA. DANNO, RIPARAZIONE E MUTAZIONE DEL DNA. Il danno modifica la struttura chimica mentre la mutazione cambia il contenuto di informazioni. I danni sono provocati da cause interne (acqua e ossigeno) ed esterne (radiazioni). I sistemi di riparazione del DNA ne controllano continuamente la composizione e mantengono alti livelli di integrità genomica in condizioni fisiologiche. La risposta cellulare ai danni del DNA è di due tipi: le cellule in proliferazione si arrestano temporaneamente per riparare il danno; invece l’arresto definitivo della mitosi è denominato senescenza ed è associato alle manifestazioni biologiche dell’invecchiamento. Alla fine, la cellula senescente può essere eliminata per apoptosi.

32 Descrizione schematica dei principali meccanismi di riparazione del DNA nelle cellule di mammifero suddivise sulla base di specifiche forme di danno.

33 Molte cellule muoiono nei tessuti durante lo sviluppo ma nell’adulto la frequenza di apoptosi è bassa: in effetti un maggiore grado di apoptosi prolunga la vita. Gli errori avvengono durante la riparazione del DNA, sia in fase di replicazione sia in cellule che non si dividono. La riparazione del DNA e il mantenimento del genoma sono un meccanismo di sopravvivenza fondamentale, che però spesso avviene a costo di mutazioni. Modificazioni casuali del DNA hanno spesso effetti negativi: le malattie ereditarie sono conseguenza di mutazioni nelle cellule germinali, così come i cancri, la principale malattia legata alla vecchiaia. Ci si chiede perciò perché le mutazioni non sono completamente soppresse? Una buona ragione è che se tutti gli alleli fossero fissi gli organismi non potrebbero adattarsi alle modificazioni ambientali e non ci sarebbe vita nella terra. L’invecchiamento non è controllato da un programma genetico specifico, come invece lo è lo sviluppo: non porta alcun vantaggio e sembra solo una conseguenza logica della tendenza della selezione naturale a rimandare le azioni dannose dei geni fino a tarda età; non c’è selezione contro i geni pericolosi della tarda età.

34 INSTABILITÀ DEL GENOMA E INVECCHIAMENTO: L’IMMORTALITÀ DELLA LINEA GERMINALE Se l’instabilità genica è il principale meccanismo dell’invecchiamento, ci si deve aspettare che: a) i vari tipi di danno al DNA si accumulino con l’età; b) gli organismi più longevi abbiano un sistema di mantenimento migliore; c) la longevità sia associata a varianti polimorfe dei geni del mantenimento. Nell’embrione, composto di cellule non definitive, le opportunità per il mantenimento dei geni sono più efficaci: questo spiega perché le linee germinali sfuggano all’estinzione dovuta a mutazioni spontanee. La selezione si prolunga fino alla fine della gestazione: soltanto il 30% dei concepimenti arriva alla nascita e più di metà dei feti abortiti ha anomalie cromosomiche, e probabilmente questo numero è sottostimato. Insomma, la frequenza delle mutazioni all’inizio della vita è molto elevata, ma le conseguenze funzionali sono limitate dalla selezione.

35 ACCUMULO DI ALTERAZIONI GENETICHE CON L’ETÀ Alla fine dello sviluppo, la divisione cellulare diminuisce molto, ma non cessa completamente, nemmeno negli organismi considerati postmitotici: nei mammiferi le divisioni cellulari sono necessarie per mantenere stabile il numero delle cellule, soprattutto in tessuti che proliferano rapidamente, come l’intestino, il tessuto emopoietico e l’epidermide. Con il passare del tempo, si accumulano alterazioni geniche che non possono più essere controllate dalla selezione, benché i sistemi di riparazione del DNA siano molto efficienti: vi è una situazione omeostatica fra la comparsa di lesioni e la loro riparazione. Può darsi che negli anziani la capacità di riparare le lesioni sia compromessa. Al contrario del danno al DNA, che è reversibile, gli errori che sopravvengono durante la riparazione sono irreversibili e si accumulano con l’età. Siccome le mutazioni si accumulano a caso, i tessuti somatici diventano in realtà un mosaico di genotipi. La variazione del numero di coppie (CNV) è la principale causa di polimorfismo e quando i geni modificati si associano a quelli normali possono provocare difetti funzionali. Le modificazioni somatiche si amplificano per clonazione e possono essere la causa della malattie legate all’età.

