Invecchiamento cellulare e dell’organismo

Invecchiamento Un problema sociale di enorme importanza nel mondo occidentale; L’Italia é uno dei Paesi piú vecchi del mondo.

Invecchiamento patologico e invecchiamento “fisiologico” Malattie la cui incidenza e le cui manifestazioni sono maggiori con l’avanzare dell’etá: cancro, arteriosclerosi e malattie cardiovascolari, p.es. Accanto a queste “malattie”, l’invecchiamento si manifesta con una complessa serie di “sintomi” legati al progressivo decadimento delle funzioni cellulari Sembrerebbe quindi che la medicina debba o: 1) scoprire cure specifiche per ogni specifica malattia collegata all’invecchiamento, oppure 2) intervenire sull’invecchiamento “fisiologico” per rallentare le manifestazioni “patologiche”.

Non tutte le specie invecchiano nello stesso modo Varie modalità di invecchiamento, varie velocità, varie caratteristiche generalmente associate al processo riproduttivo Tre tipi di senescenza: improvvisa immediata, post-riproduttiva graduale periodo post-riproduttivo in cui insorgono gradualmente fenomeni di invecchiamento non dimostrabile non esiste un periodo post-riproduttivo

Non tutte le specie invecchiano nello stesso modo Varie modalità di invecchiamento, varie velocità, varie caratteristiche generalmente associate al processo riproduttivo Tre tipi di senescenza: improvvisa immediata, post-riproduttiva graduale periodo post-riproduttivo in cui insorgono gradualmente fenomeni di invecchiamento (CI SIAMO ANCHE NOI QUI) non dimostrabile non esiste un periodo post-riproduttivo

Senescenza improvvisa Avviene dopo la riproduzione il periodo pre-riproduttivo può durare...secoli! Insetti: alla metamorfosi l’adulto non ha apparato digestivo (!!!) consuma le sue riserve di energia durante la riproduzione in alcuni ragni (3-4 cm) le riserve possono durare anche 1 anno Api ed insetti sociali: enorme varietà di estensione della vita con lo stesso corredo genetico maschi: muoiono durante la riproduzione lavoratori: non si riproducono, hanno una durata di vita variabile in funzione della stagione regine: vivono fino a 4-5 anni, muoiono all’esaurimento della spermoteca accumulata nel volo nuziale uccise dalle api lavoratrici Vertebrati: Salmone del Pacifico (migra dall’Oceano alle acque dolci per riprodursi e qui muore) Attività neuro-endocrina->ipercortisolismo->invecchiamento repentino (nell’Uomo: sindrome di Cushing) interruzione dell’alimentazione degenerazione delle cellule intestinali perdita delle riserve di grasso corporeo aterosclerosi accelerata degenerazione di alcuni organi (fegato, rene) ed immunodeficit (malattie infettive)

Senescenza non dimostrabile Alcune specie apparentemente non invecchiano e continuano ad avere cicli riproduttivi indefinitamente piante conifere (sequoie): > 5000 anni Animali: molluschi, crostacei (aragoste >20kg, >100 anni almeno), tartarughe (>150 anni) Non c’è evidenza di un periodo post-riproduttivo Non sono evidenti i fenomeni associati all’invecchiamento Non aumenta la probabilità di morte all’aumentare dell’età

Perchè invecchiamo?

Teoria “evolutiva” della senescenza Dal momento che le alterazioni collegate all’invecchiamento si manifestano nell’etá post-riproduttiva, non c’é stata pressione evolutiva per l’eliminazione/mutazione di geni “nocivi” a questo stadio, ma: Se questi ipotetici “geronto-geni” esistono, essi potrebbero essere favoriti dall’evoluzione se giocano un ruolo positivo per la fitness/riproduzione L’invecchiamento come “by-product”

Aging before cell phones …….. 100% SURVIVORS AGE "Natural" Environment (hazards, predators, infection, etc.) 80 yrs 3-4 yrs "Protected" Environment (climate control, biomedical intervention etc.) 40 yrs HUMANS: 4 mos MICE:

Antagonistic Pleiotropy Aging before cell phones …….. 100% SURVIVORS AGE "Natural" Environment (hazards, predators, infection, etc.) "Protected" (climate control, biomedical intervention etc.) Mutation Accumulation ("bad" genes can persist) Antagonistic Pleiotropy (what's good when you're young can be bad when you're old)

Invecchiamento cellulare

Tutte le cellule invecchiano? Ci sono sottopopolazioni di cellule il cui invecchiamento ha più importanza?

