Mik voltak a legelső tudományos eredmények, amelyek arra utalnak, hogy az öregedés befolyásolható?
És mik azok, amelyeknek akár máris hasznát vehetjük?
Suhajdáné Urbán Veronika PhD; Bugris Valéria PhD
Az első megfigyelések az öregedés ütemének befolyásolhatóságára
Ha megnézzük az öregedéskutatás idővonalát egy összefoglaló tanulmányban (Campisi et al., 2019), akkor látjuk, hogy a legelsőként hivatkozott mérföldkő még az 1930-as évekből való. Ott született az a megfigyelés, hogy egerek és patkányok kalóriabevitelének korlátozása megnöveli az állatok élettartamát. Ez a felfedezés később majmokon is igaznak bizonyult (Mattison et al., 2017). Kiderült, hogy a beavatkozás nemcsak a maximális élettartamot növeli akár 20-40%-kal, de képes lehet, akár emberek esetében is, az életkorral összefüggő betegségek (keringési, anyagcsere és rák) kialakulását is visszaszorítani (Omodei & Fontana, 2011).
Az öregedés befolyásolhatósága olyan egyszerű módszerekkel, mint a kalóriabevitel megváltoztatása, már a múlt században is, a genetikai, epigenetikai és sejtbiológiai bizonyítékok hiányában, tehát a mechanizmus megértése nélkül is, szenzációnak számított.
Ma már jobban értjük a molekuláris részleteket. Lássuk, mit sikerült kideríteni!
Az öregedés génjeinek „beazonosítása” és a genomi és környezti (nature vs nurture) megközelítés relatív zsákutcája és a kiút
Az első megfigyelések után több mint ötven évvel, amikor a genetika tudományának fejlődése megfelelő szintre jutott, elkezdtük a kapcsolódó gének keresését. Ezek legelső mérföldköve egy fonálférgen, a Caenorhabditis elegans-on végzett kutatás, melyben megmutatták, hogy egyetlen gén (amelyet age-1-nek neveztek el) recesszív mutációja képes 40-60%-kal megnövelni a mutánsok élettartamát a vad típushoz képest (Friedman & Johnson, 1988).
Ennél is jelentősebb, több, mint kétszeres élettartam növekedést sikerült Cynthia Kenyonnak és munkatársainak elérnie egy másik gén, a daf-2 mutációjával, illetve leírták, hogy a daf-16 gén aktivitása (a DAF-16 fehérje) is szükséges ehhez. Ez a Nature folyóiratban 1993-ban megjelent publikáció nagy hatással volt a tudományra (Kenyon et al., 1993). Sokan kezdték el keresni az élettartamra hatással bíró génvariánsokat. Nem hiába. Sorra azonosították be azokat a géneket, amelyek különböző mértékben hatással lehetnek az élettartamra. Csak a C. elegansban már 900 körül jár jelenleg azon gének száma, amelyek az élettartammal összefüggésbe hozhatóak akár öregedést lassító, akár azt gyorsító módon.
A várható élettartamra hatással lévő emberi génekre vonatkozó adatok is gyűlnek (Bin-Jumah et al., 2022).
Az a valószínű, hogy szegről végről, direkt, vagy indirekt módon, valamennyi génünk a hosszú életet befolyásoló kategóriába tartozik pro, vagy kontra értelemben, hiszen a génkölcsönhatások, szabályozások és szabályozottságok, a külső-belső környezet függvényében, mind hozzájárul az élethez, egészséghez, betegséghez, a hosszú, vagy rövid élethez is. Koncepcionális hiba ma már csak a gének (nature) felől közelíteni, ami akkoriban – nem is olyan régen – a genomi érában, amikor minden jellemző hátterét a génekben kerestük, természetes volt.
Ugyancsak hiba azonban kizárólag a környezet (nurture, tágabb értelemben az életmód) felől közelíteni, ha nem tudjuk, hogy milyen szervezetre, milyen szabályozottsági állapotra szeretnénk hatni általa és amíg nem értjük elég pontosan a hatásmechanizmusokat, a jelutakat.