36 VARIAZIONI DELL’EPIGENOMA L’epigenoma - lo strato di informazione genica sovrapposto all’elica del DNA – può ben essere più esposto a modificazioni del DNA stesso. Durante la replicazione e la riparazione del DNA, l’epigenoma che regola l’organizzazione della cromatina deve essere tirato giù e riassemblato: può cambiare con l’età la conformazione del DNA, ma si è posta molta attenzione a fenomeni di metilazione, che certamente si modificano molto con l’età. Nell’invecchiamento, certe risposte fisiologiche, per esempio allo stress, possono richiedere modificazioni sistematiche della metilazione, che sono certamente esposte a variazioni casuali più del DNA stesso. MUTAZIONI DEL DNA MITOCONDRIALE Infine, c’è stata grande discussione sul possibile ruolo di mutazioni del genoma mitocondriale (mtDNA) come causa del processo di invecchiamento: l’interesse deriva dell’esposizione di questo genoma ai ROS, dato che nei mitocondri avviene la fosforilazione ossidativa, di cui i ROS sono un inevitabile sottoprodotto. La frequenza di mutazione del mtDNA è molto elevata, ma ogni cellula ne contiene tantissimo, per cui la probabilità che ne derivino danni funzionali è bassa; però l’accumulo di mutazioni può superare una soglia e manifestare effetti fisiologici, in particolare alterazioni delle catene respiratorie.

37 CONSEGUENZE DELLE VARIAZIONI CASUALI DEL GENOMA Benché si sia sempre pensato che le modificazioni delle sequenze di proteine fossero alla base dell’evoluzione, in un articolo del 1975 King & Wilson facevano notare che la composizione media dei polipeptidi umani è identica per il 99% a quella dello scimpanzé e quindi le differenze fra queste specie devono essere attribuite a modificazioni genetiche del controllo dell’espressione genica. Oltre alle cellule germinali, anche quelle somatiche partecipano alla selezione naturale attraverso la regolazione dell’espressione genica. Ma com’è possibile che modificazioni molecolari casuali delle cellule provochino simili fenotipi specifici dell’invecchiamento? La maggior parte delle mutazioni appaiono in piccoli numeri e quindi come possono mutazioni di scarsa abbondanza portare a variazioni fenotipiche comuni? Soltanto una piccola percentuale delle cellule dovrebbe essere interessata alle mutazioni di un gene critico. D’altra parte, le funzioni di cellule e tessuti dipendono da reti di regolazione dei geni e un danno in un punto qualunque della rete può avere effetti negativi. Ecco perché le conseguenze di una singola mutazione casuale si possono propagare a tutta la rete e compromettere la funzione. Questo conduce a fenotipi di invecchiamento molto simili.

38 GENETICA DELL’INSTABILITÀ GENOMICA L’invecchiamento e la longevità sono determinate geneticamente, almeno in parte, ed è logico che variazioni genetiche in punti che codificano per geni coinvolti nel mantenimento del genoma siano legate ad alterazioni della durata della vita. Considerando la grande variabilità fra specie, dai 30 giorni dei vermi ai 100 anni dell’uomo, si deve pensare che questa rifletta importanti differenze nel genoma, e se la longevità dipende dal livello di instabilità del genoma, allora i sistemi che se ne fanno carico devono giocare un ruolo fondamentale nel determinare la durata della vita. Ci sono sindromi di invecchiamento precoce nell’uomo, sempre dovute a difetti ereditari del mantenimento del genoma, e l’alterazione di questi geni nei topi riproduce il fenotipo di invecchiamento precoce; sarebbe importante dimostrare che l’inattivazione degli stessi geni responsabili dell’invecchiamento prolunghi la vita. La longevità ha una componente genetica di circa il 25%.

