1. mitocondria sirtuinas-rapamicina y envejecimento

MITOCONDRIAS-SIRTUINAS-RAPAMICINA

Y ENVEJECIMIENTO

LILIANA PATRICIA RAMÍREZ ZULUAGA

MEDICINA INTERNA Y GERIATRIA

UNIVERSIDAD DE CALDAS

AGING,February 2011, Vol.3 No.2

SIRT alivio del estrés inducido por la edad

ESTRÉS OXIDATIVO Y ENVEJECIMIENTO

Cómo ocurre el envejecimiento?

¿Podemos retrasar el proceso de envejecimiento?


Rev.Fac.Med. 2010 Vol. 58 No. 3 , Nancy Paola Echeverri-Ruíz1, Ismena Mockus-Sivickas, 2010

ESTRÉS AMBIENTAL

Efectos positivos:

Efectos negativos:


ESTRÉS

AMBIENTAL

Efectos

positivos:

Hormesis y restricción calórica: proceso por medio del cual un evento subletal conduce a la supervivencia:

Disminución de la reproducción asociada

a aumento de la longevidad

Incremento de la temperatura

incrementa la termotolerancia


ESTRÉS OXIDATIVO:

Agentes más relacionados con los procesos de estrés:

Especies reactivas de oxígeno---ROS

Especies reactivas de nitrógeno---RNS

Bajas concentraciones de ROS inducen respuesta mitogénica

Altas concentraciones de ROS provocan daño en lípidos, proteínas, ácidos nucleicos y membranas celulares


ESTRÉS

AMBIENTAL

Efectos

Negativos:

Acortamiento duración de la vida

Predisposición a enfermedades

Las modificaciones permanentes en el material genético producen daño oxidativo.

éste es el primer paso para la mutagénesis, carcinogénesis y envejecimiento.

Esquema de cómo se producen las ROS y la transferencia ineficiente de cadena de electrones

Generación de radicales superóxido

Daño de la mitocondria por los ROS

Mayor generación de ROS

Mayor daño mitocondiral

Bucle de retroalimentación de ROS

Mecanismos por los que la mitocondria contribuye al envejecimiento: Harman… teoría de radicales libres

¿Que pasa con el aumento y la disminución de radicales libres?

¿Qué otros factores se relacionan con el envejecimiemtno celular?

¿Qué es la senescencia celular?

Proceso de la senescencia celular

Relación con las células madre

Haflick

Metabolitos mitocondriales y la senescencia celular:

NAD+ es un cofactor de muchas enzimas intracelulares, la diminución del mismo ..senescencia celular

El aumento del NAD+ limita es estrés oxidativo

El NAD + es importante en la reparación del ADN y la actividad de las Sirtuinas

Sirtuinas

Rapamicina

World J Exp Med 2014 November 20; 4(4): 46-57


Envejecimiento y ADN mitocondrial

CARÁCTERÍSTICAS DEL ENVEJECIMIENTO

La mayoría de los investigadores

coinciden en que el envejecimiento es:

Universal

Intrínseco

Progresivo

Perjudicial

Irreversible.

La universalidad del proceso de envejecimiento sugiere la existencia de un mecanismo igualmente universal.


¿De dónde viene la senescencia celular?

Estrés mitocondrial

ROS (especies reactivas de oxígeno)

Dinámica mitocondrial (Fisión y fusión mitocondrial)

Cadena de transporte electrónico

Equilibrio bioenergético

Homeostasis del calcio y relación con el crecimiento celular

Aging Cell (2015) 14, pp1–7

MITOCONDRIA Y RADICALES LIBRES

• Esta teoría identificó las mitocondrias como:• Fuente• Destino de los ROS • Y el ADNmt como el centro del

envejecimiento por daño, produciendo mutaciones puntuales y delecciones transmitidas a moléculas hijas

Hrtman 1956

Teoría radicales

libres


El 90% de ROS se producen en la mitocondria

Mitocondrias dañadas

Producen más ROS

Mayor daño mitocondrial

Cell Rep. 2013 February 21; 3(2): 319–327. doi:10.1016/j.celrep.2013.01.005.

