Rapaloogid ja MTOR-i inhibiitorid kui vananemisvastased ravimid

Rapamütsiinil, rapamütsiini mehaanilise sihtmärgi (mTOR) inhibiitoril, on seni tugevaim eksperimentaalne tugi.potentsiaalne vananemisvastane raviimetajatel. Erinevalt paljudest teistest ühenditest, mis väidetavalt mõjutavad pikaealisust, on rapamütsiini korduvalt testitud pikaealiste, geneetiliselt heterogeensete hiirtega, mille puhul see pikendab nii keskmist kui ka maksimaalset eluiga. Kuid nende mõjude mehhanism pole kaugeltki selge ja kasvav kõrvaltoimete loetelu muudab kahtlaseks, kas rapamütsiin on lõpuks inimestele kasulik. Selles ülevaates käsitletakse väljavaateid uuemate ja ohutumate väljatöötamiseksvananemisvastased teraapiadpõhinevad rapamütsiini analoogidel (mida nimetatakse rapaloogideks) või muudel mTOR-signaalidele suunatud lähenemisviisidel.

Cistanche vananemisvastase ravi kohta lisateabe saamiseks klõpsake siin

Rapamütsiini ja rapamütsiini mehaanilise sihtmärgi lühike ajalugu Rapamütsiin avastati Lihavõttesaare pinnasest Streptomyces hygroscopicus'e toodetud ühendina, mis oli võimeline pärssima Candida albicansi pärmi vohamist, kuid ei mõjutanud bakterite kasvu (1). Imetajatel leiti, et rapamütsiin inhibeerib immuunvastust ja seejärel võeti see kasutusele standardravina, et vältida transplantaadi äratõukereaktsiooni ja ravida autoimmuunseid häireid (2, 3). Rapamütsiin pärsib ka suures osas imetajate rakkude kasvu ja proliferatsiooni, tekitades uuemat huvi selle kasutamise vastu vähiravina (4). Mehhaaniliselt seob rapamütsiin FKBP12, prolüülisomeraasi aktiivsusega immunofiliini. 1991. aastal tuvastati geneetilise sõeluuringu käigus kaks täiendavat valku, mis on vajalikud selle pärmile mõju avaldamiseks ja mida nimetati rapamütsiini 1 (TOR1) ja TOR2 (5) sihtmärkideks. Aastatel 1994 ja 1995 eraldasid kolm eraldi rühma 289- kDa kinaasi, mis on seotud ja inhibeeritud rapamütsiini-FKBP12 kompleksiga imetajarakkudes (6–8). Seda kinaasi tuntakse nüüd rapamütsiini (mTOR) mehaanilise sihtmärgina ja see on ligikaudu 40 protsenti homoloogne Saccharomyces cerevisiae TOR valkudega ja eukarüootide seas väga konserveerunud. mTOR leidub kahes kompleksis, millel on erinevad funktsioonid ja erinev tundlikkus rapamütsiini toime suhtes. mTOR kompleks 1 (mTORC1; koosneb mTORist, raptorist, mLST8/GL, PRAS40, DEPTOR) mängib võtmerolli translatsiooni ja rakkude kasvu reguleerimisel substraatide fosforüülimise kaudu, mis sisaldavad S6 kinaasi (S6K) ja eukarüootset initsiatsioonifaktorit eIF4E siduvat valku. (4E-BP) ja rapamütsiin pärsib seda tugevalt. Seevastu mTORC2 (koosneb mTOR-st, Rictorist, mLST8/GL-st, mSIN1-st, pro torist, DEPTORist) reguleerib mitmesuguseid substraate, sealhulgas AKT S473, seerumi/glükokortikoidiga reguleeritud kinaasi ja PKC- ning on rapamütsiini suhtes akuutselt resistentne, kuigi see võib kroonilise kokkupuute ajal füüsiliselt häirida. mTORC-id saavad sisendeid mitmesuguste signaalimismehhanismide kaudu ja neil on roll paljudes füsioloogia aspektides, mida on põhjalikult läbi vaadatud (9). Lühidalt, mTORC1 reageerib signaalidele, mis hõlmavad aminohappeid, glükoosi, WNT ligande, hapnikku, cAMP-d ja insuliini/IGF-i -1. mTORC2 aktiivsuse reguleerimine on vähem selge, kuid see võib hõlmata interaktsiooni ribosoomidega (10). Insuliini/IGF-1 signaaliülekannet mTORC1-le vahendab osaliselt mTORC2 AKT fosforüülimise kaudu. Omakorda annab mTORC1 aktiveerimine tagasi, et nõrgendada insuliini/IGF{41}} signaali S6K1 ja GRB10 kaudu (joonis 1 ja viide 11).