39 Alcuni tipi comuni di mutazione. Mutazioni puntuali riguardano un paio di basi; la trasposizione sposta segmenti di DNA lungo lo stesso cromosoma o verso un altro; quando si tratta di segmenti lunghi si parla di traslocazione. La cancellazione o l’inserzione può limitarsi ad un singolo paio di basi o coinvolgerne milioni. Nell’inversione, segmenti di DNA hanno invertito la loro direzione. Oltre a queste mutazioni semplici, ve ne sono di molto complicate, per le quali è difficile riconoscere l’origine.

40 L’accumulo di alterazioni genomiche trasformano i tessuti in mosaici genetici. L’aumento delle mutazioni è rappresentato da un codice a colori: può accadere che alcune cellule accumulino una combinazione particolarmente sfortunata di alterazioni geniche e si trasformino in tumore (cellule grigie)

41 L’impatto di variazioni dei geni che presiedono al mantenimento genomico sul fenotipo a livello cellulare, di tessuto/organo, dell’intero organismo

42 Annu. Rev. Physiol :669–84

43 Abstract Gli organismi viventi, uomo incluso, invecchiano: col passare del tempo la capacità di eseguire lavoro fisico o intellettuale diminuisce, aumenta la suscettibilità a malattie infettive, metaboliche e neurodegenerative, il benessere generale declina e arriva la morte. Manipolazioni genetiche e ambientali possono evitare molte malattie associate all’età, migliorare la salute in età avanzata ed aumentare la durata della vita. La restrizione calorica (CR) (consumo di diete povere di calorie ma contenenti tutti gli alimenti essenziali) è il tipo di manipolazione genetica o ambientale più efficace per estendere la durata della vita e migliorare gli indicatori di salute in animali da esperimento. Tuttavia nella vita reale la CR ha effetti molto meno sicuri. Comprendere i meccanismi è importante: le sirtuine, enzimi dipendenti da NAD + mediano numerose risposte metaboliche e comportamentali alla CR.

44 INTRODUZIONE Ha circa 80 anni la dimostrazione inattesa ed illogica che ritardare la crescita di topi attraverso la restrizione calorica allunga la loro vita; in seguito questo concetto è stato esteso a numerosi organismi, come lieviti, vermi, mosche, ragni, topi e probabilmente scimmie. All’allungamento della vita si associa la prevenzione o il ritardo e la minore aggressività di molte patologie legate all’invecchiamento. Nell’uomo non è affatto facile mantenere un regime di restrizione calorica per tutta la vita e gli inconvenienti possono essere maggiori dei benefici: per questo si può pensare a terapie basate sui meccanismi molecolari della CR. I meccanismi consistono in alterazioni del metabolismo energetico, della risposta al danno ossidativo, della sensibilità insulinica, dell’infiammazione e dei sistemi neuroendocrino, paracrino e riproduttivo.

45 Vi devono essere dei regolatori metabolici che analizzano l’introduzione calorica e influenzano i segnali cellulari che inducono invecchiamento e malattie. Le sirtuine sono enzimi dipendenti dal NAD+, che ne fa un meccanismo capace di legare lo stato nutrizionale con i programmi genetici delle cellule. In molte specie, la CR riduce la fertilità e la temperatura: si è proposto un legame fra metabolismo basale, temperatura e longevità. La CR riduce anche l’incidenza dei cancri. RUOLO DELLE SIRTUINE NELLA FISIOLOGIA E NEL METABOLISMO La sirtuina più studiata è la SIRT-1, che agisce sugli adipociti attraverso il PPAR (peroxisome proliferator-activated receptor) e attiva il metabolismo ossidativo nel muscolo, grasso e fegato aumentando la sensibilità all’insulina e bloccando l’invecchiamento. SIRT-1 controlla la gluconeogenesi epatica e attiva i geni necessari per il digiuno prolungato, incentivando la formazione di corpi chetonici. Controlla l’infiammazione.

46 RUOLO DELLE SIRTUINE NELL’INVECCHIAMENTO E MALATTIE AD ESSO ASSOCIATE Considerato che l’invecchiamento è il principale fattore di rischio per malattie cardiovascolari, diabete, sindromi neurodegenerative e cancro, SIRT-1 media gli effetti di CR nell’aumento della longevità; la sua concentrazione aumenta nella restrizione calorica cronica. Pertanto, la manipolazione genetica di SIRT-1 o il digiuno riducono l’incidenza della malattia di Alzheimer, di Hungtington, di Parkinson e della sclerosi laterale amiotrofica.