Ha a jelutak felől közelítjük az öregedést, akkor hamar eljutunk a tápanyagérzékeléshez
Egy új fogalom! Hogyan is képzelje el a laikus (máshoz értő) olvasó a jelutakat?
A szervezetünkben és a sejtjeinkben is működik a jelutak állandóan jelelő és a jeleket felfogó, rendkívül komplex információs hálózata: folyamatosan cikáznak a jelek, ráadásul úgy, hogy közben az egyes jelutak képesek hatni egymásra: erősíthetik, vagy gyengíthetik egymást. Ha ezeket sikerül egy-egy vonatkozásban felderíteni, akkor szokták azt mondani a kutatók, hogy ismert a mechanizmus. Így például, ha az inzulin jelátvitel mechanizmusát szeretnénk megérteni, akkor szükséges a jelút egyes állomásait, a benne szereplő fehérjéket, másodlagos hírvivőket, faktorokat és géneket, a résztvevők lehetséges hatásait és kölcsönhatásait megismerni.
A sejtek, amelyekből 35-40 trillió van egy emberi szervezetben, számos receptorral bírnak. Egy átlagos májsejten például, akár sok millió receptor is lehet. A számok talán érzékeltetik, hogy mekkora információs hálózatról lehet szó, pedig ezek az adatok még csak a specifikus jelfogó szerkezetek csillagászati számaira engednek következtetni. A receptoroknak ún. ligandjai vannak, amelyekkel specifikusan képesek kapcsolódni. A kapcsolódás, maga az érzékelés, a ligand jelenlétének érzékelése, aminek pedig következményei vannak. A downstream szót használják a következményekre, szó szerint azt jelenti, hogy a folyománya valaminek. Az upstream pedig, ami feljebb van egy reakciósorozatban, vagyis közelebb a forráshoz, a kiváltó okhoz. A receptorok tehát érzékelik a környezet jelzéseit, legtöbbször kémiai jelzéseket, szignálokat: például egy hormon (pl. inzulin), vagy akár egy tápanyagmolekula hozzájuk kapcsolódása által aktiválódnak. Ez olyan, mint mikor az első dominót megpöcköljük a dominó-láncban.
A receptor aktiválódása tehát jelutat, jelutakat indít el, vagyis olyan downstream, akár elágazó sorozat-aktiválódásokat, amelyek végül valamilyen sejtes választ, reakciót eredményeznek. Időskori krónikus betegségek és hosszú-élet szempontjából is érdekes példánkban, az inzulin-receptor a sejtfelszínen, az inzulin kötődése által aktiválódik, majd befelé-lefelé, downstream jelet küld a sejtbe, ami lehetővé teszi más fehérjék toborzását és többek között a foszfatidil-inozitol-3-kináz (PI3K) enzim aktiválását. A PI3K több lépésben, végül is „elintézi”, hogy fokozódjék a sejt glükózfelvétele, a glükóztranszporter fehérjék sejtmembránba küldésével. Emellett, logikus módon fokozza a felépítő folyamatok intenzitását is, hisz az energiaforrást jelentő glükóz be tud jutni a sejtbe. Ez utóbbi során az építőelemekből nagyobb molekulák épülnek: glikogén-, lipid- és fehérjeszintézis indul. Az építkezéssel egyidejűleg gátlódik a lebontás, vagyis a lipolízis (zsírbontás) és a glükoneogenezis (glükóz-újdon-képzés: a cukor előállítása aminosavakból, tehát végső soron a fehérjelebontás). Ezen felül, később látni fogjuk, hogy még sokkal több mindenbe is beleszól, csak várjuk ki a végét!
