Kurkime ateitį drauge!

Badavimo mįslių raktas: sirtuinai

 

Prof. Vida Mildažienė, dr. Zita Naučienė

Badavimo arba maisto ribojimo dėl religinių ar dvasinių priežasčių papročiai žinomi nuo priešistorinių laikų. Juos mini Senasis ir Naujasis testamentai, Koranas, Mahabharata, Upanišados, antikiniai šaltiniai. Šiuolaikinis mokslas padėjo pagrįsti senų tradicijų prasmę ir išaiškino molekulinį badavimo poveikio mechanizmą.

Badavimas yra įprastas reiškinys įvairioms biologinėms rūšims.

 Periodinis badavimas būdingas rūšims gyvenančioms klimatinėse srityse, kurioms būdingi maisto prieinamumą lemiančių sąlygų kitimai, pavyzdžiui, užsitęsiančios sausros arba šalti laikotarpiai. Išgyventi tokius periodus organizmams padeda įvairūs prisitaikymo mechanizmai: kriptobiozė (tam tikri augalai ir mikroskopinės gyvūnų rūšys) ir hibernavimas. Neturinčioms kriptobiozės ir hibernavimo gebėjimų rūšims išlikti padeda tai, kad badaujant energijos poreikiai tenkinami pirmiausiai naudojant atsargines organizmo medžiagas (riebalų ir glikogeno sankaupas), vėliau – kitas organizmo struktūras. Badaujant mažėja kūno masė ir temperatūra, organizmai nustoja daugintis. Svarbi biologinių rūšių išlikimo mechanizmo dalis yra tai, kad išgyventas badavimo laikotarpis lėtina organizmo senėjimą ir didina jo gyvenimo trukmę. Toks biologinis atsakas sudaro sąlygas turėti daugiau palikuonių, jeigu po nepalankaus laikotarpio yra pakankamai maisto išteklių.

Net ir šiais civilizacijos pasiekimų (maisto prekių gausos, supermarketų ir nutukimo epidemijos) laikais Žemėje yra regionų, kuriuose žmonės badauja. Šiais atvejais maisto medžiagų trūkumas yra susijęs ir su vitaminų ir mineralų stoka. Tai sukelia daug neigiamų fiziologinių padarinių: mažą ūgį, pavėluotą brandą, mažesnį lytinių hormonų lygį ir vaisingumą, pažeistą imuninės sistemos veiklą, fiziologinių funkcijų nevisavertiškumą. Toks badavimas negali būti tapatinamas su kalorijų ribojimo dieta, kurią taikant, mažinama tik maisto energetinė vertė, tačiau jame turi būti pakankamai vitaminų ir minerainių medžiagų.

Badavimo poveikio organizmų gyvybinėms funkcijoms tyrimai.

Pirmieji moksliniai badavimo poveikio tyrimai pradėti beveik prieš 80 metų. Apie 1930 metus McCay [1] pradėjo metų 4 trukmės bandymus, kurių metu nustatė maisto kiekio ribojimo poveikį žiurkių augimui ir gyvenimo trukmei. Žiurkės gaudavo kitais atžvilgiais (vitaminai, mineralai) pilnavertį maistą, tačiau buvo stipriai ribojamos kalorijos, siekiant kad kūno masė didėtų tik 10 g per du at tris mėnesius. Iki soties maitintų žiurkių patinų vidutinė gyvenimo trukmė buvo 483 dienos, o gavusių ribotai maisto (kalorijų) – 894 dienos. Šie rezultatai neabejotinai liudijo, kad kalorijų ribojimas (KR) gali stipriai didinti gyvenimo trukmę.