mTOR-i signaalide ühendamine vanusega TOR-i signaalide roll vananemisel ilmnes esmakordselt 2003. aastal, kui Vellai ja kolleegid näitasid, et let{1}}/CeTori vastane RNAi pikendas oluliselt Caenorhabditis elegansi eluiga ja toimis daf-ist sõltumatult{{2} }, FOXO homolog, mis oli varem näidanud, et see mõjutab eluiga (12). Sellele järgnes kiiresti demonstratsioon, et TOR-i signaaliülekande geneetiline pärssimine pikendab Drosophila melanogasteri ja tärkava pärmi S. cerevisiae eluiga (13, 14). MTOR-i signaaliülekande geneetiline pärssimine imetajatel on delikaatne küsimus, kuna mTOR-valgu kinaas, raptor, rictor ja mLST8 on kõik arenguks olulised (15). Hiljuti näitasime, et emastel Mtor plus /–Mlst8 plus /– hiirtel on mTORC1 aktiivsus vähenenud ja pikaealisus suurenenud, sarnaselt Sel man ja tema kolleegide poolt teatatud fenotüübiga hiirte puhul, kellel puudub S6K1, üks mTORC1 peamisi substraate (16, 17). ). Seetõttu näib seos mTOR-i signaaliülekande ja pikaealisuse vahel olevat säilinud pärmist imetajateni (tabel 1).

Rapamütsiini mõju pikaealisusele

Rapamütsiin pikendab pärmi, usside ja kärbeste eluiga (tabel 2 ja viited 18–21). 2009. aastal näidati, et rapamütsiin pikendas geneetiliselt heterogeensete isaste ja emaste hiirte (pikaealiste sisearetatud tüvede neljapoolse ristamise järglased) nii keskmist kui ka maksimaalset eluiga (22). Tähelepanuväärne on see, et ravi ei alustatud enne, kui hiired olid jõudnud kõrgesse vanusesse (20 kuud), mis on ligikaudu võrdne inimese vanusega 60 aastat. 9 kuu vanuselt alanud järeluuringus pikendas rapamütsiin meeste ja naiste keskmist eluiga vastavalt 10% ja 18% ning maksimaalset eluiga 16% ja 13% (23). Rapamütsiin mikrokapseldati enterokatesse, mis võimaldas nende uuringute ajal toiduga manustada, ja saavutatud veretase oli ligikaudu kolm korda kõrgem kui tüüpiline terapeutiline vahemik inimeste immuunsupressiooni korral (24).

Joonis 1 mTOR signaalimine. mTOR leidub kahes kompleksis, mTORC1 ja mTORC2. mTORC1 reguleeritakse osaliselt TSC kompleksi kaudu, mis tavaliselt toimib Rhebi jaoks GTPaasi aktiveeriva valguna, et pärssida mTORC1 signaaliülekannet. mTORC1 reguleerivad ka aminohapped väikeste GTPaaside Ras-seotud GTP sidumise (Rag) perekonna kaudu. Rag valgud aktiveerivad mTORC1, lokaliseerides mTORC1 lüsosoomi interaktsiooni kaudu regulaatorkompleksiga (110). mTORC1 soodustab kasvu, suurendades ribosomaalset biogeneesi, translatsiooni ja muid anaboolseid protsesse, pärssides samal ajal autofagiat. mTORC1 pärsib insuliini/IGF{13}} signaaliülekannet Grb10 ja S6K otsese reguleerimise kaudu, mis seejärel vähendab signaalide edastamist mTORC2-le. AKT, TSC1/2 inhibiitor, on üks mitmest mTORC2 otsesest substraatist. Protsessid, mida mTOR signaalimine üles reguleerib, on näidatud punaselt; need, mis on mTOR-i signaalimisega alla reguleeritud, on näidatud siniselt.

