Ограничение глюкозы увеличивает продолжительность жизни, вызывая митохондриальное дыхание и увеличивая окислительный стресс

Снижение потребления калорий (CR) – давнее средство увеличения продолжительности жизни животных, включая млекопитающих. В настоящее время неизвестно, способно ли CR увеличить продолжительность жизни человека. Однако исследование 2006 года на здоровых людях с избыточным весом показало, что полугодовое ограничение калорий улучшает биомаркеры долголетия: снижает инсулин натощак и внутреннюю температуру тела, а также уменьшает повреждения ДНК.

Идея о том, что продолжительность жизни зависит от количества употребляемых калорий, не нова. В 1908 году Макс Рубнер предположил, что максимальная продолжительность жизни обратно пропорциональна количеству метаболизируемой пищевой энергии. В 1928 эту гипотезу расширил Раймонд Перл, предположив, что повышенная скорость метаболизма сокращает продолжительность жизни. В процессе обмена веществ образуются активные формы кислорода (АФК). Их производят митохондрии – части клетки, которые вырабатывают энергию. Ученые предположили, что при усиленном митохондриальном метаболизме будет выделяться больше АФК. Накопление АФК вызовет окислительное повреждение и приведет к нейродегенеративным заболеваниям, диабету, раку и преждевременному старению.

Усиливают выработку АФК такие клеточные стрессы как гипоксия, инфекции, стимуляция факторами роста, а также голодание.

Исторически считалось, что активные формы кислорода вызывают исключительно повреждение клеток и не имеют физиологической функции. Однако все больше данных свидетельствуют о том, что АФК критически важны для здорового функционирования клеток. А усиление митохондриального метаболизма, при котором вырабатывается больше АФК и других стрессоров, увеличивает защиту от стресса и, возможно, продлевает жизнь.

Этот факт подтверждается тем, что физическая нагрузка увеличивает образование АФК, и в то же время она увеличивает продолжительность жизни. А недавние данные свидетельствуют о том, что пищевые добавки с антиоксидантами могут сокращать продолжительность жизни.

Ученые исследовали, как на продолжительность жизни влияет ограничение употребления глюкозы. В западных странах глюкоза – основа питания. В частности, сахар у американцев составляет 15,8% ежедневного потребления калорий. Чтобы исследовать роль метаболизма глюкозы в продолжительности жизни, ученые подвергли нематоду Caenorhabditis elegans химическому ингибитору гликолиза, вызвав метаболическое состояние, которое напоминает диетическое ограничение глюкозы.

Ограничение глюкозы у C. elegans:

  • Усиливало митохондриальное дыхание, которое увеличивало окислительный стресс. Этот стресс устраняла предварительная обработка различными антиоксидантами.
  • Повышало выработку АФК, которая увеличивала способность к антиоксидантной защите.
  • Увеличивало максимальную продолжительность жизни на 25% и среднюю продолжительность жизни на 17%. Такие антиоксиданты как аскорбиновая кислота (витамин C) и тролокс (производное витамина Е) отменяли увеличение продолжительности жизни, в то время как ни один из этих антиоксидантов сам по себе не оказывал значительного влияния на продолжительность жизни.

Эти последние результаты предполагают, что широкое использование антиоксидантов в качестве пищевых добавок для человека может вызывать нежелательные эффекты, то есть снижение клеточной и системной стрессоустойчивости, которые могут снизить продолжительность жизни.

Физиологическая роль митохондриальных активных форм кислорода

Активные формы кислорода необходимы для здорового функционирования клеток. В настоящее время считается, что активные формы кислорода действуют как сигнальные молекулы, регулирующие широкий спектр физиологических процессов, включая адаптацию к гипоксии, аутофагию, иммунитет, дифференцировку стволовых клеток и долголетие.

Митохондрии усиленно выделяют АФК в ответ на стресс. АФК действуют в качестве промежуточного звена передачи сигналов для облегчения клеточной адаптации к этому стрессу. Считается, что в отсутствие клеточного стресса существует тональный уровень АФК, который поддерживает гомеостаз, в то время как после стресса этот уровень АФК может колебаться, изменяя пути передачи сигналов.