47 SIRT-1 INFLUENZA PROCESSI NEUROLOGICI: MEMORIA, UMORE, COMPORTAMENTO Animali con eliminazione genetica di SIRT-1 hanno funzioni cognitive compromesse. SIRT-1 è coinvolta anche nei ritmi circadiani. I ratti sottoposti a CR diventano meno aggressivi e hanno una minore attività sessuale, mentre le scimmie deprivate di cibo sono più aggressive durante i pasti. Lo stato nutrizionale dei genitori può avere effetti duraturi sul comportamento della prole, che tende ad essere depressa. La restrizione calorica influenza molte funzioni fisiologiche, che possono modificare la salute e la durata della vita. I principali geni coinvolti sono quelli che codificano i sensori nutrizionali, come le sirtuine, AMPK, TOR e sensibilità insulinica. Gli effetti di CR comprendono la riduzione dei cancri, la soppressione della riproduzione, alterazioni di funzioni metaboliche (maggiore ossidazione dei grassi), alterazioni comportamentali (ansia e depressione, maggiore aggressività), migliore riparazione del DNA.

48 Le sirtuine sono una famiglia di proteine molto comuni (dai batteri all’uomo): hanno diverse attività enzimatiche e localizzazioni intracellulari.

49 SIRT-1 media la risposta epatica al digiuno. All’inizio, CREB/CRTC2 aumentano la gluconeogenesi e stimolano la produzione di SIRT-1: con meccanismo a feedback negativo, questa deacetila la CRTC2 inattivandola, mentre attiva la PGC-1 e FOXO, fattori trascrizionali che producono geni necessari per la risposta al digiuno prolungato.

50 SIRT-1 e -6 sopprimono l’infiammazione e riducono la formazione di geni proinfiammatori.

51 SIRT-3 controlla il funzionamento dei mitocondri, attivando molti enzimi del metabolismo e la detossificazione dei ROS

52 SIRT-1 nel cervello entra in numerosi processi che controllano lo stato di salute, la neurogenesi e il comportamento

53 Aging, Cellular Senescence, and Cancer Judith Campisi Buck Institute for Research on Aging, Novato, California 94945; Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, California 94720; Annu. Rev. Physiol :685–705 L’invecchiamento è una caratteristica universale degli organismi biologici ed è caratterizzato da un declino progressivo delle funzioni di cellule e tessuti; quando questi sono rinnovabili, aumenta l’iperplasia, la cui forma più grave è il cancro. Perché questo avviene? Gli eventi naturali colpiscono singoli individui di una specie, limitando il numero di quelli che arrivano ad un’età avanzata e perciò sono pochi quelli su cui può operare la selezione naturale per eliminare geni e alleli con effetti deleteri legati all’età, in particolare quelli che invece hanno effetti positivi nei giovani. Cioè, la selezione naturale non elimina geni che promuovono la sopravvivenza all’inizio della vita ma causano danni in tarda età (pleiotropia antagonistica)

54 La degenerazione che provoca graduale perdita di funzioni va dal livello molecolare a quello dell’intero organismo e colpisce quasi tutte le specie, anche se la suscettibilità a diverse patologie è variabile. La comparsa di patologie legate all’età ha un andamento esponenziale, a partire da circa la metà della durata media di vita (50-60 anni nell’uomo). Fra gli organismi multicellulari con tessuti rinnovabili vi è un’altra caratteristica legata all’età: l’aumento di funzione che fa proliferare le cellule (iperplasia) in maniera inappropriata e l’instabilità genomica che accentua la propensione delle cellule a proliferare, migrare e colonizzare siti ectopici, diventando più resistenti agli insulti ambientali e sfuggendo al sistema immunitario. I fenotipi che ne derivano sono naturalmente segni tipici del cancro. C’è almeno un processo – denominato senescenza (cellulare)– che lega diversi aspetti dell’invecchiamento, che sia degenerativo o iperplastico. La senescenza cellulare è un arresto irreversibile della proliferazione di fronte a stimoli potenzialmente oncogeni: la senescenza potrebbe essere proprio un’essenziale difesa contro lo sviluppo di cancri. È un processo irreversibile perché non si conoscono stimoli fisiologici che possano interromperla (cioè far rientrare le cellule nel ciclo riproduttivo).