Teised uuringud on leidnud ka rapamütsiini positiivset mõju elueale. Chen et al. leidis, et rapamütsiinvähendas eakate meeste suremustC57BL/6 hiired (25). Anisimov jt. näitas, et rapamütsiin pikendab maksimaalset eluiga (viimase 10 protsendi ellujäänu keskmine eluiga) lühiajalise kasvajale kalduva hiirte tüvel (FVB/N HER-2/neu transgeenne) (26). Kuigi see uuring annab kindlaid tõendeid selle kohta, et rapamütsiin võib olla kasulik vähi korral, muudab tüve valik raskeks eraldada vähivastaseid toimeid vananemisest per se. Kuid rapamütsiin pikendab eluiga ka 129/Sv hiirtel, mis on tüüpilisema eluea ja kasvajate esinemissagedusega sisearetatud tüvi (27). Muljetavaldav oli, et 22,9 protsenti ravitud hiirtest jäi viimase kontrolllooma surma korral ellu.

Kokkuvõttes teevad need tähelepanekud rapamütsiini kõige paremini toetatud kandidaadiks imetajate pikaealisuse ravimiks. Selle toimemehhanismi mõistmine võib anda ülevaate aluseks oleva vananemisprotsessi olemusest ja võib viia uute terapeutiliste lähenemisviisideni vanusega seotud haiguste koormuse leevendamiseks. Siiski ei ole rapamütsiini vananemisvastase toime mehhanism veel selge (tabel 2).

Rapamütsiini eluea pikendamise võimalikud mehhanismid

Vähivastane toime. Vähk on laborihiirte kõige levinum surmapõhjus ja rapamütsiin on vähivastane ravim. Seetõttu on endiselt võimalik, et rapamütsiini eluea pikenemine on kasvaja supressioonile sekundaarne ega ole seotud selle aluseks oleva vananemisprotsessiga. Põhjuseid, miks me seda mudelit ei poolda, on mitu. Esiteks viidi rapamütsiini ja mTOR-i inhibeerimise ja pikaealisuse seostamise esimesed katsed läbi organismidega, mis on peamiselt postmitootilised (ussid ja kärbsed) või üherakulised (pärm) ja seetõttu ei esine neil vähki. Teiseks suurendab rapamütsiin maksimaalset pikaealisust, toetades ideed, et see aeglustab mitmeid vanusega seotud patoloogiaid. Ühe haiguse sihtimine ei tohiks oluliselt pikendada rühma kõige pikema elueaga inimeste eluiga, sest vanimatel isikutel on enamiku või kõigi surmapõhjuste risk väga suur, välja arvatud juhul, kui vananemisprotsessi on edasi lükatud. Kolmandaks on näidatud, et rapamütsiin lükkab hiirtel edasi mitmeid vanusega seotud muutusi, sealhulgas tüvirakkude funktsiooni kadu (25), kognitiivne langus (28), retinopaatia (29), subtsellulaarsete muutuste kuhjumine müokardis, maksa degeneratsioon, endomeetriumi hüperplaasia. , kõõluste jäigastumine ja kehalise aktiivsuse vähenemine (30). Lisaks on rapamütsiin terapeutiline südame hüpertroofia (31, 32) ja neurodegeneratiivsete haiguste (33–35) näriliste mudelite puhul, mis mõjutavad vananevaid inimesi. Kuigi vähiennetus mängib selgelt olulist rolli rapamütsiini ellujäämisel, on oluline mõista, et vähk on vanusega seotud haigus ja selle ennetamine on iga vananemist aeglustava ravi eeldatav tagajärg.