Vėliau įrodyta, kad KR didina mielių, apvaliųjų kirmėlių, vabzdžių (Drosofilla melanogaster), pelių, vorų, žuvų, žiurkėnų, šunų ir greičiausiai, primatų gyvenimo trukmę. KR (60-70 proc.). Taigi, toks atsakas į KR yra universalus. Vadinasi, molekulinis tokio poveikio mechanizmas turėtų taip pat būti panašus įvairiems organizmams. KR taip pat mažino kūno temperatūrą, kraujo gliukozės ir insulino koncentraciją,  glikogeno kiekį, kūno svorį, organų dydį, gebėjimą daugintis. Nustatyta, kad 20 proc. KR yra mažiau veiksmingas už 40 proc. dydžio KR.

Dėl ilgos trukmės panašaus pobūdžio bandymus sudėtinga atlikti su žmonėmis, tačiau faktai apie didesnę tam tikrų žmonių populiacijų, tradiciškai vartojančių mažai maisto (Okinava, Japonija) gyvenimo trukmę, patvirtina nuomonę, kad KR gerina žmonių  savijautą, lėtina senėjimą ir didina ilgaamžiškumą. Jau pradėti ilgalaikiai KR poveikio bandymai su žmonėmis.   

Nuo 1935 metų buvo pasiūlyta apie dešimt KR poveikio aiškinimo būdų, iš kurių nei vienas nepaaiškina visų stebimų faktų. Greičiausiai tai reiškia, kad kalorijų ribojimas sukelia sudėtingą organizmo atsaką, kurį sunku paaiškinti viena teorija. Dauguma aiškinimų pagrįsti “pasyvaus” senėjimo teorija, kuri aiškina, kad senstant organizme vyksta neišvengiami „pasyvūs“ molekulinių sistemų veiklos pokyčiai. 

Badavimo poveikio tyrimų pradininkas McCay KR sukeliamą gyvenimo trukmės didėjimą bandė aiškinti tuo, kad KR sulėtina augimą ir brendimą. Šis aiškinimas buvo netrukus paneigtas, nustačius, kad ir vėlesniu gyvenimo tarpsniu KR didina ilgaamžiškumą.

Tarp 1950 ir 1981 metų KR poveikį buvo priimta aiškinti, remiantis faktu, kad maisto ribojimas lėtina metabolinį greitį (bazinis metabolinis greitis – deguonies sunaudojimo greitis nevalgius ir esant ramybės būsenoje). Tačiau vėliau įsitikinta, kad tai būdinga tik pradiniu KR periodu, o praėjus pirmoms šešioms dietos savaitėms KR ir kontrolinių gyvūnų metabolinis greitis yra vienodas. Lyginant įvairias gyvūnų rūšis, pastebėtas atvirkštinis ryšis tarp kūno masės, metabolinio greičio ir gyvenimo trukmės. Šios priklausomybės pirminė priežastimi dabar laikomas mažesnis laisvųjų deguonies formų (ROS – reactive oxygen species) susidarymo greitis didesnės kūno masės organizmų ląstelėse. Todėl badaujant sumažėja metabolinis greitis, laisvųjų radikalų susidarymas ir jų sukeliamos oksidacinės DNR, RNR, baltymų ir lipidų pažaidos.   

Kiti mokslininkai KR poveikį aiškina tiesiogiai tuo, kad badaujant, susidaro mažiau ROS, pažeidžiančių visas ląstelės struktūras. Su amžiumi besikaupiančios oksidacinės pažaidos yra viena iš svarbiausių senėjimo priežasčių [5,6]. Nustatyta, kad KR dietos eksperimentinių gyvūnų ląstelėse yra nustatoma mažiau lipidų, baltymų ir DNR oksidacinių pažaidų, o antioksidantais praturtintas maistas didina vidutinę gyvenimo trukmę. Tačiau antioksidantai ją didina tik nežymiai ir tokie rezultatai gauti ne visais atvejais. Medžiagos, galinčios turėti antioksidacinių savybių (melatoninas, karnozinas, kankorėžių peptidas epitalaminas, epitalonas (peptidas Ala-Glu-Asp-Gly)) didina vaisinių muselių gyvenimo trukmę. Kita vertus, gali būti, kad tam tikrų rūšių ląstelėse KR mažina mitochondrijų ROS susidarymą, o kitų rūšių organizmuose aktyvina antioksidacines sistemas.   

