Rapalogs og MTOR-hemmere som antialdringsterapi

Rapamycin, en hemmer av det mekanistiske målet for rapamycin (mTOR), har den sterkeste eksperimentelle støtten til dags dato som enpotensielt antialdringsmiddelhos pattedyr. I motsetning til mange andre forbindelser som har blitt hevdet å påvirke lang levetid, har rapamycin gjentatte ganger blitt testet i langlivede, genetisk heterogene mus, der det forlenger både gjennomsnittlig og maksimal levetid. Mekanismen som står for disse effektene er imidlertid langt fra klar, og en økende liste over bivirkninger gjør det tvilsomt at rapamycin til slutt vil være gunstig for mennesker. Denne anmeldelsen diskuterer mulighetene for å utvikle nyere, sikrereanti-aldringsterapibasert på analoger av rapamycin (kalt rapaloger) eller andre tilnærminger rettet mot mTOR-signalering.

Klikk her for å få mer informasjon om Cistanche for antialdringsbehandling

En kort historie med rapamycin og mekanistisk mål for rapamycin Rapamycin ble oppdaget i jorda på Påskeøya som en forbindelse produsert av Streptomyces hygroscopicus som var i stand til å hemme spredningen av gjæren Candida albicans, men som ikke påvirket veksten av bakterier (1). Hos pattedyr ble rapamycin funnet å hemme immunresponsen og ble deretter tatt i bruk som standard terapi for å forhindre transplantatavstøtning hos transplanterte og for å behandle autoimmune lidelser (2, 3). Rapamycin hemmer også i stor grad veksten og spredningen av pattedyrceller, noe som ansporer nyere interesse for bruk som kreftterapi (4). Mekanistisk binder rapamycin FKBP12, et immunofilin med prolylisomeraseaktivitet. To ekstra proteiner som kreves for dens effekt i gjær ble identifisert i en genetisk screening i 1991 og betegnet som mål for rapamycin 1 (TOR1) og TOR2 (5). I løpet av 1994 og 1995 isolerte tre separate grupper en 289-kDa-kinase som er bundet og hemmet av rapamycin-FKBP12-komplekset i pattedyrceller (6–8). Denne kinasen er nå kjent som det mekanistiske målet for rapamycin (mTOR) og er omtrent 40 prosent homolog med Saccharomyces cerevisiae TOR-proteiner og svært konservert blant eukaryoter. mTOR finnes i to komplekser som har distinkte funksjoner og ulik følsomhet for virkningen av rapamycin. mTOR kompleks 1 (mTORC1; bestående av mTOR, raptor, mLST8/GL, PRAS40, DEPTOR) spiller en nøkkelrolle i reguleringen av translasjon og cellevekst via fosforylering av substrater som inkluderer S6 kinase (S6K) og eukaryotisk initieringsfaktor eIF4E bindende protein (4E-BP), og hemmes kraftig av rapamycin. I motsetning til dette regulerer mTORC2 (bestående av mTOR, Rictor, mLST8/GL, mSIN1, protor, DEPTOR) et mangfoldig sett med substrater, inkludert AKT S473, serum/glukokortikoid regulert kinase og PKC-, og er akutt resistent mot rapamycin, selv om det kan bli fysisk forstyrret under kronisk eksponering. mTORC-er mottar input gjennom en lang rekke signalmekanismer og har roller i mange aspekter av fysiologi, som har blitt gjennomgått i dybden (9). Kort fortalt reagerer mTORC1 på signaler som inkluderer aminosyrer, glukose, WNT-ligander, oksygen, cAMP og insulin/IGF-1. Reguleringen av mTORC2-aktivitet er mindre klar, men kan innebære interaksjon med ribosomer (10). Insulin/IGF-1-signalering til mTORC1 medieres delvis av mTORC2 via AKT-fosforylering. I sin tur mater mTORC1-aktivering tilbake for å dempe insulin/IGF-1-signalering via S6K1 og GRB10 (Figur 1 og ref. 11).