Tõlge. mTORC1 mängib S6K ja 4E-BP kaudu keskset rolli translatsiooni reguleerimisel ning tasub kaaluda, kas vähenenud valgusüntees iseenesest võib vahendada rapamütsiini mõju pikaealisusele. Näiteks võib translatsiooni üldise kiiruse vähendamine võimaldada paremat täpsust sünteesi ajal ja/või leevendada stressi mehhanismidel, mis lagundavad ekslikke, valesti volditud või kahjustatud valke (36). Tõepoolest, katsed S. cerevisiae, C. elegans ja D. melanogaster on näidanud, et ribosomaalsete subühikute, S6K või translatsiooni initsiatsioonifaktorite deletsioon või siRNA-vahendatud knockdown põhjustab eluea pikenemist ja S6K1 deletsioon pikendab emaste hiirte eluiga. arvestades, et 4E-BP deletsioon blokeerib kärbeste kaloripiirangu (CR) eluiga pikendavat mõju (13, 37–40).

Hiljutised leiud seavad kahtluse alla seisukoha, et translatsioon iseenesest on TOR/mTOR inhibeerimise eeliste võti. Kuigi emastel hiirtel, kellel puudub S6K1, on pikem eluiga, ei ole märgatavat mõju üldisele translatsioonile, vähemalt skeletilihastele (41). Lisaks saab TOR-i kustutamisega veelgi pikendada usside pikka eluiga, millel puudub põhiline tõlkeinitsiatsioonitegur, mis tähendab, et mängus on erinevad mehhanismid (38). Veelgi enam, eluea pikenemine translatsiooni initsiatsioonitegurite kustutamise tõttu sõltub daf-16-st, samas kui eluea pikenemine TOR, S6K või ribosomaalsete subühikute ammendumisest ei sõltu, mis viitab taas mitme erineva mehhanismi kaasamisele (12). , 37). Huvitav on see, et TOR-i vähendamine RNAi abil ei pikenda CR-i mudeli mutantsete usside eluiga veelgi, hoolimata sellest, et see vähendab niigi madalat valgusünteesi kiirust veel 49 protsendi võrra (37). Lisaks on AMPK ussihomoloogi inaktiveerimine piisav, et pärssida eluea pikenemist loomadel, kellel puudub S6K, ilma et see mõjutaks ilmselt translatsiooni (16). Ilmselgelt on tõlke ja pikaealisuse vaheline seos keerulisem, kui esialgu arvati

Spetsiifiliste mRNA-de translatsioon võib mõjutada eluiga.

Kuigi mTOR-i funktsiooni täielikul kadumisel on üldisele translatsioonile suur mõju, on rapamütsiinil peenem toime, tõenäoliselt seetõttu, et 4E-BP funktsioonide alamhulk on rapamütsiini suhtes resistentne (42, 43). Nii rapamütsiin kui ka täielik mTOR-i inhibeerimine pärsivad peamiselt 5'-terminaalsete oligopürimidiini motiividega mRNA-de translatsiooni, mis viitab nende geenide potentsiaalsele rollile pikaealisuses (43, 44). Vaatamata üldise valgusünteesi vähenemisele, suurendab kärbeste CR spetsiifiliselt lühikeste ja vähem struktureeritud 5′ UTR-idega mRNA-de alamhulga translatsiooni, sealhulgas tuumaga kodeeritud mitokondriaalsed geenid (40). Selle efekti saavutamiseks ja eluea pikendamiseks on vaja TOR-i substraati 4E-BP. Pärmi puhul, millel puuduvad ribosomaalsed subühikud või TOR, nõuab eluea täielik pikendamine spetsiifilise transkripti, GCN4, suuremat translatsiooni (45). GCN4 ekspressiooni piiravad mitmed ülesvoolu ORF-id, mis tavaliselt eraldavad mRNA-ga seonduvaid ribosoome. Vähenenud TOR-i aktiivsuse või suure ribosomaalsete subühikute arvukuse tingimustes jäetakse ülesvoolu ORF-id sagedamini mööda, et algatada GCN4 ORF-i translatsioon. Need näited toovad esile tõlkeregulatsiooni peensused, mida me alles hakkame mõistma.