Dar 1960 metais buvo iškelta idėja [2], kad KR teigiamai veikia sveikatą, nes mažina kūno riebalų atsargas. Su amžiumi kūno baltojo riebalinio audinio kiekis didėja.  Tačiau ryšis tarp KR ir riebalų ne visada paprastas. Pavyzdžiui, tiriant šunis nebuvo nustatyta ryšio tarp jų riebalų masės ir gyvenimo trukmės, o riebesni graužikai netgi ilgiau gyveno. Neseniai nustatyta, kad riebalinis audinys yra svarbi endokrininė liauka, išskirianti apipokinus – hormonus, kurie iš tiesų turi įtakos gyvenimo trukmei [4]. Esant riebalinio audinio pertekliui, išskiriama daugiau senėjimą skatinančių hormonų.

Ląstelių išlikimo hipotezė teigia, kad KR didina gyvenimo trukmę, nes sulėtina neuronų ir kamieninių ląstelių praradimo greitį. Senėjimas siejamas su sumažėjusiu pasenusių ląstelių atsparumu stresui, kuris lengviau sukelia apoptozę. Nustatyta, kad KR poveikis priklauso nuo ląstelių tipo: KR didina greitai besidalijančių ląstelių (odos, imuninės sistemos, neoplastinių ląstelių) apoptozės greitį, tačiau mažina neuronų, kepenų, kitų imuninių ląstelių) apoptozės greitį ir didina jų atsparumą citotoksinams.

Pastaruoju metu suformuluota hormezės hipotezė, kuri tarsi apjungia visas kitas hipotezes ir gali paaiškinti prieštaringus faktus. Iš kitų ši hipotezė išsiskiria tuo, kad aiškina KR poveikį „aktyviu“ organizmo gynybiniu atsaku į maisto ribojimo sukeltą stresą, pirmiausiai – tam tikrų genų raiškos pokyčiais.

 

Hormezės hipotezė

Hormezė (nuo graikų kalbos hormæin – sujaudinti) yra terminas, apibūdinantis teigiamą biologinį atsaką į mažas toksinų dozes ar mažą kitų stresorių poveikį. Kalorijų ribojimą aiškinanti hormezės hipotezė KR prilygina stresui, kuris sukelia gynybinį organizmo atsaką, apsaugantį nuo senėjimo priežasčių. Šis požiūris iš esmės skiriasi nuo kitų hipotezių, nes vertina KR sukeltus organizmo veiklos pokyčius kaip aktyvios gynybos mechanizmą. Keturi svarbiausi KR hormezės hipotezės teiginiai:

 

1) KR aktyvina ląstelės signalo perdavimo kelius, kurie lemia atsaką į biologinį stresą ir maisto trūkumą;

2) KR aktyvinti signalo perdavimo keliai apsaugo ląsteles ir audinius nuo senėjimo;

3) KR aktyvinti signalo perdavimo keliai keičia gliukozės, riebalų ir baltymų apykaitą taip, kad padidinami organizmo gebėjimai išlikti streso sąlygomis (organizmo energijos sąnaudos nukreipiamos kūno išlikimui, dauginimosi funkcijos slopinamos);

4) KR aktyvinamus signalo perdavimo kelius koordinuoja endokrininė sistema.

5) KR aktyvinami signalo perdavimo keliai priklauso nuo nedidelio skaičiaus genų raiškos pokyčių.  

 

2003-2004 m. Sinclair ir Howitz [6,7] pasiūlė papildomą ksenohormezės sąvoką, kuria apibūdina organizmų gebėjimą aktyvinti savo gynybinius mechanizmus, atsakant į kitų organizmų sintetinamas streso arba KR metu molekules. Ksenohormezės pavyzdys augalų streso metu sintetinamo bifenolio resveratrolio poveikis – ši medžiaga aktyvina apsauginius gyvūnų mechanizmus, tarsi juos parengdama galimam stresui ir didina jų gyvenimo trukmę (1 pav.). 