Koble mTOR-signalering til alder En rolle for TOR-signalering i aldring ble først avslørt i 2003 da Vellai og kolleger viste at RNAi mot let-363/CeTor betydelig forlenget levetiden til Caenorhabditis elegans og fungerte uavhengig av daf{{2} }, en FOXO-homologg som tidligere hadde vist seg å påvirke levetiden (12). Dette ble raskt fulgt av demonstrasjonen av at genetisk hemming av TOR-signalering forlenger levetiden hos Drosophila melanogaster og den spirende gjæren S. cerevisiae (13, 14). Genetisk hemming av mTOR-signalering hos pattedyr er en delikat sak, siden mTOR-proteinkinase, raptor, rictor og mLST8 alle er essensielle for utvikling (15). Nylig demonstrerte vi at Mtor pluss /–Mlst8 pluss /– hunnmus har redusert mTORC1-aktivitet og økt levetid, lik fenotypen rapportert av Sel man og kolleger for mus som mangler S6K1, et av de viktigste substratene til mTORC1 (16, 17) ). Derfor ser koblingen mellom mTOR-signalering og lang levetid ut til å være bevart fra gjær til pattedyr (tabell 1).

Effekter av Rapamycin på lang levetid

Rapamycin forlenger levetiden hos gjær, ormer og fluer (tabell 2 og ref. 18–21). I 2009 ble det vist at rapamycin forlenger både gjennomsnittlig og maksimal levetid for genetisk heterogene hann- og hunnmus (avkom av en fireveis krysning mellom langlivede, innavlede stammer) (22). Bemerkelsesverdig nok ble behandlingen ikke startet før musene hadde nådd en høy alder (20 måneder), omtrent tilsvarende en menneskealder på 60 år. I en oppfølgingsstudie som startet ved 9 måneders alder, forlenget rapamycin median levetid hos menn og kvinner med henholdsvis 10 prosent og 18 prosent, og maksimal levetid med 16 prosent og 13 prosent (23). Rapamycin ble mikroinnkapslet i et enterisk belegg som muliggjorde levering i maten under disse studiene, og blodnivået som ble oppnådd var omtrent tre ganger høyere enn det typiske terapeutiske området for immunsuppresjon hos mennesker (24).

Figur 1 mTOR-signalering. mTOR finnes i to komplekser, mTORC1 og mTORC2. mTORC1 reguleres delvis via TSC-komplekset, som normalt fungerer som et GTPase-aktiverende protein for Rheb for å undertrykke mTORC1-signalering. mTORC1 er også regulert av aminosyrer via den Ras-relaterte GTP-bindende (Rag) familien av små GTPaser. Rag-proteinene aktiverer mTORC1 ved å lokalisere mTORC1 til lysosomet via interaksjon med regulatorkomplekset (110). mTORC1 fremmer vekst ved å forbedre ribosomal biogenese, translasjon og andre anabole prosesser samtidig som den hemmer autofagi. mTORC1 undertrykker insulin/IGF-1-signalering via direkte regulering av Grb10 og S6K, som deretter reduserer signalering til mTORC2. AKT, en hemmer av TSC1/2, er en av flere direkte substrater for mTORC2. Prosesser som er oppregulert av mTOR-signalering er vist i rødt; de som er nedregulert av mTOR-signalering er vist i blått.

Andre studier har også funnet en positiv effekt av rapamycin på levetiden. Chen et al. fant at rapamycinreduserte dødeligheten hos eldre mennC57BL/6 mus (25). Anisimov et al. viste at rapamycin forlenger maksimal levetid (gjennomsnittlig levetid for de siste 10 prosentene som overlever) i en kortvarig, tumorutsatt musestamme (FVB/N HER-2/neu transgen) (26). Selv om denne studien gir sterke bevis på at rapamycin kan være gunstig i kreftsammenheng, gjør valget av stamme det vanskelig å skille antikrefteffekter fra aldring i seg selv. Rapamycin forlenger imidlertid også levetiden hos 129/Sv-mus, en innavlet stamme med mer typisk levetid og tumorforekomst (27). Imponerende nok forble 22,9 prosent av de behandlede musene i live ved døden til det siste kontrolldyret.

Til sammen gjør disse observasjonene rapamycin til den best støttede kandidaten for et pattedyr-medikament med lang levetid. Å forstå dens virkningsmekanisme har potensial til å gi innsikt i naturen til den underliggende aldringsprosessen og kan føre til nye terapeutiske tilnærminger for å lindre byrden av aldersrelaterte sykdommer. Mekanismen som står for antialdringseffektene av rapamycin er imidlertid ennå ikke klar (tabell 2).