Tabel 2 Rapamütsiini mõju pikaealisusele

Autofagia. Teine mTOR-i inhibeerimise mõju, mida on seostatud pikaealisusega, on autofagia esilekutsumine, protsess, mille käigus rakud taaskasutavad oma valke ja organelle. Autofagia võimaldab rakkudel ellu jääda toitainetega piiratud tingimustes ja on keskne mehhanism kahjustatud komponentide eemaldamiseks. Toitainete piisavuse tingimustes fosforüülib mTOR ja inhibeerib autofaagiat initsieerivat kinaasi ULK1 (46). Autofagiaga seotud geenide inaktiveerimine vähendab pärmi (kronoloogiline), C. elegansi ja Drosophila eluiga ning autofagia edendamine kärbse närvisüsteemis pikendab eluiga (47–49). Lisaks on autofagia vajalik pärmi kronoloogilise eluea pikendamiseks rapamütsiini poolt (47) ja eluea pikendamiseks CR või mTOR-i signaaliülekande geneetilise pärssimise teel usside puhul (50).

Imetajatel näib, et autofagia mängib vananemisprotsessis olulist rolli. Kõige dramaatilisemalt on autofagia esilekutsumine piisav vanade hiirte maksa histoloogia ja funktsiooni noorendamiseks (51). Lisaks näib, et autofagia on CR-hiirtel ülesreguleeritud ja vahendab mõningaid CR-dieedi kasulikke mõjusid südamele, maksale ja neerudele (52–54). Pikaealiste Snelli kääbushiirte rakkudel on samuti tõendeid suurenenud autofagiast (55).Kardiomüotsüüdid ieakatelt hiirtelt isoleeritud hiirtel on madalam autofagia ja kaltsiumi käitlemise defektid, mida mõlemat korrigeeritakse ex vivo rapamütsiiniga kokkupuutel (56). Suurenenud autofagia ei pruugi aga alati kasulik olla ja võib tõepoolest kaasa aidata progeroidsete hiirte vananemist soodustavale fenotüübile (57).

Huvitav on see, et rapamütsiin leevendab tuuma mullitamist ja enneaegset vananemist rakkudes, mis on saadud Hutchinson Gilfordi progeeriaga, haruldase enneaegse vananemise sündroomiga (58). Haigus tuleneb A-laminaadi valesti kirjutatud variandist, mida nimetatakse progeriiniks, mis akumuleerub patsientidel suurel määral ja mida tuvastatakse väiksemates kogustes ka normaalse raku vananemise ajal (59, 60). Rapamycin näib stimuleerivat progeriini kliirensit haigetest rakkudest autofagia kaudu ja seega võib piirata ka progeriini normaalset vanusega seotud akumuleerumist. Üldiselt on autofagia sobiv reguleerimine tõenäoliselt tervisliku vananemise kriitiline määraja.

Joonis 2 Krooniline rapamütsiinravi katkestab mTORC2. (A) In vivo juhivad toitained ja kasvufaktorid mTORC1 ja mTORC2 aktiivsust, mis soodustavad kasvu, vananemist ja insuliinitundlikkust. (B) Äge ravi rapamütsiiniga pärsib mTORC1 signaaliülekannet, piirates kasvu ja soodustades pikaealisust, vähendamata insuliinitundlikkust. (C) Krooniline ravi rapamütsiiniga pärsib nii mTORC1 kui ka mTORC2, piirates kasvu ja kahjustades insuliini signaaliülekannet, kuid soodustades pikaealisust