Suformuluoti šias hipotezes ir apjungti daugelį faktų į vieną visumą mokslininkams padėjo tai, kad pastaruoju metu sukaupta daug naujų žinių apie tai, kokie genai lemia hormezę, kokie molekuliniai mechanizmai lemia ksenohormezę.

 

     

1 pav. Ksenohormezės hipotezė teigia, kad augaliniame maiste esančios streso medžiagos padeda tokį maistą vartojantiems organizmams greičiau pasirengti maisto nepritekliaus arba kitokio streso sąlygoms.   

 

Sirtuinai – gyvenimo trukmę didinančios baltymų deacetilazės.

1995 m. L. Guarente paskelbė pirmuosius duomenis, kad badavimo poveikis susijęs su jo sukeliamais tam tikrų genų raiškos pokyčiais [8]. Nustatyta, kad mielių gyvenimo trukmės didėjimą lemia genas Sir4 (angl. k. – silent information regulator), kuris yra svarbus transkripcijos nutildymui. Šie fermentai katalizuoja “tylinčio” heterochromatino susidarymą. Jų delecija mažino gyvenimo trukmę ir panaikino KR poveikį, o padidinta raiška didino mielių gyvenimo trukmę 30 procentų.

Tokie genai nustatyti ir kituose organizmuose, pradedant bakterijomis, baigiant žmonėmis. Jie koduoja baltymus, vadinamus sirtuinais. Tai yra nuo NAD+-priklausomomis baltymų deacetilazės, fermentai, kurie šalina acetilgrupę  nuo kitų baltymų acetillizino grupių. Reakcijos kofermentas yra oksiduotas nikotinadenino dinukleotidas NAD+, susidaro O-acetil-ADP-ribozė ir nikotinamidas (2 pav.). Streso metu oksiduotas NAD+ tampa dviejų streso signalo perdavimo kelių pirmtaku, naudojamu kovalentiškai modifikuoti daugelį baltymų  –  sirtuinai deacetilina baltymus, o baltymų monoADP-ribozilsintetazės ir poliADP-ribozilsintetazės baltymus mono- arba poliADP-ribozilina. Abiejų reakcijų produktas nikotinamidas slopina šias reakcijas. 

2 pav. Du svarbūs nuo NAD+ priklausomi atsako į stresą keliai – sirtuinų katalizuojamas baltymų deacetilinimas ir baltymų ADP-ribozilinimas.  

 

Baltymų acetilinimas ir deacetilinimas yra viena iš daugybės kovalentinių baltymų modifikacijų, kurios vyksta po baltymo sintezės (posttransliacinės modifikacijos). Tai keičia baltymo savybes, stabilumą, sąveiką su kitais baltymais ir su DNR. Viena iš svarbiausių sirtuinų funkcijų yra genų raiškos valdymas. Sirtuinų kompleksai su kitais baltymais reguliuoja transkripcijos represiją įvairiose genomo vietose.  

Sirtuinai būdingi tiek bakterijų, tiek eukariotų ląstelėms. Sirtuinų šeimai priklauso apie 60 baltymų, kurių didelio panašumo laipsnio seką sudaro maždaug 260 aminorūgščių. Šeimą sudaro penkios filogenetinės baltymų klasės (I-IV ir U) [9].

Žinduolių organizmuose šiuo metu nustatyti septyni sirtuinų homologai. Geriausiai ištirti yra žmogaus sirtuinai Sirt1, Sirt2 ir Sirt3. Jie veikia skirtingose ląstelės vietose (3 pav.). Apie Sirt4, Sirt5, Sirt6 ir Sirt7 funkcijas žinoma labai mažai.

 

 

 

 

 

3 pav. Žmogaus sirtuinai veikia branduolyje, citoplazmoje ir mitochondrijose.