Potensielle mekanismer for levetidsforlengelse av rapamycin

Antikrefteffekter. Kreft er den vanligste dødsårsaken for laboratoriemus, og rapamycin er et legemiddel mot kreft. Derfor er det fortsatt mulig at levetidsforlengelse av rapamycin er sekundært til tumorundertrykkelse og ikke relatert til den underliggende aldringsprosessen. Det er flere grunner til at vi ikke favoriserer denne modellen. For det første ble de første eksperimentene som koblet rapamycin og mTOR-hemming til lang levetid utført i organismer som hovedsakelig er postmitotiske (ormer og fluer) eller encellede (gjær) og derfor ikke opplever kreft. For det andre øker rapamycin maksimal levetid, og gir støtte for ideen om at det bremser flere aldersrelaterte patologier. Målretting mot en enkelt sykdom bør ikke øke levetiden til de lengstlevende individene i en gruppe vesentlig, da de eldste individene vil ha svært høy risiko for de fleste eller alle dødsårsaker med mindre den underliggende aldringsprosessen har blitt utsatt. For det tredje har rapamycin vist seg å forsinke flere aldersrelaterte endringer hos mus, inkludert tap av stamcellefunksjon (25), kognitiv nedgang (28), retinopati (29), akkumulering av subcellulære endringer i myokard, leverdegenerasjon, endometriehyperplasi , senestivelse og nedgang i fysisk aktivitet (30). Dessuten er rapamycin terapeutisk i gnagermodeller av hjertehypertrofi (31, 32) og nevrodegenerative sykdommer (33–35), tilstander som påvirker aldrende mennesker. Selv om forebygging av kreft helt klart spiller en viktig rolle i overlevelsesfordelene som rapamycin gir, er det viktig å forstå at kreft er en aldersrelatert sykdom, og forebygging av den er en forventet konsekvens av enhver behandling som bremser aldring.

Oversettelse. mTORC1, via S6K og 4E-BP, spiller en sentral rolle i reguleringen av translasjon, og det er verdt å vurdere om redusert proteinsyntese i seg selv kan mediere effekten av rapamycin på lang levetid. For eksempel kan reduksjon av den totale translasjonshastigheten tillate bedre troskap under syntese og/eller lindre stress på mekanismene som bryter ned feilaktige, feilfoldede eller skadede proteiner (36). Faktisk har eksperimenter i S. cerevisiae, C. elegans og D. melanogaster vist at delesjon eller siRNA-mediert knockdown av ribosomale underenheter, S6K eller translasjonsinitieringsfaktorer resulterer i økt levetid og S6K1-delesjon forlenger levetiden hos hunnmus, mens 4E-BP-sletting blokkerer de livsforlengende effektene av kalorirestriksjon (CR) hos fluer (13, 37–40).

Nyere funn utfordrer synet om at oversettelse i seg selv er nøkkelen til fordelene med TOR/mTOR-hemming. Mens hunnmus som mangler S6K1 har forlenget levetid, er det ingen merkbar effekt på total translasjon, i hvert fall i skjelettmuskulatur (41). I tillegg kan den lange levetiden til ormer som mangler en viktig translasjonsinitieringsfaktor fortsatt økes ytterligere ved TOR-sletting, noe som antyder at distinkte mekanismer er på spill (38). Dessuten er levetidsforlengelse på grunn av sletting av oversettelsesinitieringsfaktorer avhengig av daf-16, mens levetidsforlengelse ved uttømming av TOR, S6K eller ribosomale underenheter ikke er det, noe som igjen peker på involvering av flere forskjellige mekanismer (12 , 37). Interessant nok er det ikke mulig å redusere TOR ved bruk av RNAi ytterligere forlenge levetiden til spise-2-mutante ormer, en modell for CR, til tross for at den allerede lave proteinsyntesehastigheten undertrykkes med ytterligere 49 prosent (37). Videre er inaktivering av ormehomologen til AMPK tilstrekkelig til å undertrykke levetidsforlengelse hos dyr som mangler S6K, tilsynelatende uten å påvirke translasjonen (16). Det er klart at forholdet mellom oversettelse og lang levetid er mer komplekst enn først antatt

Oversettelse av spesifikke mRNA-er kan påvirke levetiden.