Hipótesis Harman: estrés oxidativo…

El nivel de ROS celular está determinado por el equilibrio entre la producción y la desintoxicación

¿cómo se desintoxica la célula de las ROS?Por medio de la enzima SODS (superóxido dismutasa)

¿Donde se genera ROS?En varios compartimentos celulares En especial mitocondria (90%)


• Las mitocondrias son una fuente importante de ROS en la célula

• Las ROS producen daños en el ADNmt • Estrés oxidativo produce mutaciones por daño en

el ADNmt • Las mutaciones del ADNmt conduce a sintesis

defectuosa de polipéptidos• Con el tiempo, las mutaciones de ADNmt, la

producción de ROS y el daño celular por ROS alcanzan niveles incompatibles con la vida

Principios mitocondria y envejecimiento


Mapa ADNmt

• Molécula circular• Codifica 37 genes

• 2 rRNAs• 22 tRNAs• 13 polipéptidos

(componentes del sistema de fosforilación oxidativa


AGING, March 2013, Vol.5 No.3

Respiración celular:

ROS: se derivan de la oxidación incompleta de oxígeno: • 0.

2-

• H2O2

• *OH

Un pequeño porcentaje de electrones puede escapa de la cadena de transporte de electrones prematuramente, dando lugar a una reducción incompleta del oxígeno molecular y la formación:• Anión superóxido: • Peróxido de hidrógeno• Radical hidroxilo

Mecanismos enzimáticos para desintoxicar: catalasa-glutatión peroxidasa-peroxiredoxinas

Desintoxicado por glutatión -ascorbato

No funcionan

Strés oxidativo

• El estrés oxidativo daña el ADNn y ADNmt

• El daño persistente del ADNn• Detiene el

crecimiento• Senescencia• Muerte

• El daño del ADNmt• Se degrada y

produce• Síntesis de nuevas

moléculas


MITOHORMESIS E HIPERACETILACIÓN MITOCONDRIAL

Ratones transgénicos que sobre-expresan antioxidantes no viven más que sus homólogos de tipo salvaje.

Esto sugiere un modo más complejo de la regulación

PERO:

Apoya esta teoría el estudio de Drosophila:

la sobreexpresión de antioxidantes aumenta la vida cuando hay aumento del daño oxidativo celular con el envejecimiento

1956 Harmas:

estrés oxidativo puede causar disminución fisiológica en las funciones celulares


Un factor de estrés puede tener efectos benéficos en dosis bajas y nocivos en dosis altas

La mitohormesis es una aplicación de la teoría de la hormesis:

La mitohormesis puede conciliar algunos datos contradictorios relacionados con el estrés oxidativo:


Cantidades pequeñas de especies reactivas de oxígeno

provocan una respuesta al estrés protectora

Cantidades grandes y/o crónicas de la misma especie causan daño celular o muerte porque

superan la capacidad de respuesta al estrés oxidativo

para mantener la homeostasis



ESTRÉS OXIDATIVO:

Agentes más relacionados con los procesos de estrés:

Especies reactivas de oxígeno---ROS

Especies reactivas de nitrógeno---RNS

Bajas concentraciones de ROS inducen respuesta mitogénica

Altas concentraciones de ROS provocan daño en lípidos, proteínas, ácidos nucleicos y membranas celulares

¿cuáles son los mecanismos celulares para que esto ocurra?

• EL estrés celular:• Estado en que la célula NO

presenta las condiciones óptimas para la supervivencia

• El estrés oxidativo: • Es un tipo de estrés que genera

radicales libres, nocivos para las estructuras celulares


Se potencia la acción y disminuyen ROS

Residuos de acetilación de la lisinaSOD 2: sola disminuye ROS

pero si se une a STR 3… SIRT 3


Mitohormesis

Induce metabolismo mitocondrial para extender la vida del

organismo…..

- Reduce el estrés oxidativo: logrado por restricción calórica y reducción el metabolismo de la

glucosa :

HOMEOSTASIS MITOCONDRIAL

Gómez José F; Curcio Carmen L , Salud del anciano: valoración; 1ª ed, Manizales: editorial Blanecolor; 2014.


En lo anterior ilumina a los científicos para

asociar este fenómeno con la restricción calórica

Sugieren que esta puede ser una forma de tto cáncer

Experimento con ratones transgénicosLa SOD 2 no es suficiente, requiere de la SIRT 3 para aumentar

la esperanza de vida

La teoría del estrés oxidativo debe tener en cuentaEl nivel de expresión de

antioxidantesEl nivel de actividad de los

antioxidantes


• SIRT 3…eslabón entre la restricción calórica y el estrés oxidativo


SIRT 3

RESTRICCIÓN CALÓRICA

ESTRÉS OXIDATIVO


En los mamíferos

produce cambios

fisiológicos saludables

Mejora la respuesta a las enfermedades asociadas con

el envejecimiento

Disminuye el estrés

oxidativo y el daño que genera

Disminuye la producción de

ROS


• Inicio de estudios relacionados con la longevidad:

• 1934, Clive M McCay: restricción calórica en las ratas no causaba malnutrición pero si incrementaba la vida

• Observaciones de la levadura: investigación de genes de longevidad, y causas de longevidad: por acumulo de ADNr extramicrosomal. SIRT 2 …regulador de longevidad

• Caenorhabditis elegans y Drosophila melanogaster: encuentran SIRT2 como moduladores de la longevidad

J Am Soc Nephrol 21: 1620–1627, 2010

CONCLUSIÓNRESTRICCIÓN CALÓRICA


Reduce los niveles de daño a

nivel de DNA

Reduce las mutaciones que se acumulan con

la edad.

SIRTUINAS

Familia de Sirtuinas

Principales reguladores del

circuito metabólico

AGING, July 2013, Vol. 5 No. 7

Cell Metabolism 20, July 1, 2014

Las sirtuinas son una clase única de deacilasas dependientes de NAD (Nicotinamida adenina dinucleotido) con muchos papeles en el metabolismo celular, la salud y el envejecimiento


SIRT 1SIRT 2SIRT 6SIRT 7

MitocondriaSIRT 3SIRT 4SIRT 5

SIRT 2




SIRT 2

ACTIVIDAD ENZIMÁTICA

FUNCIONES

SIRT 1

DeacetilasaADP ribosilasa

Extiende la esperanza de vida de levaduras, gusanos, moscas, ratones.Protege contra trastornos metabólicos: obesidad, resistencia a la insulina, esteatosis hepática, enfermedades neuronales relacinadas con el envejecimiento por desacetilación de histonas y factores- cofactrores de transcripción

SIRT 2

Deacetilasa Reside en el citoplasmaSe traslada al núcleo en estrés o durante la mitosisRegula el ciclo celular y la diferenciación celularRegula enzimas metabólicas en el citosol

SIRT 3

Deacetilasa Afecta la acetilación de proteinas mitocondriales En ratones con dieta alta en grasa desarrolla esteatosis hepática y resistencia a la insulinaActúa como un supresor de tumores mediante la reducción de ROSSu pérdida reprograma el metabolismo celular en diversos cánceres humanos

SIRT 7

Deacetilasa Reprime la trascripción de genes supresores de tumoresEstá involucrada en el metabolismo de lípidos Los ratones SIRT KO son resistentes a la obesidad inducida por dieta y resistentes a desarrollar hígado graso


SIRT 1 y SIRT 2 EN LA NEURODEGENERACIÓN

SIRT 1 efecto protector contra:Enf alzheimerEnf ParkinsonEnf Huntington

La supresión de SIRT 2 tiene efecto protector contra:Enf Parkinson

SIRTUINA 1

• Restricción calórica- nicotinamida adenina dinucleotido- pequeñas moléculas activadoras de sirtuinas

• Estimulan SIRT 1

• SIRT1 en el riñón es citoprotector y participa en la regulación de la presión arterial y el equilibrio de sodio

J Am Soc Nephrol 21: 1620–1627, 2010

1. Señales nutricionales, el estrés oxidativo, la hipoxia, estrés genotóxico:

1. Las sirtuinas en el hígado, páncreas, músculo esquelético, tejido adiposo: Mejora de la homeostasis de la glucosa, sensibilidad a la insulina, metabolismo de lípidos y colesterol

2. Sirtuinas Vascular: células endoteliales, células musculares lisas…Disminución del tono vascular

3. Sirtuinas renales: las células epiteliales tubulares, los podocitos, células mesangiales, las células intersticiales renales…estimulación de las respuestas al estrés oxidativo, la síntesis de EPO mejorada, disminuye la reabsorción de sodio.

Renoprotección

Biogerontology. 2012 April ; 13(2): 119–131

Longitud de los telómeros de leucocitos es ampliamente considerado como un biomarcador de la edad humana

La longitud de los telómeros disminuye con la edad y con cada división celular

El locus SIRT1 se asoció significativamente con la longevidad (P <0,003).

El aumento de expresión de SIRT1 en ratones resultados en telómeros más largos.