Invecchiamento delle cellule staminali Le cellule staminali possono accumulare danni ed andare incontro ad invecchiamento/morte come tutte le altre cellule La perdita del pool di cellule staminali può portare alla perdita del tessuto derivante invecchiamento di cellule ad uno stadio differenziativo più avanzato ha un effetto via via più ristretto

Evidenze per la perdita delle cellule staminali “hair graying” dei topi

Anatomia cellulare dei follicoli/vibrisse del topo

Topi bcl2 -/- topi più vecchi topi più giovani

Invecchiamento del pelo La perdita delle cellule staminali melanocitarie precede la perdita dei melanociti differenziati La perdita del pool staminale (accelerata dalla delezione di bcl2) causa l’ingrigimento del pelo per la perdita della progenie differenziata con l’età Fenomeni analoghi possono avvenire in tutti i tessuti

Lo studio della senescenza replicativa Diversi tipi di cellule umane primarie normali (p.es. fibroblasti) messe in cultura dopo un numero limitato di replicazioni cellulari vanno incontro ad arresto irreversibile del ciclo cellulare e a modificazioni morfologiche denominate “senescenza replicativa” (incapacitá a rientrare in ciclo)

Telomerase and telomeres Telomeres - tips of chromosomes Protect integrity of DNA at the ends of chromosomes Telomerase - recognizes the end of the chromosome and adds repetitive telomeric sequences to maintain the length of the telomere

Cellule umane normali La telomerasi non é espressa nella maggior parte dei tessuti normali La replicazione cellulare (in assenza della telomerasi) causa un progressivo accorciamento dei telomeri Quando I telomeri raggiungono una determinata lunghezza minima, le cellule vanno incontro a senescenza replicativa L’invecchiamento cellulare sembrerebbe essere un meccanismo volto a ridurre il massimo numero di divisioni cellulari possibile, e sfavorire cosí l’accumulo di un numero elevato di mutazioni

Senescenza e danno al DNA l’accorciamento dei telomeri mima un danno al DNA, portando all’innesco del programma di senescenza replicativa L’incapacità di riparare il danno (dovuta all’assenza di telomerasi) innesca una DNA damage response cronica che porta ad invecchiamento cellulare (in alcuni casi, può portare anche ad apoptosi)

Accorciamento dei telomeri e danno al DNA

Telomerasi ed invecchiamento La telomerasi é in grado di immortalizzare cellule normali senza trasformarle (non è un oncogene) I fibroblasti umani normali ingegnerizzati per esprimere la telomerasi sono “immortali” Elisir di lunga vita?

Cellule tumorali: alterata attività ed espressione della telomerasi Nelle cellule tumorali, invariabilmente vi é o un’aberrante espressione della telomerasi, o meccanismi alternativi basati sulla ricombinazione cellulare che consentono di mantenere una lunghezza dei telomeri adeguata La inibizione della telomerasi nelle cellule tumorali potrebbe portare al verificarsi di una “crisi” in quelle cellule, e a morte cellulare

Invecchiamento cellulare ed oncosoppressione Perché la senescenza replicativa: per diminuire la possibilità che una cellula che è andata incontro a mutazioni (danni, errori durante ripetute replicazioni cellulari) possa iniziare il processo di trasformazione tumorale, promuovendo la senescenza cellulare L’attività dei geni oncosoppressori è collegata all’invecchiamento cellulare -> invecchiamento dell’organismo L’attivazione di programmi di senescenza e apoptosi può portare nel tempo alla deplezione del pool di cellule staminali nei tessuti rinnovabili

Qual é il ruolo dei telomeri nell’invecchiamento? Lezioni dal topo: il topo ha telomeri molto lunghi, ma invecchia ugualmente (!!!). Ci sono quindi altri meccanismi che concorrono (nell’uomo) e che sono sufficienti per l’invecchiamento Se viene eliminata la telomerasi nei topi, non avviene niente per le prime generazioni (telomeri ancora lunghi), poi alla 4 generazione I topi iniziano ad invecchiare precocemente (telomeri accorciati fino ad innescare la DNA damage response) Riesprimendo la telomerasi in questi topi “vecchi”, ringiovaniscono!

p66Shc Un circuito di segnalazione presente nei mammiferi che collega la produzione di ROS all’invecchiamento

• This influences the permeability of the EC barrier to LDL . Nei topi p66-/- c’è una minore incidenza delle malattie associate all’invecchiamento • Atherosclerotic lesions take place in arteries in sites where blood flow is not laminar. • This influences the permeability of the EC barrier to LDL . • LDL will be retained in the matrix were they undergo oxidation by ROS. • Ox-LDL are then take-up by macrophages leading to foam cell formation. Male p66-/- and wild-type mice mice were fed with a 21% high-fat diet for 12-13 weeks. Atherosclerotic lesions were then evaluated by computer-assisted image analysis and immunohistochemistry revealing oxidation-specific epitopes of Ox-LDL (mAb EO6) Early lesion size (mm2) wt(ND) wt(HFT) p66-\-(ND) p66-\-(HFD) wt p66-/-

Invecchiamento nel lievito e nel verme

Il ruolo di Sir2 nell’invecchiamento Dal lievito all’uomo

Identificazione di Sir-2 nel lievito Delezione del gene: invecchiamento “precoce” Iper-espressione del gene: estensione del ciclo replicativo (aumento della longevità)