Mens fullstendig tap av mTOR-funksjon har en stor effekt på generell translasjon, har rapamycin en mer subtil effekt, mest sannsynlig fordi en undergruppe av funksjonene til 4E-BP er rapamycinresistente (42, 43). Både rapamycin og fullstendig mTOR-hemming foretrekker å undertrykke translasjon av mRNA-er med 5′-terminale oligo-pyrimidin-motiver, noe som antyder en potensiell rolle for disse genene i lang levetid (43, 44). Til tross for avtagende total proteinsyntese, forbedrer CR i fluer spesifikt translasjonen av en undergruppe av mRNA som har korte og mindre strukturerte 5′ UTRer, inkludert kjernekodede mitokondrielle gener (40). TOR-substratet 4E-BP er nødvendig for denne effekten og for forlengelse av levetiden. I gjær som mangler ribosomale subenheter eller TOR, krever full levetidsforlengelse økt translasjon av et spesifikt transkripsjon, GCN4 (45). Ekspresjon av GCN4 er begrenset av flere oppstrøms ORF-er som normalt sekvestrerer ribosomer som binder seg til mRNA. Under forhold med redusert TOR-aktivitet eller stor overflod av ribosomale underenheter, blir oppstrøms ORF-ene oftere forbigått for å starte translasjon av GCN4 ORF. Disse eksemplene fremhever finesser i reguleringen av oversettelse som vi bare begynner å sette pris på.

Tabell 2 Effekter av rapamycin på lang levetid

Autofagi. En annen effekt av mTOR-hemming som har vært knyttet til lang levetid er induksjon av autofagi, en prosess der cellene resirkulerer proteinene og organellene sine. Autofagi lar cellene overleve næringsbegrensede forhold og er en sentral mekanisme der skadede komponenter fjernes. Under forhold med næringstilstrekkelighet, fosforylerer mTOR og hemmer den autofagi-initierende kinasen ULK1 (46). Inaktivering av gener involvert i autofagi reduserer levetiden i gjær (kronologisk), C. elegans og Drosophila, og fremme av autofagi i fluens nervesystem forlenger levetiden (47–49). Videre er autofagi nødvendig for forlengelse med rapamycin av gjærs kronologiske levetid (47) og for levetidsforlengelse ved CR eller genetisk hemming av mTOR-signalering hos ormer (50).

Hos pattedyr ser autofagi også ut til å spille en betydelig rolle i aldringsprosessen. Mest dramatisk er induksjonen av autofagi tilstrekkelig til å forynge leverens histologi og funksjon hos gamle mus (51). Videre ser autofagi ut til å være oppregulert hos CR-mus og å mediere noen av de gunstige effektene av en CR-diett på hjertet, leveren og nyrene (52–54). Celler fra langlivede Snell-dvergmus viser også tegn på økt autofagi (55).Kardiomyocytter isolat fra gamle mus har lavere autofagi og viser defekter i kalsiumhåndtering, som begge er korrigert ved eksponering for rapamycin ex vivo (56). Økt autofagi kan imidlertid ikke alltid være fordelaktig, og kan faktisk bidra til den pro-aldrende fenotypen til progeroidmus (57).

Interessant nok forbedrer rapamycin nukleær blebbing og prematur senescens i celler avledet fra pasienter med Hutchinson Gilford progeria, et sjeldent for tidlig aldringssyndrom (58). Sykdommen skyldes en feilstavet variant av lamin A, kalt progerin, som akkumuleres i stor grad hos pasienter og som også oppdages i mindre mengder under normal cellulær aldring (59, 60). Rapamy cin ser ut til å stimulere clearance av progerin fra syke celler via autofagi og kan dermed også begrense den normale aldersrelaterte akkumuleringen av progerin. Samlet sett er den riktige reguleringen av autofagi sannsynligvis en kritisk determinant for sunn aldring.