Resultados sugieren un papel potencial de SIRT1 en la vinculación de la longitud del telómero y la

longevidad

• SIRT 3…eslabón entre la restricción calórica y el estrés oxidativo


SIRT 3


ESTRÉS OXIDATIVO

SIRTUINA 3

Aumenta la actividad de los antioxidantes

SOD2: superóxido-dismuntasa Glutatión reducido Promueve el barrido de

ROS

En mamíferos:

- Promueve la longevidad del organismo mediante el mantenimiento de la integridad de las células madre de algunos tejidos

- Revierte la degeneración asociada al envejecimiento

Herramienta importante en la homeostasis del metabolismo mitocondrial




SIRT 2


FUNCIONES

SIRT 3 Deacetilasa Afecta la acetilación de proteinas mitocondriales Actúa como un supresor de tumores mediante la reducción de ROSSu pérdida reprograma el metabolismo celular en diversos cánceres humanos

SIRT 4 Deacetilasa (malonil CoA descarboxilasaADP ribosilasa

Involucrada en el metabolismo de aminoácidos por ADP ribosilación de GDH (glutamato deshidrogenasa)Es supresor de tumoresRegula metabolismo de la glutamina en células cancerosas a través de la GDH

SIRT 5 Deacilasa ( grupos succinil, malonil, glutaril )Deacetilasa (débil)

La pérdida de SIRT 5 produce • Malonilación de proteínas mitocondriales• Inhibición de la Beta-oxidación y cetogénesisEn ratones eleva el nivel de amoníaco durante el ayuno



Estimula al guardian del genoma de cromosoma

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SIRT 3:

1. Aumenta la actividad de SOD 2 y la desacetilación

2. Modula la actividad de la isocitrato deshidrogenasa 2 (enzima mitocondrial que genera el agente reductor NADPH

REDUCE EL ESTRÉS OXIDATIVO



SIRT 2


FUNCIONES

SIRT 2

Deacetilasa Reside en el citoplasmaSe traslada al núcleo en estrés o durante la mitosisRegula el ciclo celular y la diferenciación celularRegula enzimas metabólicas en el citosol


Cell. Mol. Life Sci. (2014) 71:4325–4346

ENVEJECIMIENTO

Actores• Mitocondria• Sirtuinas• Rapamicinas

Características del envejecimiento en los mamíferosLa inestabilidad genómica

El desgaste de los telómeros

Las alteraciones epigenéticas

La pérdida de Proteostasis

La detección irregular de nutrientes

Disfunción mitocondrial

La senescencia celular

El agotamiento de las células

Alteración de la comunicación entre células

Rapamicina y Metformina influyen en todas

Ambas son similares en los efectos antienvejecimiento y anticencerígenos

Se consideran prometedores para la prevención en los seres humanos


Drug Discovery Today , Volume 12, Numbers 5/6 , March 2007

• Investigaciones nos lleva a pensar que la vida util de los organismos se puede extender por:

• Manipulacion genética de los genes que afectan la longevidad• Intervención farmacológica, ej rapamicina• Restricción calórica• Uso de medicamentos contra el envejecimiento: Metoformina,

resveratrol• Agentes que actúan a nivel de las las sirtuinas

• El fármaco antienvejeicmiento debe actuar en 3 campos diferentes.• La senescencia celular• Control genético de la longevidad• Impacto en las enfermedades relacionadas con la edad


Quinasa dependiente de ciclina (CDK) impulsa el ciclo celular y la proliferación celular.

El crecimiento celular se equilibra con la división celular.

Otras vías estimuladas por mitógenos puede inducir p53, p21 y p16, la inhibición de CDK y bloquea el ciclo celular.

Cuando el ciclo celular se bloquea, provoca hipertrofia de células (crecimiento del tamaño sin división celular).

telómeros

El sello distintivo de la senescencia celular es cuando el ciclo celular se bloquea, lleva a daño del ADN…esto lleva a senescencia celular acelerada: se detiene el ciclo celular pero no el crecimiento celular.

El TOR es quien estimula el crecimiento celular

Las células senescentes son hipertróficas ( se pueden conectar a ccas de envejecimiento: arrugas, HP, placas ateroma


Mitogénesis

Cell Metabolism 19, March 4, 2014 a2014 Elsevier Inc.


RAPAMICINA• Es un regulador del crecimiento y metabolismo celular,

inhibidor específico de mTOR• La alteración dela vía mTOR se ha relacionado con

enfermedades como:• Cáncer-DM-obesidad-enf neurológicas-trastornos genéticos

• Rapamicina es útil en el tto de algunas enfermedades

RAPAMICINA• Mecanismo de acción• Efectos• Monoterapia• Terapia combinada


RAPAMICINA HISTORIA• Descubierto Inicialmente en el suelo de la isla de Pascua

(Rapa Nui): metabolito antifúngico producido por Streptomyces hygroscopicus

• Luego se descubren otras propiedades en mamíferos:• Inmunosupresión• Antiproliferación celular


mTOR tiene 2 complejos funcionales distintos

mTORC1:• Integra señales de factores de crecimiento• Promueve el crecimiento y la proliferación

celular por activación de procesos anabólicos tales como glucólisis y glutaminolisis