АФК митохондрий регулируют адаптацию к гипоксии

Кислород имеет решающее значение для выживания аэробных организмов из-за его роли в производстве АТФ митохондриями. АТФ – универсальное топливо для всех процессов организма. Когда клетки млекопитающих сталкиваются с более низкими уровнями кислорода – испытывают гипоксию (0,3–3% O2) – в них происходят реакции для увеличения поступления кислорода при одновременном снижении использования кислорода. Многие из этих адаптивных реакций к условиям с низким содержанием кислорода вызываются или усиливаются митохондриальными АФК.

Семейство факторов, индуцируемых гипоксией (HIF: HIF-1 и HIF-2), регулирует ответ на гипоксию – способствует выработке:

  • гормона эритропоэтина (ЭПО) для увеличения производства красных кровяных телец;
  • фактора роста эндотелия сосудов (VEGF) для стимулирования образования новых  кровеносных сосудов;
  • гликолитических ферментов для поддержания уровня АТФ.

Хотя увеличение АФК важно для активации HIF, устойчивое увеличение продукции АФК может быть пагубным. Интересно, что клетки, лишенные HIF-1, поддерживают повышенные уровни АФК в условиях хронической гипоксии и в конечном итоге гибнут.  Это говорит о том, что HIF-1 обеспечивает обратную связь и снижает уровни АФК в качестве адаптивного механизма выживания клеток в условиях хронической гипоксии.

Таким образом, клетки используют резкое увеличение митохондриальных АФК для стабилизации HIF в условиях гипоксии и впоследствии сдерживают продукцию АФК в условиях хронической гипоксии, чтобы избежать повреждения клеток.

У млекопитающих ответ на гипоксию включает сокращение легочной сосудистой сети для отвода крови из гипоксических областей легких, высвобождение нейротрансмиттеров каротидным телом для увеличения частоты дыхания и снижение использования АТФ.

Гипоксия стимулирует сокращение легочной сосудистой сети, вызывая приток кальция в гладкомышечные клетки легочной артерии (PASMC) – а кальций активирует сокращение клеток. Некоторые исследования предполагают, что сокращение PASMC в условиях гипоксии требует АФК. Основным доказательством этого является то, что митохондриальные ингибиторы и митохондриальные антиоксиданты блокируют гипоксическое сужение легочных сосудов и сокращение PASMC в условиях гипоксии.

АФК митохондрий регулируют аутофагию

Аутофагия – это процесс, с помощью которого клетки поглощают и разрушают внутриклеточные белки и органеллы в лизосоме и перенаправляют компоненты для нового биосинтеза. В нормальных условиях это происходит постоянно, чтобы удалить и переработать поврежденные белки и органеллы.

Клетки, лишенные способности подвергаться аутофагии, накапливают дисфункциональные митохондрии, которые обычно удаляются посредством аутофагии митохондрий, называемой митофагией. Эти клетки накапливают АФК в результате как увеличения общего количества митохондрий, так и увеличения количества поврежденных митохондрий, которые выделяют более высокие уровни АФК. Таким образом, митофагия – это механизм ограничения уровня АФК.

Помимо своей роли в поддержании гомеостаза, аутофагия также является важным ответом на клеточный стресс, включая голодание, ишемию и инфекцию. При голодании функция аутофагии заключается в рециркуляции внутриклеточных молекул, когда внешние питательные вещества ограничены.

Митохондриальные АФК необходимы для запуска аутофагии при голодании. АФК и митофагия могут образовывать петлю обратной связи, посредством которой АФК запускает митофагию, что ограничивает дальнейшее производство АФК за счет уменьшения количества митохондрий.

Митохондриальные АФК регулируют дифференцировку стволовых клеток

Эмбриональные стволовые клетки дают начало всем клеткам многоклеточного организма, а взрослые стволовые клетки пополняют запасы клеток на протяжении всей жизни организма и после травм. Стволовые клетки характеризуются своей способностью как к самообновлению для поддержания пула стволовых клеток, так и к дифференцировке с образованием свежей специализированной ткани. Молекулярные механизмы, которые управляют обновлением пула и дифференцировкой, полностью не изучены, но недавние исследования показывают, что важную роль в них играют митохондриальные АФК.

