La Genetica dell’invecchiamento Ricerca di mutazioni che influenzano (allungamento) la durata della vita mediante approcci di Genetica classica. Il vantaggio di tali approcci è che non è necessaria alcuna teoria aprioristica sull’invecchiamento.

Sistemi modello per lo studio della genetica dell’invecchiamento

Sistemi modello per lo studio della genetica dell’invecchiamento

Caenorabditis elegans

Il gene age-1 Nel 1988 Klass e Johnson dell’Università del Colorado hanno isolato la prima mutazione, denominata age-1, che estende in maniera significativa la durata della vita

Cosa sono i geni daf? Come può una singola mutazione genica produrre un grande cambiamento nella durata della vita? Una spiegazione plausibile è scaturita dallo studio dei geni daf Cosa sono i geni daf?

Le larve “dauer” Sono larve che si formano, arrestando lo sviluppo al terzo stadio, quando il cibo diventa scarso e la densità di popolazione diventa molto alta. Tali larve sono una forma di resistenza alle difficoltà ambientali: “dauer” dal tedesco “dauern” = “resistente”. Sono resistenti agli stress e l’ispessimento della loro cuticola le rende anche resistenti ai detergenti ed altre sollecitazioni ambientali

Le larve “dauer” Con l’aumento del cibo e la diminuzione della densità di popolazione, le larve escono dallo stadio di “dauer” e si sviluppano in adulti. IMPORTANTE! La lunghezza del tempo trascorso come forma “dauer” non ha alcun effetto sulla durata dell vita dell’adulto. Conclusione: Le forme “dauer” non invecchiano.

I geni daf Sono geni che controllano la formazione della larva “dauer”: daf (dauer formation). Sono stati identificati circa 30 di questi geni mediante analisi mutazionale. Due classi di fenotipi mutanti: Mutanti “dauer” costitutivi (daf-c) Mutanti “dauer” difettivi (daf-d)

I geni daf L’analisi fenotipica di diverse combinazioni di mutazioni daf-c e daf-d, ha permesso di ordinarli in una “complessa e ramificata via metabolica”.

I geni daf Un ramo di questa via metabolica, che include geni daf-c (daf-2, age-1) e geni daf-d (daf-16), influenza anche la durata della vita dell’adulto.

Le mutazioni age-1 e daf-2 estendono la durata della vita Questo effetto viene soppresso da mutazioni in daf-16

IPOTESI Implicazione importante La longevità dei mutanti dipende dall’espressione “eterocronica” del programma di incremento della longevità della larva “dauer”. Implicazione importante La formazione della larva dauer non è un emplice arresto dello sviluppo o dormienza, ma è piuttosto un programma che assicura una longevità “dauer” specifica.

I geni daf daf-2 codifica un recettore di membrana simile ai recettori dell’insulina e del fattore di crescita simile all’insulina (IGF-I) age-1 codifica la subunità catalitica di una kinasi lipidica coinvolta nella trasmissione del segnale dalla superfice cellulare all’interno delle cellule. daf-16 codifica un fattore di trascrizione che viene regolato dall’insulina e da IGF-I.

La localizzazione nucleare di daf-16 dipende da daf-2

daf-2 influenza la longevità anche attraverso una via indipendente da daf-16? Mutazioni nel sito (AKT) di fosforilazione di DAF-16 producono una forma che risiede costitutivamente nel nucleo. Questa forma mutata è funzionale in quanto sopprime: il fenotipo difettivo nella formazione della dauer nei mutanti daf-16 2. il fenotipo difettivo nella formazione della dauer e l’accorciamento della durata della vita nei doppi mutanti daf-16/daf-2 Tuttavia non ha effetto sulla durata della vita in daf-2+

I geni clk (abnormal function of biological clocks) I geni clk agiscono in modo diverso dai geni daf. I mutanti clk vivono lentamente: risultano rallentati il ciclo cellulare, lo sviluppo embrionale e post-embrionale, la riproduzione e l’invecchiamento. I mutanti clk mostrano effetto materno.