Első ránézésre tehát, ha az inzulin jelátvitel aktív, akkor bejuttatja az energiahordozó cukrot és azonnal elkezdődik a sejt alkalmazkodása, vagyis minden épülni kezd és leáll a lebontás. A sejten belül mindig enzimfehérjék kellenek a munkák elvégzéséhez. Ahhoz, hogy ezek rendelkezésre álljanak, le kell gyártani őket. Ehhez pedig meg kell változnia a génátíródásnak, vagyis az epigenetika, a „genom feletti” is érintett, hogy megfelelő utasítást tudjon adni a genomnak, ahol ezek a fehérjék kódolva vannak. A glükóz bejuttatása és az epigenetikus működések változása között szoros kapcsolat van. Ez egy fontos példája annak, ahogy a tápanyagérzékelés képes vezérelni a vezérlőt, vagyis az epigenomot és a genomműködésre hatni.
Sőt, az elmúlt 30-40 év kutatásai során bebizonyosodott, hogy az inzulin jelátvitelnek rendkívül jelentős és konzervált szerepe van az öregedés ütemének vezérlése során is.
A konzervált azt jelenti, hogy általános érvényű a fajok között. Az evolúció mindenhol megőrizte, konzerválta, mert elengedhetetlen a megfelelő működéshez. Így nem maradhatott ki sem a fonálféregből, sem az emberből. Emiatt a fonálféreg is képes lehet modellezni, hogy mi történik az emberi sejtekben. Szívesen használják is az öregedéskutatók ezt a rövid életű, könnyen tartható állatot erre a célra.
Térjünk vissza a kutatásokhoz, hogy tetten érjük ezt a konzerváltságot!
Az a bizonyos legelső gén, amit még az 1988-ban publikált eredmények szerint (Friedman & Johnson, 1988), C. elegansban beazonosítottak, hogy szerepet játszik az élettartam, a szaporodás és a metabolizmus szabályozásában, az age-1, illetve az általa kódolt fehérje az AGE-1 (a fehérjét hagyományosan nagy betűvel jelöljük, míg a gént kis, dőlt betűvel az állatokban) egy ún. tápanyagérzékelő jelút része. Később derült ki az, hogy az az útvonal, amelyben ez a fehérje kulcsfontosságú a C. elegansban, megfeleltethető az emberben az inzulin/IGF-1 (inzulin-szerű növekedési faktor-1) jelátviteli útvonalnak (IIS útvonalnak)! Vagyis annak, amelynek egy részletére ránéztünk a jelutas példában az imént. A C. elegansban az AGE-1 funkcióját tekintve a PI3K (ugye már ismerős?) katalitikus alegységével homológ (Morris et al., 1996). Emberben ennek több változata ismert, közel azonos működéssel.
Kenyon és munkatársai által kicsit később megtalált daf-2 gén ugyanebben a jelútban magasabban (upstream) van: az általa kódolt fehérje nem más, mint maga a receptor. Emberben ez az inzulin receptornak felel meg (Kimura et al., 1997)!
Amikor az inzulin vagy az IGF-1 (inzulin-szerű peptidek a férgekben) kötődnek a receptorukhoz (DAF-2 a férgekben), a receptor aktiválja a PI3K-t (AGE-1 a férgekben). A PI3K a PIP2-t PIP3-á (foszfatidilinozitolbifoszfát és trifoszfát) alakítja, ami többféle downstream kináz, köztük az AKT aktiválásához vezet. Ezek azóta már jól ismert jelutak, amelyeket bármi, ami upstream van a jelátvitelben, befolyásol. Ha dől a dominósor, akkor minden dől, ami az elsőként megpöckölt dominó alatt van.
Kezdünk is elveszni a sorozataktiválódásokban, de kicsit még tartsunk ki, mert most jön az igazán lényeges fordulat!
Miért tűnik hasznosnak hosszú élet szempontjából, ha az inzulin jelátvitel nem túl aktív?
Eddig a DAF-16-ról még nem esett sok szó, pedig ott lehet a magyarázat, az igazi és közös hosszúélet-kapcsoló a férgekben és az emberben is. A DAF-16 is megfeleltethetőnek bizonyult egy emberben is megtalálható fehérjecsoportnak, a FOXO transzkripciós faktoroknak (Forkhead box O)(Lin et al., 1997). Ezeknek az IIS jelúttal való kapcsolatáról pedig tudjuk, hogy az AKT foszforilálja és így gátolja a FOXO transzkripciós faktorokat, megakadályozva azok bejutását a sejtmagba.