Tüvirakkude hooldus. Rapamütsiinil on tüvirakkude funktsioonile mitmeid huvitavaid toimeid. Hüperaktiivne signaaliülekanne mTORC1-st ülesvoolu Pten-i deletsiooni, tuberoosskleroosi 1 (Tsc1) deletsiooni või AKT konstitutiivse aktiveerimise tõttu vähendab HSC-de arvu ja funktsionaalset võimekust (61–63). Rapamütsiinravi võib taastada normaalse eneseuuendusvõime hiirte HSC-de alampopulatsioonis, millel on spontaanselt kõrge oksüdatiivne stress ja vähenenud funktsionaalne võime (64). Hiljuti on Chen et al. märkis, et mTORC1 aktiivsus on kõrgem vanadelt hiirtelt saadud HSC-des, millel on Tsc1 deletsioonist põhjustatud funktsionaalsed puudujäägid (25). Rapamütsiin taastas eakate hiirte HSC-de funktsionaalse võimekuse ja suurendas immuunvastust gripiviirusele. Rapamütsiin suurendab ka soolestiku tüvirakkude iseeneslikku uuenemist, inhibeerides mTORC1 külgnevates Panethi rakkudes, sarnaselt CR-loomadel täheldatud toimega (65). Lisaks suurendab rapamütsiin somaatiliste rakkude ümberprogrammeerimist, et tekitada indutseeritud pluripotentseid tüvirakke, mis viitab tüvirakkude funktsiooni üldisele edendamisele (66). Teisest küljest kahjustab rapamütsiin pluripotentsust, vähendab proliferatsiooni ja soodustab inimese embrüonaalsete tüvirakkude diferentseerumist (67, 68). Hiire embrüonaalsetes tüvirakkudes on pluripotentsuse markerite ekspressioon rapamütsiinravi suhtes resistentsem, kuid rakkude suurus ja proliferatsioon on endiselt vähenenud ning diferentseerumine paraneb (67, 69). Huvitaval kombel kahandab rapamütsiin leukeemiat initsieerivaid rakke ja inhibeerib nii infantiilsest hemangioomist pärinevate tüvirakkude eneseuuendus- kui ka diferentseerumisvõimet, mis viitab kaitsvale toimele vähi tüvirakkude vastu (61, 70). Kokkuvõttes näitavad need tulemused, et rapamütsiin moduleerib tüvirakkude käitumist ja üldiselt soodustab uuritud täiskasvanud tüvirakkude tüüpide "tüve" ja nooruslikuma fenotüübi säilitamist.

kui immunosupressant, ei tohiks pikaealisuse osas tähelepanuta jätta.

krooniline,madala astme põletik on vananemise tunnusja peaaegu igal kroonilisel haigusel on põletikuline komponent (71). Rapamütsiini immunoloogiliste mõjude täielik arutelu ei kuulu käesoleva ülevaate ulatusse ja seda teemat on käsitletud mujal (72). Oluline on see, et ravimil on kaasasündinud ja adaptiivsele immuunsusele nii positiivne kui ka negatiivne mõju, mille lõpptulemus on keerulisem kui lihtne immuunsupressioon, mida näitab näiteks selle võime tugevdada eakate hiirte immuniseerimist gripiviiruse vastu (25). mTORC2-sõltuvad mehhanismid. Vaatamata rapamütsiini kõrgele spetsiifilisusele mTORC1 suhtes ägeda ravi ajal, võib krooniline kokkupuude ka mTORC2 inhibeerida. Seda toimet täheldati esmakordselt teatud kultiveeritud rakuliinidel (73) ja oleme hiljuti näidanud, et see esineb ka in vivo paljudes kudedes, sealhulgas maksas, lihastes ja rasvkoes (vt joonis 2). Praegu on ebaselge, kas mTORC2 inhibeerimine mängib rolli rapamütsiini pikaealisuse pikendamises. Emased hiired, kellel puudub S6K1 ja emased Mtor plus /–Mlst8 plus /– hiired, on näiliselt pikaealised mTORC{14}}sõltuva signaalimise kahjustuse tõttu, kuid C. elegansi andmed viitavad sellele, et mTORC2 pärssimine võib samuti pikendada eluiga ( 21, 74). Huvitav on see, et eluea pikendamiseks usside mTORC1 katkestamise tõttu on vaja nahka -1 (imetajate NRF1/2 homoloog) ja daf-16 (imetajate FOXO-de homoloog), mõlemad transkriptsioonifaktorid, mis kontrollivad stressikaitsed. Eluea pikendamiseks rapamütsiini või mTORC2 katkestamise tõttu on aga vaja ainult SKN-1. Kooskõlas üldise stressikaitse rolliga rapamütsiini kasulikkuses on nii kahjustatud TOR-funktsiooniga ussid kui kärbsed stressiresistentsed ning rapamütsiiniga (2 mg) ravitud hiirte maksades on tuvastatud NRF1/2 ja FOXO sihtgeenide indutseerimine. /kg päevas kahe nädala jooksul) (20, 21).