Sinergismo tra le mutazioni daf e clk

I geni clk clk-1 codifica una idrossilasi mitocondriale altamente conservata, necessaria per la biosintesi dell’ubiquinone un co-fattore coinvolto nella catena di trasporto degli elettroni. clk-2 codifica una proteina coinvolta nel metabolismo dei telomeri. I mutanti clk-2 hanno i telomeri allungati. gro-1 codifica l’enzima isopentenilpirofosfato: tRNA transferasi (IPT) che modifica un sottogruppo di tRNA.

Correlazione tra la lunghezza di sviluppo e la durata della vita dell’adulto in C. elegans

Bilanciamento tra produzione del danno e riparazione in C. elegans

I geni eterocronici I geni eterocronici sono geni di “identità temporale” che determinano il destino differenziativo delle cellule in tempi specifici dello sviluppo. Mutazioni in tali geni producono alterazioni temporali nei patterns di sviluppo stadio specifici.

I geni eterocronici lin-4 e lin-14 In C. elegans lin-4 produce un microRNA alla fine del primo stadio larvale che lega in 3’UTR di lin-14 e ne impedisce la traduzione. Il prodotto di lin-14 è un fattore nucleare, associato al DNA, che assomiglia ad un fattore di trascrizione

A Developmental Timing MicroRNA and Its Target Regulate Life Span in C. elegans Michelle Boehm and Frank Slack Science, 310, 2005

lin-4 e lin-14 hanno effetti opposti sulla durata della vita

L’accumulo di lipofuscina è correlato con durata della vita determinata dalle mutazioni lin-4 e lin-14

La durata della vita nei mutanti lin-4 e lin-14 non dipende dal loro ruolo durante sviluppo larvale

L’effetto del mutante lin-14 richiede l’attività di daf-16. L’effetto del mutante lin-4 richiede l’attività di daf-2

Role of miRNAs in C. elegans aging. Role of miRNAs in C. elegans aging. (A) lin-4 and lin-14 regulate lifespan in C. elegans. lin-4 loss-of-function mutants display shortened lifespans and various accelerated aging phenotypes, whereas lin-14 loss-of-function mutants exhibit extended longevity [not drawn to scale; see Boehm and Slack for lifespan curves (Boehm and Slack, 2005)]. lin-4 and LIN-14 are thought to function in the same pathway as DAF-2 and DAF-16, as illustrated in the lower part of this panel. Therefore, LIN-14 function during aging might result in direct repression of DAF-16 or indirect repression of DAF-16 through DAF-2 activation, which would in either case prevent DAF-16 from activating longevity genes. (B) miR-71, 238, 239, and 246 regulate lifespan in C. elegans. mir-71 mutants (as well as mir-238 and mir-246 mutants) have a shorter lifespan than wild-type animals, whereas mir-239 mutants have a longer lifespan [not drawn to scale; see de Lencastre et al for lifespan curves (de Lencastre et al., 2010)]. Shorter-lived C. elegans also display hallmarks of accelerated aging, such as increased stress sensitivity; the opposite holds true for longer-lived animals. The targets for some of these miRNAs have been established, as illustrated in the lower part of this panel: miR-71 targets AGE-1 and PDK-1 in the IIS pathway, as well as CDC-25.1 and CDK-1, which are involved in cell cycle checkpoints for DNA damage. Additionally, miR-239 activates AGE-1 and PDK-1 through unknown mechanisms (represented with question marks on the diagram). Smith-Vikos T , and Slack F J J Cell Sci 2012;125:7-17 ©2012 by The Company of Biologists Ltd

Figure 1 lin-4 Base Pairs with lin-14 A canonical microRNA, lin-4 , is processed from its precursor transcript by Dicer, and base pairs with a complementary sequence in the 3′UTR of a target, in this case lin-14 mRNA, thereby triggering a cis -act... Victor Ambros microRNAs : Tiny Regulators with Great Potential Cell Volume 107, Issue 7 2001 823 - 826 http://dx.doi.org/10.1016/S0092-8674(01)00616-X

Conclusioni La dimostrazione che due regolatori temporali dell’espressione genica influenzano la durata della vita sembra fornire un supporto alla teoria della durata della vita come il risultato di un programma genetico. Questi risultati sono comunque compatibili anche con la teoria della pleitropia antagonistica.