A transzkripció, magyarul a génátíródás, nem más, mint a genomi információ használatának megkezdése egy részlet lemásolásával, átírásával, fehérjeszintézis céljából. Ezt befolyásolják a traszkripciós faktorok. A FOXO faktorok hosszú élet szempontjából nagyon fontos géneket képesek aktiválni (információik alapján fehérje-szintézist indítani), de csak úgy, ha bent vannak a sejtmagban.
Ha a FOXO nem jut be a sejtmagba, akkor a hosszú élettartamhoz kapcsolódó génkifejeződés csökken, ugyanakkor a sejtnövekedés és az anyagcsere felgyorsul. Ez a két folyamat tehát, nagyon úgy tűnik, hogy egymással ellentétesen befolyásolja az élettartamot! Mint egy igazi hosszúélet-kapcsoló: vagy fel van kapcsolva, amikor nem annyira öregedik az állat, és nem is növekszik, vagy le, akkor ugyan a szintetikus folyamatok és a sejtnövekedés dominálnak, de mintegy ezzel együtt fokozódik az öregedés is.
Nézzük meg alaposan, hogy mi állítja ezt a kapcsolót a modellállatban is, mert fontos lehet, ha a féregkísérletek élethosszító eredményeit szeretnénk valahogy emberre is érvényesíteni!
Az age-1 és daf-2 mutált génváltozatai, amelyek mellett a féreg-kísérletekben megnőtt az állatok élettartama, rosszabbul teljesítettek: az általuk kódolt fehérjék nem működtek elég jól, ami azt jelentette downstream, hogy az inzulin-szerű peptidek hatására nem gátlódott annyira a DAF-16. Igaz, hogy nem is gyorsultak be annyira a felépítő folyamatok, cserébe viszont a DAF-16 el tudta végezni áldásos tevékenységét a sejtmagban, és az állat jóval tovább élt. Nem tévesztve szem elől, hogy a FOXO faktorok emberben és a féreg DAF-16 egymás homológjai, arra a következtetésre juthatunk, hogy az inzulin jelátvitel inaktivitása esetleg az emberben is megnövelheti az élettartamot. Erre még visszatérünk, de előbb nézzük, hogy pontosan miért is lenne jó nekünk, ha a hosszúélet-kapcsoló mind tovább fel lenne kapcsolva.
A FOXO és a hosszú élettartamhoz kapcsolódó génkifejeződés
A FOXO faktorok a sejtöregedés számos területére védő hatással vannak a sejtmagban (Martins et al., 2016). Összefoglalva: védik a DNS-t és általában a struktúrákat, mert képesek aktiválni a sejtek védelmi mechanizmusaiban részt vevő gének kifejeződését, így antioxidáns enzimeket (pl. szuperoxid-dizmutáz és kataláz), DNS-javító enzimeket, melyek segítenek fenntartani a genom stabilitását stressz esetén. A FOXO faktorok a glükoneogenezisben és a lipidanyagcserében részt vevő gének expresszióját is szabályozzák, így segítik az energiaellátás optimalizálását. A FOXO-k képesek az autofágiával („ön-evés”) kapcsolatos gének kifejeződését indukálni, elősegítve a sérült sejtszervecskék és fehérjék lebontását. Az energianyerésen felül, bónuszként, ez a „nagytakarítás” a sejtek egészségének fenntartását is szolgálja. Sőt, bátran tekinthetjük az autofágiát a sejt megfiatalításának, hisz az elhasználódott, megrongálódott részeket eltakarítva, tehát csak a frissen keletkezett, jól működő részek maradnak meg, ahogy az egy ifjú sejtre jellemző. Szükség esetén, a FOXO faktorok akár indukálhatják a sejtciklust/sejtosztódást megállító gének kifejeződését, hogy a sejteknek legyen idejük a károsodások javítására vagy a stresszre adott válaszreakcióra, ahelyett, hogy a sejtosztódást a sok károsodás mellett is erőltetve, esetleg neoplasztikusan elfajuljanak, vagyis ráksejtekké váljanak. Még ennél is nagyobb, javíthatatlan károsodás esetén a FOXO-k elősegítik a pro-apoptotikus gének kifejeződését, lehetővé téve a károsodott vagy diszfunkcionális sejtek halálát (programozott sejthalál: apoptózis). Nyilvánvaló, hogy egy javíthatatlan, sejt távozása az egész egészségét szolgálja. A szükséges sejthalálokat mintegy ellensúlyozandó, a FOXO-k szerepet játszanak az őssejtkészlet megtartásában is (Audesse et al., 2019).