• Inhibe autofagia (proceso catabólico)

mTORC2• Solo responde a factores de crecimiento• Regula la actina: organización del

citoesqueleto

Target of rapamycin (TOR)


RAPAMICINA MECANISMO DE ACCIÓN

RAPAMICINA

Inhibe directamente mTORc 1

Inhibe indirectamente mTORC 2


La rapamicina inhibe de forma aguda mTORC1

La exposición crónica a la rapamicina también puede inhibir mTORC2.


EFECTOS DE LA RAPAMICINA EN EL CÁNCER

Lo anterior proporciona a las cél tumorales ventajas en el crecimiento selectivo en

comparación a las células normales

Numerosos cánceres humanos Activan mTORC1 (gran función de

oncogénes mutagénicos: PI3K-AKT-Ras)

Pierden la función los supresores de tumorales (PTEN-LKB1-TSC1

EFECTOS DE LA RAPAMICINA EN EL CÁNCERRipamicina altera el metabolismo de las células cancerígenas, es considerado anticancerígeno prometedor que se dirige selectivamente a

mTORC1

Dos derivados hidrosolubles de rapamicina:

Temsirolimus

(aprobado FDA 2007)

- CA renal

- Ca avanzado neuroendocrino

- Ca endometrio recurrente, o refractario

Everolimus

(aprobado FDA 2009)

- Ca renal

- Ca gástrico avanzado

- Ca pulmonar avanzado de cél no pequeñas

- Ca avanzado hepatocelular

- 2011 aprobado para manejo de tumores neuroendocrinos de origen pancreático

- 2012 aprobado para tto astrocitoma subependimario


Para tto de sarcomas

Y variedad de tumores sólidos avanzados

Ridaforolimus

( análogo de rapamicina)


Se están estudiando tto combinado de con antagonistas estrogénicos para linfangioleiomiomatosis

Efectos de la rapamicina en

Linfangioleiomiomatosis, complejo de esclerosis tuberosa, y enfermedades neurológicas

Linfangioleiomiomatosis: enf pulmonar con infiltración y

proliferación anormal de células lisas, formación de quistes y e

insuficiencia respiratoria.

Casi exclusiva de mujeres en edad fértil, se puede asociar a esclerosis

tuberosa (tumores benignos hamartomatosos que involucran órganos de múltiples sistemas


Otros estudios:

La Rapamicina

suprime la síntesis de proteínas y e induce autofagia de los defectos…

previene o disminuye la agregación de proteínas

Proporciona neuroprotección en enfermedades neurodegenerativas

(Alzheimer, Parkinson, Huntington, ataxia cerebelosa (Bove et al, 2011)Hay acúmulo de proteínas mal plegadas causadas

por la síntesis de proteínas mTORC1

Inhibición farmacológica de mTORC1


Efectos de la rapamicina sobre Longevidad y Envejecimiento

Rapamicina

Aumenta la vida útil por desacelración del

envejecimiento

Inhibe enfermedades metabólicas

Inhibe enfermedades neoplásicas (propiedades

antiproliferativas)

Importante en la regulación de la longevidad:Extiende la vida útil de invertebrados: levaduras, nemátodos, moscas de la

fruta(Lamming et al., 2013)

En mamíferos: ratones extiende la vida

(Harrison et al., 2009) (Lamming et al., 2013)

La inhibición genética y farmacológica de la señalización mTOR

LIMITACIONES DE LA MONOTERAPIA CON RAPAMICINA

La rapamicina y rapálogos son generalmente citostáticos en lugar de citotóxicos

La rapamicina puede inducir la regresión del tumor y los tumores vuelven a crecer tras la interrupción del tratamiento

Estos efectos inhibidores parciales pueden ofrecer una posible explicación para la baja eficacia de la rapamicina en los ensayos clínicos.


RIPAMICINA Y TERAPIA COMBINADA

La terapia de combinación con rapamicina o rapálogos se ha convertido en un enfoque prometedor

Diversas estrategias tienen el potencial de mejorar la eficacia del fármaco mediante la inhibición de múltiples dianas


La promesa está en el descubrimiento de:

1. Nuevas rutas de

inhibidores

2. Nuevos bioactivos que actúen directa o

indirectamente en reducir la actividad

mTORC1 y/o mTORC2 en

monoterapia o en combinación


GRACIAS

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