55 Stimoli potenzialmente oncogeni: danni al DNA; intensi segnali mitogeni, compresi quelli attivati da oncogeni; alterazioni dell’epigenoma; espressione ectopica di certi soppressori dei tumori. Molteplici conseguenze: soppressione della tumorigenesi; promozione della riparazione ottimale dei tessuti; ma anche stimolazione della produzione di cancri e di malattie degenerative.

56 Le cellule senescenti subiscono ampie variazioni dell’organizzazione della cromatina e dell’espressione genica, con secrezione di citochine proinfiammatorie, chemochine, fattori di crescita e proteasi, costituendo il cosiddetto fenotipo secretorio senescente (SASP): questo ha molte attività paracrine, che lo indicano non soltanto come un sistema dedicato alla prevenzione dei cancri, perché può anche promuovere la riparazione dei tessuti e la rigenerazione dopo danneggiamento. Danni genomici o epigenomici attivano la risposta al danno del DNA (DDR), che innesca una serie di meccanismi, compresa l’attivazione di SASP, controllata a feedback negativo, e infine l’arresto della crescita cellulare

57 Le mille attività del SASP, che dipendono dal contesto fisiologico: stimolazione dell’angiogenesi, stimolazione e inibizione della crescita cellulare, chemioresistenza dei tumori, transizione mesenchimale-epiteliale, infiammazione cronica, influenza sulla trasformazione di cellule staminali, ottimizzazione della riparazione dei tessuti.

58 CAUSE DELLA SENESCENZA CELLULARE La senescenza fu riconosciuta in vitro da Hayflick circa 50 anni fa, che si accorse che colture di fibroblasti non proliferano indefinitamente, quindi queste cellule hanno una vita riproduttiva limitata e poi vanno incontro a senescenza. Accorciamento dei telomeri. Le terminazioni di molecole di DNA lineari non possono essere replicate completamente e perciò i telomeri, i frammenti di proteine del DNA che terminano i cromosomi, si accorciano ad ogni divisione cellulare, se non sono ripristinati da specifici enzimi (telomerasi) presenti solo in alcuni casi. Quindi, divisioni cellulari ripetute in assenza di telomerasi finiscono per rendere mal funzionanti i telomeri e questo stimola la risposta al danno del DNA (DDR), ma blocca la riparazione del danno. Il DDR blocca la divisione cellulare e limita l’instabilità genomica. Ma i telomeri rotti non possono essere riparati e quindi il meccanismo non si interrompe e la cellula diventa senescente. Molti segnali mitogeni (es. MAPK) che stimolano la proliferazione inducono senescenza quando sono esagerati. Anche perturbazioni dell’epigenoma possono indurre senescenza. Il danno genomico attiva il DDR, che mette in moto la via p53/p21, con un andamento iniziale rapido e intenso, che può persistere a bassi livelli se la risposta non è adeguata.

59 CARATTERISTICHE DELLA SENESCENZA CELLULARE Le cellule senescenti, oltre che per il blocco permanente della crescita, sono identificate da diverse caratteristiche e marcatori molecolari, benché nessuno sia esclusivo. Quindi mancano i marcatori della crescita, le cellule sono dilatate e appiattite e manifestano il SASP, che comprende un gran numero di citochine, chemochine, fattori di crescita e proteasi: alcuni di questi fattori possono avere effetti sia benefici sia deleteri. Il SASP può stimolare la proliferazione cellulare e la neoformazione di vasi, ma molte proteine hanno effetti complessi sulle cellule, come i modulatori di WNT (group of signal transduction pathways made of proteins that pass signals from outside of a cell through cell surface receptors to the inside of the cell), e promuovono l’infiammazione anche cronica e diffusa.signal transductionproteins Il SASP è stimolato dai segnali DDR quando sono persistenti e si sviluppa lentamente. È sempre più evidente che i fenomeni dell’invecchiamento sono dovuti all’accumulo di cellule senescenti, che danneggiano i tessuti e inducono patologie associate all’età tramite SASP.