Figur 2 Kronisk rapamycinbehandling forstyrrer mTORC2. (A) In vivo driver næringsstoffer og vekstfaktorer aktiviteten til mTORC1 og mTORC2, som fremmer vekst, aldring og insulinfølsomhet. (B) Akutt behandling med rapamycin hemmer mTORC1-signalering, begrenser vekst og fremmer lang levetid uten å redusere insulinfølsomheten. (C) Kronisk behandling med rapamycin hemmer både mTORC1 og mTORC2, begrenser vekst og svekker insulinsignalering, men fremmer lang levetid

Vedlikehold av stamceller. Rapamycin har en rekke interessante effekter på stamcellefunksjonen. Hyperaktiv signalering oppstrøms for mTORC1 på grunn av delesjon av Pten, sletting av tuberøs sklerose 1 (Tsc1), eller konstitutiv aktivering av AKT reduserer antallet og funksjonelle kapasiteten til HSC-er (61–63). Rapamycinbehandling kan gjenopprette normal selvfornyelseskapasitet i en underpopulasjon av muse-HSC-er som har spontant høyt oksidativt stress og redusert funksjonskapasitet (64). Mer nylig har Chen et al. bemerket at mTORC1-aktivitet er forhøyet i HSC-er avledet fra gamle mus, som viser funksjonelle mangler som minner om de forårsaket av Tsc1-sletting (25). Rapamycin gjenopprettet funksjonell kapasitet i HSCs fra gamle mus og styrket immunresponsen mot influensaviruset. Rapamycin øker også intestinal stamcelle-selvfornyelse via hemming av mTORC1 i de tilstøtende Paneth-cellene, tilsvarende effekter som har vært observert hos CR-dyr (65). I tillegg forbedrer rapamycin omprogrammeringen av somatiske celler for å generere induserte pluripotente stamceller, noe som antyder en generell promotering av stamcellefunksjon (66). På den annen side svekker rapamycin pluripotens, reduserer spredning og fremmer differensiering i humane embryonale stamceller (67, 68). I embryonale stamceller fra mus er ekspresjon av pluripotensmarkører mer motstandsdyktig mot rapamycinbehandling, likevel reduseres cellestørrelse og proliferasjon fortsatt og differensiering forbedres (67, 69). Spennende nok tømmer rapamycin leukemiinitierende celler og hemmer både selvfornyelses- og differensieringskapasiteten til stamceller avledet fra infantilt hemangiom, noe som tyder på en beskyttende effekt mot kreftstamceller (61, 70). Til sammen antyder disse resultatene at rapamycin modulerer oppførselen til stamceller og generelt favoriserer oppbevaring av "stamme" og en mer ungdommelig fenotype i de voksne stamcelletypene som har blitt studert.

in som et immundempende middel bør ikke overses når det kommer til lang levetid.

Kronisk,lavgradig betennelse er et trekk ved aldring, og nesten hver kronisk sykdom har en inflammatorisk komponent (71). En fullstendig diskusjon av de immunologiske effektene av rapamycin ligger utenfor omfanget av denne oversikten, og emnet har blitt dekket andre steder (72). Viktigere er at stoffet har både positive og negative effekter på medfødt og adaptiv immunitet, med et nettoresultat som er mer komplekst enn enkel immunsuppresjon, som eksemplifisert ved dets evne til å øke immuniseringen av gamle mus mot influensaviruset (25). mTORC2-avhengige mekanismer. Til tross for den høye spesifisiteten til rapamycin for mTORC1 under akutt behandling, kan kronisk eksponering også hemme mTORC2. Denne effekten ble først observert i visse dyrkede cellelinjer (73), og vi har nylig vist at den også forekommer in vivo i flere vev inkludert lever, muskel og fett (se figur 2). Det er foreløpig uklart om hemming av mTORC2 spiller en rolle i de pro-longevity effektene av rapamycin. Hunnmus som mangler S6K1 og Mtor pluss /–Mlst8 pluss /– hunnmus er tilsynelatende langlevende på grunn av svekkelser i mTORC1-avhengig signalering, men data fra C. elegans tyder på at hemming av mTORC2 også kan fremme lang levetid ( 21, 74). Interessant nok krever forlengelse av levetiden ved forstyrrelse av mTORC1 i ormer hud-1 (homologen til pattedyr NRF1/2) og daf-16 (homologen til pattedyr FOXOs), begge transkripsjonsfaktorer som kontrollerer gener involvert i stressforsvar. Forlengelse av levetiden med rapamycin eller mTORC2-avbrudd krever imidlertid bare SKN-1. I samsvar med en rolle for generelt stressforsvar i fordelene med rapamycin, er både ormer og fluer med nedsatt TOR-funksjon stressresistente, og induksjon av NRF1/2- og FOXO-målgener er påvist i leveren til mus behandlet med rapamycin (2 mg /kg daglig i to uker) (20, 21).