Megjegyzendő még, hogy az IIS jelút aktivitása (és általában tekintve a tápanyag-bőség) downstream a Myc faktort aktiválja, ami a „bőség” hatására támogatja nemcsak a sejtnövekedést, de a sejtosztódást is. A Myc állandó/túl aktiválása anyagcsere betegségekhez és rákfejlődéshez vezethet.
Hogyan lehetne a féreg-kísérletek eredményét az emberi egészség és élettartam tekintetében figyelembe venni?
Ha a konzerváltság és a homológia igaz és kiterjeszthető az emberi élethossz növekedésre, akkor logikus és jogos kérdések merülnek fel. Mi is képes emberben kiváltani ugyanazt a hatást, amit a féregben a hosszú-élet mutáció? Vagyis, hogyan lehetne felkapcsolni a hosszúélet-kapcsolót: elérni, hogy a FOXO faktorok a megfelelő géneket aktiválják, vagyis a takarító, védő és javító-mechanizmusokat?
Nyilván nem gondolkodhatunk mutáns génekben, hisz a genetikai manipuláció ember esetében teljesen etikátlan és tilos, ráadásul, veszélyes és a kifejlődött szervezetben még nem is lehetséges: igen nehéz és veszélyes lenne elérni, hogy minden sejtbe bekerüljön egy előnyös mutáció.
Emellett nagyon fontos, hogy emberben jóval komplexebb a szabályozás. Ha nem így lenne, az inzulin-rezisztencia (IR) élettartam növekedéshez vezetne, hiszen rontja az inzulin jelátvitelt. Tudjuk, hogy sajnos épp ellenkezőleg, az IR számos betegség forrása lehet a szabályozási és metabolikus káosz ördögi körében járatva a szervezetet.
Az inzulin/IGF-1 jelátvitel (IIS) csökkenése más módon is lehetséges, méghozzá úgy, hogy csak az előnyei jelentkezzenek és még az IR is javuljon! A jó öreg (csaknem 100 éve gerinces állatokon leírt) kalóriamegszorítás, leginkább a szénhidrátok korlátozása. Az inzulin termelődését, és így a jelutat a megemelkedő vércukorszint indítja mindenekelőtt. Sajnálatos, vagy sem, sok kérdés és válasz ide vezet. De nem eszik olyan forrón a kását! Már, ha néhanapján eszik is egyáltalán ilyesmit egy elszánt „hosszúélet-hacker”. Ember esetében egyértelműen hiba lenne olyasmit állítani, hogy minél többet koplalsz, annál tovább élsz.
Csak, hogy tisztán lássunk, a kalóriakorlátozás nem jelentett eredetileg sem alultápláltságot semmilyen szempontból. Minden szükséges makro- és mikronutrienshez, vitaminhoz, ásványi anyaghoz, rosthoz hozzájutottak a kísérleti állatok is, ami szervezetük jó egészségben tartásához szükséges. Mindössze 20-30 százalékkal kevesebb kalóriát tartalmazó táplálékot kaptak, mint amennyit akkor fogyasztottak, amikor még korlátozások nélkül ehettek.