60 ESEMPI: L’aggiunta di fibroblasti senescenti a colture di epitelio mammario distrugge la tipica struttura e la produzione di proteine del latte, in particolare tramite MMPs. Cellule muscolari lisce polmonari senescenti fanno aumentare lo spessore delle arterie e sono alla base dell’ipertensione polmonare. Cellule senescenti sono state trovate nella cute invecchiata. Le cellule senescenti possono anche condurre a patologie degenerative e iperplastiche. Quindi le cellule senescenti si accumulano con l’età e creano un microambiente tessutale favorevole per lo sviluppo e la progressione dei cancri. Nello stesso tempo, alcuni elementi del SASP limitano la proliferazione di cellule tumorali e ne arrestano la crescita. Le cellule senescenti attraverso il SASP stimolano il sistema immunitario ad eliminare cellule che esprimono oncogeni e controllano anche in questo modo lo sviluppo dei cancri. Contemporaneamente però le cellule senescenti possono essere meno esposte al sistema immunitario e quindi accumularsi: ecco perché gli anziani sono più esposti alle malattie infettive. Il SASP però può anche promuovere la riparazione ottimale di altri danni tessutali, per esempio limitando lo sviluppo di fibrosi.

61 SOMMARIO 1.L’invecchiamento è caratterizzato da numerosi fenotipi e malattie, molti dei quali derivano da alcuni processi comuni di invecchiamento 2.La senescenza cellulare è una risposta all’insulto che sopprime i cancri all’inizio della vita ma può diventare un processo basilare dell’invecchiamento che determina fenotipi specifici delle malattie della vecchiaia 3.Le cellule senescenti si accumulano con il passare degli anni in molti tessuti e sono presenti in concomitanza con patologie della vecchiaia sia degenerative sia iperplastiche 4.Le cellule senescenti esprimono uno specifico fenotipo secretorio (SASP) che provoca l’abbondante secrezione di numerose citochine proinfammatorie, chemochine, fattori di crescita e proteasi 5.Il SASP ha effetti sia deleteri sia utili, a seconda del contesto fisiologico 6.Fra gli effetti deleteri c’è l’induzione di uno stato infiammatorio cronico locale e talvolta sistemico, la scomposizione delle strutture e della funzione dei tessuti e la facilitazione di cancri ricorrenti e della tarda età

62 7.Fra gli effetti benefici c’è l’arresto della crescita tumorale, la stimolazione dell’asportazione immunitaria delle cellule senescenti, l’ottimizzazione della riparazione di tessuti danneggiati 8.La presenza transitoria di cellule senescenti può essere benefica mentre la presenza cronica può essere dannosa In conclusione, il progressivo sviluppo del “fenotipo invecchiato” presenta aspetti contraddittori, dove alla perdita di funzione e alle modificazioni strutturali si accompagnano sia meccanismi distruttivi (cancro e minore difesa dalle infezioni) sia meccanismi protettivi (prevenzione del cancro, migliore riparazione delle ferite per ridotta fibrosi). La scommessa sarebbe di sfruttare gli aspetti positivi evitando quelli negativi attraverso interventi specifici. L’esercizio fisico cronico (allenamento), anche se iniziato in tarda età, offre molteplici spunti per vincere la scommessa.