Исследования показали, что АФК необходимы для дифференцировки стволовых клеток:

  • Удаление АФК из мультипотентных гематопоэтических клеток-предшественников Drosophila замедляет дифференцировку в зрелые клетки крови. И наоборот, увеличение АФК ускоряет дифференцировку.
  • Митохондриально-направленные антиоксиданты подавляют дифференцировку человеческих мультипотентных стволовых клеток в клетки жировой ткани млекопитающих – адипоциты. Этот факт подтверждает, что АФК необходимы для дифференцировки клеток млекопитающих.
  • Митохондриальные АФК важны для дифференцировки человеческих стволовых клеток. Человеческие плюрипотентные стволовые клетки (hPSC) подавляют выделение белка UCP2 во время дифференцировки. А снижение выделения UCP2 обычно увеличивает продукцию АФК.

В будущих исследованиях следует выяснить, являются ли митохондриальные АФК общим требованием для множества систем дифференцировки и необходимы ли они для дифференцировки in vivo.

Митохондриальные АФК регулируют старение

Причина старения остается предметом споров. Некоторые утверждают, что старение заранее запрограммировано, в то время как другие предполагают, что это просто эффект накопления повреждений белков, липидов и ДНК.

В 1950-х годах Денхэм Харман предложил свободнорадикальную теорию старения в качестве молекулярного объяснения того, почему происходит старение. Теория состоит в том, что свободные радикалы как побочные продукты окислительного метаболизма вызывают кумулятивное повреждение клеток, которое с течением времени приводит к общей потере жизнеспособности организма. Если эта теория верна, то увеличение антиоксидантной способности должно увеличить продолжительность жизни организма. Тем не менее, за последние два десятилетия не было единого мнения о том, происходит это или нет, и есть противоречивые отчеты и обзоры, показывающие, что АФК являются как причиной, так и просто свойством процесса старения.

Поскольку АФК необходимы для поддержания нормальной физиологии, увеличение антиоксидантной способности ограничит не только окислительное повреждение, но также и нормальную адаптацию к стрессу.

Недавние данные показывают, что низкие уровни АФК активируют стрессовые реакции, которые полезны для организма и продлевают продолжительность жизни:

  • У дрожжей ингибирование TOR (мишени рапамицина) увеличивает продолжительность жизни за счет увеличения АФК.
  • Ограничение калорийности увеличивает продолжительность жизни дрожжей за счет выделения перекиси водорода H2O2 – продукта АФК.
  • Как ингибирование TOR, так и ограничение калорийности увеличивают продолжительность жизни у млекопитающих, хотя связь с АФК не установлена.
  • У Drosophila уровни АФК увеличиваются с возрастом, но не изменяются при вмешательствах, увеличивающих продолжительность жизни.
  • У C. elegans ограничение глюкозы увеличивает АФК, увеличивая продолжительность жизни.
  • У мышей существует корреляция между усилением выработки АФК и увеличением продолжительности жизни.

Данные о регуляции продолжительности жизни человека немногочисленны. Репликативное старение человеческих клеток in vitro используется как суррогат для изучения продолжительности жизни человека.

Интересно, что ранний столп теории свободных радикалов основан на наблюдении, что у диплоидных фибробластов человека увеличивается репликативная продолжительность жизни в условиях гипоксии. Было высказано предположение, что уменьшение содержания кислорода снижает АФК и накопление окислительного повреждения, тем самым увеличивая продолжительность репликативной жизни. Однако, как отмечалось выше, гипоксия парадоксальным образом увеличивает АФК. Кроме того, было показано, что АФК необходимы для увеличения репликативной продолжительности жизни фибробластов человека в условиях гипоксии.

В результате многочисленных исследований низших организмов появилась теория, согласно которой низкие уровни митохондриальных АФК замедляют старение.

Митохондриальные АФК могут служить сигналом тревоги, чтобы уведомить клетку об изменении внеклеточной среды. Выработка АФК жестко регулируется: высокие уровни АФК вызывают повреждение и последующую гибель клеток, в то время как умеренный уровень вызывает адаптацию организма и способствует выживанию клеток. Ингибирование АФК антиоксидантами не имеет предсказуемого результата для функции клеток, поскольку роль АФК изменяется в различных условиях окружающей среды.