 

Sirt1, Sirt6 ir Sirt7 yra branduolyje. Sirt1 jungiasi su keliais baltymais ir deacetilinimo taikiniais (substratais). Pirmasis nustatytas Sirt1 substratas buvo transkripcijos veiksnys TAF68, būtinas RNR polimerazės transkripcijos komplekso reguliacijai. TAF68 deacetilinimas in vitro inaktyvina transkripcijos pradėtį. Sirt1 labai aktyviai gali deacetilinti histoną H4. Vėliau nustatyta daug nehistoninių Sirt1 substratų – įvairūs represijos baltymai, raumenų transkripcijos veiksnys MyoD, ku70, NF-kB, FOXO, PGC-1a, vėžio supresorius p53. Šis svarbus baltymas, esant DNDR pažaidoms, yra aktyvinamas jį acetilinant Lys320 ir Lys382 padėtyse (fermentas acetiltransferazė p300). Sirt1 mažina p53 aktyvumą, slopina apoptozę ir didina atsparumą DNR pažaidoms. Greičiausiai Sirt1 svarbus ne tik genų raiškai valdyti, bet ir DNR pažaidų taisymui, atsakui į stresą ir senėjimo vyksmams. Sirt1 skatina gliukozės sukeltą insulino išskyrimą kasos b ląstelėse. Sirt1 sąveika su insulino signalo perdavimo kelio baltymais lemia jų aktyvinimo (pvz. resveratroliu) poveikio sutapimą su badavimo sukeltais medžiagų apykaitos pokyčiais. Šių dviejų kelių sąveikos molekulinis mechanizmas, deja,  tikrai nėra tinkama tema populiariam straipsniui, taigi gerbiamam skaitytojui liks tiesiog tuo patikėti... 

Sirt6 baltymų deacetilazės aktyvumas yra mažas, jis svarbesnis kaip auto-ADP-riboziltransferazė. Svarbiausia šio sirtuino funkcija yra DNR pažaidų taisymas.

Žmogaus Sirt7 veikia branduolėliuose, kur jis jungiasi su rDNR ir sąveikauja su RNR polimeraze I. Sirt7 skatina rRNR transkripciją, valdo ląstelės augimą ir medžiagų apykaitą. Jo raiška tiesiogiai proporcinga audinių atsinaujinimo greičiui. 

 

Sirt2 citoplazmoje yra susijungęs su mikrovamzdelių tinklu. Jis sudaro kompleksą su histonų deacetilaze HDAC6. Abu baltymai gali deacetilinti a-tubulino Lys40. a-Tubulino acetilinimas, veikiant HDAC6, keičia ląstelės judrumą. Sirt2 kiekis padidėja prieš mitozę ir greitai sumažėja ląstelei pasidalijus. Greičiausia, jis Sirt2 valdo ląstelės ciklą. Šiuo metu nėra žinoma, ar tai susiję su a-tubulino deacetilinimu.  Yra duomenų, kad Sirt2 gali veikti kaip vėžio supresorius.

 

Mitochondrijų sirtuinai yra Sirt3, Sirt4 ir Sirt5. Onyango ir kt. 2002 m. nustatė, kad Sirt3 yra įnešamas į mitochondrijų užpildą. Mitochondrijų viduje MPP peptidazė aktyvina jį, pašalindama 100 aminorūgščių nuo N galo. Žinoma, kad in vitro  Sirt3 gali deacetilinti H4. Jo baltyminiai substratai mitochondrijų viduje, kur histonų nėra, tik pradeda aiškėti.

Daug Sirt3 yra rudųjų riebalų audiniyje. Sirt3 raiška didėja, veikiant šalčio stresui. Sirt3 valdo mitochondrijų funkcijas, greitina kvėpavimą ir mažina reaktyviųjų deguonies formų susidarymą. Sirt3 baltymų deacetilazinis aktyvumas būtinas mitochondrijų UCP (atskiriantis baltymas) ekspresijai.