Másképp nézve és emberre interpretálva az eredményeket, úgy is értelmezhetjük, hogy ennyivel többet viszünk be a szükségleteink felett spontán, ha szabadon étkezhetünk, és ez rontja az egészségünket, csökkenti az élettartamunkat. Ez, egy közös evolúciós örökségünk lehet a kísérleti állatokkal, és a mozgatórugója a túlevésnek. Akkor kell enni – mondja nekünk az evolúciós történetünk, amikor az rendelkezésre áll, hisz később még jól jöhet a tartalék, amikor a szűkös idők beköszöntenek. Ha azonban soha nem köszöntenek be, akkor ártalmassá válik ez a késztetés, mert nem ad elég lehetőséget a védelemre, javításra, takarításra.
A többi befolyásoló tényezőre és a személyre szabhatóságra még többször visszatérünk sorozatunkban.
Addig is: hara-hachi-bu (Shirai & Tsushita, 2024)!
Audesse, A. J., Dhakal, S., Hassell, L. A., Gardell, Z., Nemtsova, Y., & Webb, A. E. (2019). FOXO3 directly regulates an autophagy network to functionally regulate proteostasis in adult neural stem cells. PLoS Genet, 15(4), e1008097. https://doi.org/10.1371/journal.pgen.1008097
Bin-Jumah, M. N., Nadeem, M. S., Gilani, S. J., Al-Abbasi, F. A., Ullah, I., Alzarea, S. I., Ghoneim, M. M., Alshehri, S., Uddin, A., Murtaza, B. N., & Kazmi, I. (2022). Genes and Longevity of Lifespan. Int J Mol Sci, 23(3). https://doi.org/10.3390/ijms23031499
Campisi, J., Kapahi, P., Lithgow, G. J., Melov, S., Newman, J. C., & Verdin, E. (2019). From discoveries in ageing research to therapeutics for healthy ageing. Nature, 571(7764), 183-192. https://doi.org/10.1038/s41586-019-1365-2
Friedman, D. B., & Johnson, T. E. (1988). A mutation in the age-1 gene in Caenorhabditis elegans lengthens life and reduces hermaphrodite fertility. Genetics, 118(1), 75-86. https://doi.org/10.1093/genetics/118.1.75
Kenyon, C., Chang, J., Gensch, E., Rudner, A., & Tabtiang, R. (1993). A C. elegans mutant that lives twice as long as wild type. Nature, 366(6454), 461-464. https://doi.org/10.1038/366461a0
Kimura, K. D., Tissenbaum, H. A., Liu, Y., & Ruvkun, G. (1997). daf-2, an insulin receptor-like gene that regulates longevity and diapause in Caenorhabditis elegans. Science, 277(5328), 942-946. https://doi.org/10.1126/science.277.5328.942
Lin, K., Dorman, J. B., Rodan, A., & Kenyon, C. (1997). daf-16: An HNF-3/forkhead family member that can function to double the life-span of Caenorhabditis elegans. Science, 278(5341), 1319-1322. https://doi.org/10.1126/science.278.5341.1319
Martins, R., Lithgow, G. J., & Link, W. (2016). Long live FOXO: unraveling the role of FOXO proteins in aging and longevity. Aging Cell, 15(2), 196-207. https://doi.org/10.1111/acel.12427
Mattison, J. A., Colman, R. J., Beasley, T. M., Allison, D. B., Kemnitz, J. W., Roth, G. S., Ingram, D. K., Weindruch, R., de Cabo, R., & Anderson, R. M. (2017). Caloric restriction improves health and survival of rhesus monkeys. Nat Commun, 8, 14063. https://doi.org/10.1038/ncomms14063
Morris, J. Z., Tissenbaum, H. A., & Ruvkun, G. (1996). A phosphatidylinositol-3-OH kinase family member regulating longevity and diapause in Caenorhabditis elegans. Nature, 382(6591), 536-539. https://doi.org/10.1038/382536a0
Omodei, D., & Fontana, L. (2011). Calorie restriction and prevention of age-associated chronic disease. FEBS Lett, 585(11), 1537-1542. https://doi.org/10.1016/j.febslet.2011.03.015
Shirai, T., & Tsushita, K. (2024). Lifestyle Medicine and Japan’s Longevity Miracle. Am J Lifestyle Med, 18(4), 598-607. https://doi.org/10.1177/15598276241234012