Митохондриальные АФК регулируют иммунитет

Для уничтожения патогенов иммунные клетки используют окислительный взрыв – резкое высвобождение АФК. Однако для широкого спектра функций врожденного иммунитета, включая противовирусные, антибактериальные и противопаразитарные реакции, необходимы более тонкие изменения внутриклеточного окислительно-восстановительного состояния, регулируемые АФК.

Более десяти лет назад было обнаружено, что мыши с нокаутом белка UCP2 обладают повышенным иммунитетом к Toxoplasma gondii и Salmonella typhimurium. Примечательно, что в то время как все контрольные мыши погибли от инфекции T. gondii, нокаутные мыши были защищены. Чем меньше вырабатывается белка UCP2, тем больше АФК выделяют митохондрии. В самом деле, изолированные нокаутные по UCP2 макрофаги  генерируют больше АФК и более эффективно устраняют тахизоиты T. gondii in vitro. Этот эффект устраняется обработкой антиоксидантами. Также установлено, что эндотоксин LPS подавляет UCP2 в макрофагах дикого типа, в частности, чтобы увеличить выработку АФК для активации сигнального пути MAPK и усилить окислительный взрыв для уничтожения патогенов.

Несколько доказательств указывают на роль митохондриальных АФК в функции клеток приобретенного и врожденного иммунитета. Обработка первичных Т-клеток антиоксидантами подавляет пролиферацию и продукцию провоспалительного белка-цитокина IL-2 после стимуляции T-клеточного рецептора / CD28. Этот факт указывает на то, что АФК необходимы на ранних стадиях активации Т-клеток. Кроме того, лечение мышей антиоксидантами, вводимыми перорально, уменьшает рост Т-клеток после вирусной инфекции. Таким образом, АФК необходимы для функционирования Т-клеток in vivo.

Митохондриальные АФК регулируют ответы интерферона I типа в плазмацитоидных дендритных клетках

АФК участвуют во множестве сигнальных путей, включая противовирусные реакции.

Плазмацитоидные дендритные клетки (pDC) – ключевые регуляторы противовирусного иммунитета. В ответ на вирусы они продуцируют сигнальный белок интерферон I типа (ИФН) в 200–1000 раз больше, чем другие лейкоциты или тканевые клетки. Устойчивое производство pDC ИФН-I имеет решающее значение для устранения некоторых острых вирусных инфекций. Об этом свидетельствует тот факт, что при истощении pDC нарушается секреция ИФН-I, и вирусная инфекция переходит в хроническую форму.

Вирусы очень разнородны по структуре, геномному составу и стратегии репликации, следовательно, требуется несколько рецепторов для обнаружения их присутствия в различных участках клетки.

Ученые предложили модель, в которой рецептор TLR организуют первую фазу продукции ИФН-I, тогда как рецептор RIG-I участвует только в поздней фазе противовирусных ответов, усиливая продукцию ИФН-I в pDC:

  • Первоначальное распознавание вирусных нуклеиновых кислот и первая волна продукции ИФН-I, в основном, происходит за счет эндосомных Toll-подобных рецепторов (TLR) 7 и 9 в pDC, которые избирательно экспрессируются в pDC. На ранней стадии вирусной инфекции pDC, циркулирующие в крови или локализующиеся во вторичных лимфоидных тканях, поглощают неинфекционные вирусные частицы или части погибших инфицированных клеток и продуцируют большое количество интерферона типа I, которое не зависит от внутренней репликации вируса в pDC.
  • Позже, когда pDC покидают кровоток и накапливаются в месте заражения, они могут инфицироваться вирусами, что требует обнаружения промежуточных продуктов репликации вируса цитозольными рецепторами, такими как RIG-I. В отличие от обычных дендритных клеток и макрофагов, RIG-I не экспрессируется в покоящихся pDC, но его экспрессия быстро усиливается при стимуляции эндосомных TLR.

Ученые исследовали регуляторную роль АФК в антивирусных сигнальных путях, инициированных рецепторами, расположенными в различных участках клетки. Они изучили потенциальное влияние повышенных уровней АФК на раннюю фазу продукции ИФН-I, опосредованную эндосомными TLR, и на позднюю фазу секреции ИФН I, индуцированную цитозольным рецептором RIG-I в pDC.