Sir2 is an NAD-dependent histone deacetylase + Nicotinamide + ADP-Ribose NAD NAD is not used as an electron acceptor, it is consumed in the reaction

Meccanismi molecolari di invecchiamento nel lievito

Accumulo di circoletti di rDNA extracromosomale

Sir-2 nel lievito Nel lievito, l’invecchiamento é causato dalla formazione di “circoletti extracromosomali di DNA” codificante originariamente per l’RNA ribosomale. I geni per l’RNA ribosomale sono presenti in copie multiple e vanno incontro a processi di ricombinazione con formazione di “circoletti”. Sir2 é una istone deacetilasi (regolata dal metabolismo -livelli di NAD+) che compatta la cromatina dei geni per l’RNA ribosomale e ne riduce la ricombinazione.

Collegamenti fra metabolismo ed invecchiamento La restrizione calorica (RC) allunga la vita in tutti gli organismi Nel lievito, mutazioni in SIR2 prevengono l’estensione del “life-span” determinato da RC RC: aumentati livelli di NAD+ (rapport NAD+/NADH a favore del NAD+), aumentata attivitá di SIR2, ridotta ricombinazione dei geni per l’RNA ribosomale, invecchiamento rallentato. Il pathway di SIR2 é stato selezionato per aumentare la sopravvivenza in condizione di “stress” (scarso nutrimento)

Because it consumes NAD, SIR2 has been proposed to be the monitor that connects metabolism to aging High Calorie Diet NAD is converted to NADH & unavailable for SIR2 Caloric Restriction: Less NAD used in catabolism More available for SIR2 action

SIR2 and extension of life-span In yeast (replicative senescence) In C. elegans (post-mitotic senescence) In mammals??? regulation of p53 activation by diet (CR)

Caloric restriction increases SIRT1 expression in a variety of rat tissues Cohen HY, et al. Science 305:390-392, 2004.

Implicazioni “pratiche”

Resveratrol increases NAD-dependent HDAC activity Yeung F, et al. Embo J. 23:2369-2380, 2004

Food Sources Found in grapes, wine, grape juice, and berries of Vaccinum species including blueberries, bilberries, and cranberries In grapes, resveratrol is found only in the skins The amount of resveratrol in grape skins varies with the grape cultivar, its geographic origin, and exposure to fungal infection PBRC 2005

Cardiovascular Disease The French Paradox Cardiovascular Disease The French Paradox was the observation that mortality from coronary heart disease is relatively low in France despite relatively high levels of dietary saturated fat and cigarette smoking This led to the idea that the regular consumption of red wine might provide additional protection from cardiovascular disease PBRC 2005

Il resveratrolo è la soluzione del French Paradox?

Il resveratrolo è attivo nel lievito stesso effetto della RC Risultati identici in C. elegans

Il resveratrolo aumenta la sopravvivenza in un piccolo vertebrato (N Il resveratrolo aumenta la sopravvivenza in un piccolo vertebrato (N. furzeri)

Il resveratrolo (attivatore di SIRT) ha un effetto anti-invecchiamento in modelli animali di dieta ipercalorica

Il resveratrolo porta il fegato di animali ipercalorici ad un profilo di espressione genica simile al fegato “normale”

Longevity Although resveratrol did increase the activity of the homologous human enzyme (Sirt1) in the test tube, whether or not resveratrol can extend the human lifespan is currently unknown And again, the resveratrol concentrations that were necessary to increase Sirt1 activity in the test tube were considerably higher than any concentration previously measured in human plasma PBRC 2005

Non prendiamo troppo alla lettera i giornali, neanche quelli scientifici!

In Conclusion… At present, relatively little is known about the effects of resveratrol in humans PBRC 2005

Nel frattempo...

Nel frattempo... GlaxoSmithKline to acquire Sirtris Pharmaceuticals, a world leader in 'Sirtuin' research and development Issued – Tuesday 22 April 2008, London, UK, Philadelphia PA, Cambridge, MA – GlaxoSmithKline (NYSE: GSK) and Sirtris Pharmaceuticals Incorporated (Nasdaq: SIRT) announced today that they have entered into a definitive agreement pursuant to which GlaxoSmithKline will acquire Sirtris Pharmaceuticals for approximately USD720 million (or approx. GBP362 million) through a cash tender offer of USD22.50 (or approx. GBP11.33) per share.

Size vs. Lifespan Female mice were selectively bred from Institute for Cancer Research stock for differences in rate of body weight gain. Mice were selected for differential rates of growth either early (0–10 days) or later (26–56 days) in the first 2 months of life. Low body size well correlated with longer life span. Miller at al., 2000 Miller lab page: http://www-personal.umich.edu/~millerr/Mutant_mice.htm

Plot of life span vs size for 15 Atchley mouse stocks

Ruolo del signaling IGF-1/Insulina Repair/Aging