63 ULTERIORI LETTURE CONSIGLIATE: PLOS Medicine November 2012 | Volume 9 | Issue 11 | e www.plosmedicine.org Leisure Time Physical Activity of Moderate to Vigorous Intensity and Mortality: A Large Pooled Cohort Analysis Steven C. Moore 1 *, Alpa V. Patel 2, Charles E. Matthews 1, Amy Berrington de Gonzalez 1,Yikyung Park 1, Hormuzd A. Katki 1, Martha S. Linet 1, Elisabete Weiderpass 3,4,5,6, Kala Visvanathan 7, Kathy J. Helzlsouer 7, Michael Thun 2, Susan M. Gapstur 2, Patricia Hartge 1, I-Min Lee 8 EXPERIMENTAL STUDIES ON GROWTH: ON THE GROWTH OF ANIMALS RELATIVELY LONG LIVED COMPARED WITH THAT OF RELATIVELY SHORT LIVED ANIMALS T. Brailsford Robertson and L. A. Ray 1920, 42: J. Biol. Chem. The biological clock keeps ticking, but exercise may turn it back O relógio biológico não para, mas o exercício físico pode atrasar o tempo Andrea Deslandes Arq Neuropsiquiatr 2013;71(2): Caloric restriction and its mimetics Shin-Hae Lee & Kyung-Jin Min * Department of Biological Sciences, Inha University, Incheon , Korea BMB Reports 2013; 46(4):

64 Calorie restriction and the exercise of chromatin Alejandro Vaquero and Danny Reinberg GENES & DEVELOPMENT 23:1849–1869 ; 2009 Mitochondrial function as a determinant of life span Ian R. Lanza & K. Sreekumaran Nair Pflugers Arch - Eur J Physiol (2010) 459:277–289 Dietary Interventions to Extend Life span and Health span Based on Calorie Restriction Robin K. Minor, Joanne s. Allard, Caitlin M. Younts, Theresa M. Ward, and Rafael de Cabo Laboratory of Experimental Gerontology, National Institute on Aging, National Institutes of Health, 251 Bayview Boulevard, suite 100, Room 9C-218, Baltimore, Maryland. J Gerontol A Biol Sci Med Sci July;65(7):695–703 Long-term physical exercise induces changes in sirtuin 1 pathway and oxidative parameters in adult rat tissues S. Bayod a,e, J. del Valle a,d,e, J.F. Lalanza b,d, S. Sanchez-Roige b,d, B. de Luxán-Delgado c, A. Coto-Montes c, A.M. Canudas a,e, A. Camins a,e, R.M. Escorihuela b,d, M. Pallàs a,d, Unitat de Farmacologia i Farmacognòsia. Facultat de Farmàcia, Institut de Biomedicina (IBUB), Universitat de Barcelona, Nucli Universitari de Pedralbes, Barcelona, Spain b Departament de Psiquiatria i Medicina Legal, Facultat de Medicina, Universitat Autònoma de Barcelona, Bellaterra, Barcelona, Spain c Departamento de Morfología y Biología Celular, Facultad de Medicina, Universidad de Oviedo, Oviedo, Spain d Institut de Neurosciènces, Universitat Autònoma de Barcelona, Bellaterra, Spain e Centros de Investigación Biomédica en Red de Enfermedades Neurodegenerativas (CIBERNED), Spain Experimental Gerontology 47 (2012) 925–935

65 Redox-regulating sirtuins in aging, caloric restriction, and exercise Zsolt Radak a,b,n, Erika Koltai a, Albert W. Taylor a, Mitsuru Higuchi a,b, Shuzo Kumagai c, Hideki Ohno d, Sataro Goto a, Istvan Boldogh e a Research Institute of Sport Science, Semmelweis University, H-1085 Budapest, Hungary b Graduate School of Sport Sciences, Waseda University, Saitama, Japan c Institute of Health and Sports Science & Medicine and Graduate School of Human–Environment Studies, Kyushu University, Kasuga, Fukuoka , Japan d Department of Molecular Predictive Medicine and Sport Science, School of Medicine, Kyorin University, Mitaka, Tokyo, Japan e University of Texas Medical Branch at Galveston, Galveston, TX 77555, USA Free Radical Biology and Medicine 58 (2013) 87–97 https://www.fightaging.org/articles/ Fight Aging! Articles The Retardation of Aging in Mice by Dietary Restriction: Longevity, Cancer, Immunity and Lifetime Energy Intake1 RICHARD WEINDRUCH, ROY L. WALFORD, SUZANNE FLIGIEL2 ANDDONALD GUTHRIE* Department of Pathology, University of California, Los Angeles, CA and 'Mental Retardation Research Center, University of California, Los Angeles, CA J. Nutr. 116: , 1986.


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