Ход исследования:

  • Чтобы вызвать повышенное образование АФК, клетки обрабатывали антимицином-A (AMA).
  • Рецептор TLR9 стимулировали с помощью CpG-A.
  • Чтобы вызвать экспрессию RIG-I, клетки инкубировали с CpG-A в течение 16 часов.

Результаты исследования:

  • Обработка AMA увеличивает продукцию АФК в клетках, что можно предотвратить путем предварительной обработки антиоксидантом.
  • Повышенные уровни АФК существенно не изменяют фенотип клетки, но снижают выделение провоспалительных цитокинов и хемокинов.
  • Митохондриальные АФК подавляют индуцированную CpG-A продукцию ИФН-α.
  • Повышенный уровень АФК снижает индуцированную CpG-A экспрессию RIG-I.
  • Повышенный уровень АФК увеличивает продукцию ИФН-I в клетках, активированных RIG-I, тогда как снижает ее в клетках, повторно стимулированных CpG-A.
  • Повышенный уровень АФК усиливает экспрессию и фосфорилирование ключевых сигнальных молекул сигнального каскада RIG-I.

Выводы

Повышать уровни митохондриальных АФК могут различные экзогенные и эндогенные стимулы, такие как гипоксия, стимуляция факторами роста, инфекция, голодание и ограничение глюкозы. Слишком высокие уровни АФК вызывают повреждение тканей, в то время как умеренные – повышают устойчивость организма к стрессорам и увеличивают продолжительность жизни.

АФК необходимы для здорового функционирования клеток. Они регулируют адаптацию к гипоксии, аутофагию, иммунитет, дифференцировку стволовых клеток и долголетие.

За последние десятилетия множество исследований продемонстрировали критическую роль АФК в клеточных сигнальных путях и врожденных иммунных ответах, включая противовирусный и антибактериальный иммунитет. Иммунная система очень чувствительна к АФК. Эндосомные TLR-опосредованные противовирусные ответы человеческих pDC снижаются при воздействии экзогенных / эндогенных источников АФК.

Ранее считалось, что pDC, в отличие от обычных дендритных клеток или макрофагов, преимущественно используют систему TLR, а не RIG-I-подобные рецепторы (RLR) для обнаружения вирусных инфекций. Однако недавно ученые обнаружили, что RIG-I также способствует распознаванию вирусов и последующим противовирусным иммунным ответам pDC. В покоящихся pDC человека RIG-I экспрессируется на очень низком уровне, но его экспрессия значительно повышается за счет стимуляции клеточных рецепторов TLR7 или TLR9. Таким образом, при распознавании вирусных нуклеиновых кислот ранний ответ ИФН-I зависит от TLR-опосредованных сигналов, тогда как вторая волна продукции ИФН-I может быть опосредована передачей сигналов RLR.

Плазмацитоидные DC являются основными источниками интерферонов I типа при вирусных инфекциях. Однако чрезмерное производство ИФН-I не всегда полезно, так как оно может привести к неконтролируемому воспалению и разрушению здоровых тканей. Поэтому контроль TLR-опосредованных системных ответов ИФН с помощью циркулирующих pDC во время ранней фазы вирусной инфекции может предотвратить чрезмерное повреждение тканей.

На поздних стадиях инфекции pDC перераспределяются в инфицированные периферические ткани. Там они могут подвергаться воздействию повышенного уровня АФК, продуцируемых воспалительными клетками, и быть инфицированы реплицирующимися вирусами. Это приводит к цитозольному распознаванию вирусной РНК с помощью RIG-I и вызывает вторую волну продукции ИФН-I в pDC. Вторая фаза продукции ИФН, опосредованная RIG-I, намного слабее по сравнению с первой фазой, инициированной TLR. Но вторая фаза усиливается АФК, что подтверждается результатами исследования.

Дальнейшее изучение того, как АФК регулирует сигнальные пути, поможет улучшить лекарства, нацеленные на АФК-зависимые молекулы, для лечения воспалительных заболеваний и продлить жизнь человека.

Источники