2006 m. (Hallows ir kt.) nustatyta, kad Sirt3 valdo acetil-KoA sintetazės aktyvumą. Šis fermentas sintetina svarbų trikarboksirūgščių ciklo tarpininką acetil-KoA iš acetato, KoA ir ATP. Jis būtinas riebalų ir cholesterolio sintezei. Acetil-KoA sintetazės aktyviojo centro acetilinimas slopina fermentą, o deacetilinimas – skatina. Tokiu būdu sirtuinai valdo dviatomių anglies fragmentų (acetato) įsijugimą į centrinę madžiagų apykaitą. Tai gali būti ypač svarbu badaujant.    

Kitas įdomus mitochondrijų sirtuinas yra Sirt4, kuriam nebūdingas baltymų deacetilazės aktyvumas. Šis sirtuinas veikia kaip ADP-riboziltransferazė. Jis modifikuoja ir slopina glutamato dehidrogenazę (GDH). Šis fermentas reguliuoja kasos ląstelių insulino išskyrimą, nukreipdamas aminorūgščių srautą į centrinę medžiagų apykaitą. Sirt4 sieja insulino išskyrimo vyksmus su kalorijų ribojimo sukeliamais pokyčiais. Badavimo metu Sirt4 kiekis mažėja ir  GDH yra mažiau ADP-ribozilinta ir todėl aktyvesnė. Todėl badaujančių gyvūnų kasos ląstelės jautriau atsako į gliukozę ir aminorūgštis, išskirdamos daugiau insulino. 

 

Vienas iš labiausiai intriguojančių dalykų yra tai, kad sirtuinai gali būti labai svarbūs genetiniam senėjimo valdymui. Žmogaus ilgaamžiškumas daugiau siejamas su Sirt3 geno polimorfizmu. Gali būti, kad su sirtuinu aktyvinimu susiję svarbaus medžiagų apykaitai kofermento NAD kiekio mažėjimas arba NAD/NADH santykio pokyčiai yra svarbus signalas, keičiantis ląstelės dalijimosi greitį ir turintis įtakos jos sprendimui dėl apoptozės ar išlikimo.  Šiuo metu mokslininkai inirtingai narplioja sudėtingą dauginės sirtuinų veiklos schemą, ir labai tikėtina kad artimiausiu laiku sužinosime įdomių naujienų .

 

1.            McCay CM, Crowel MF, Maynard LA. The effect of retarded growth upon the length of the life span and upon the ultimate body size. J. Nutr. 1935:10; 63-79.

2.             Berg BN, Simms HS. Nutrition and longevity in the rat. II. Longevity and onset of disease with different levels of food intake. J. Nutrition 1960; 71:255-263.

3.            Ahima RS. Adipose tissue as an endocrine organ. Obesity (Silver Spring). 2006;14 Suppl 5:242S-249S.

4.            Barja G. Aging in verterbrates, and the effect of caloric restriction: a mitochondrial free radical production – DNA damage mechanism? Biol. Rev. Camb. Philos. Soc. 2004; 59: 235-251.

5.            Merry  BJ. Oxidative stress and mitochondrial function with aging – the effects of calorie restriction. Aging cell 2004; 3:7-12.

6.            Howitz KT et al. Small molecule of activators of sirtuins extend Saccharomyces cerevisiae lifespan. Nature 2003: 425;191-196.

7.            Lamming DW, Wood JG, Sinclair DA. Smal molecules that regulate lifespan: evidence for xenohormesis. Mol. Microbiol. 2004: 53; 1003-1009.

8.            Kennedy BK, et al. Mutation in the silencing gene SIR4 can delay aging in  S. Cerevisiae. Cell 1995:80;485-496.

9.            North BJ, Verdin E. Sirtuins: Sir2-related NAD-dependent protein deacetilases. Genome Biology 2004;5:224.5-224.11.



Naturales Scientiae Omnibus