Gerontologia: aspetti biologici-molecolari della senescenza e autofagia

Gerontologia: Aspetti Biologici-Molecolari

Elisabetta VillaSenescenza (Treccani):

• Per senescenza intendiamo il processo di declinazione funzionale e di deformazione strutturale dell'organismo che colpisce come fatto naturale tutte le parti in vario tempo e in vario grado, a una certa età della vita che, secondo i biologi, coincide con la fine dell'accrescimento e dello sviluppo.
• L'invecchiamento, per cui, è un processo complesso che deve essere concepito come un tutto.

Dysbiosis Genomic instability Chronic inflammation Telomere attrition Altered intercellular communication INTEGRATIVE PRIMARY Epigenetic alterations exhaustion Stem cell Loss of proteostasis ANT ONISTIC Cellular senescence Disabled macroautophagy Mitochondrial dysfunction Deregulated nutrient-sensingIl ciclo cellulare GO KIP CDK1 Cyclin B,A M KIP INKE CDK4/6 Cyclin D G1 G2 KIP S CDK2 Cyclin E KIP CDKI families CDK2 Cyclin A KIP p21 p27 p57 p15 p16 p18 p19 CDKI 1 CDK Cyclin P ® Rb T pRb Proliferation

• I complessi CDK-ciclina attivati, fosforilano la proteina RB inducendo la proliferazione cellulare
• L'attività dei complessi CDK/ciclina viene inibita da due famiglie di CDK inhibitors:
• - INK4 (p16, p15, p18 e p19) che specificatamente legano CDK4 e CDK6 e prevengono l'attivazione da parte delle cicline D
• - CIP/KIP (p21, p27 e p57) che inibiscono i complessi CDK2/ciclina E, CDK2/ciclina A e CDK1/ciclina B, intervenendo in tutte le fasi del ciclo cellulare.

Cambiamenti nella Senescenza

Ma in senescenza le cose cambiano !

Percorsi p53 e p16

Percorsi p53 e p16 Internal factors: DNA damage Oncogene activity Telomere shortening External factors: Redox balance Nutrition Inflammation P16 INKAA ATM/ATR CDK4/6 Chk1/2 PRB p53 E2F P21 G,phase, busting! G. M 5 Senescence

Attivazione della senescenza tramite i percorsi p53 e p16 INK4A:

• Molti fattori di stress possono avviare la senescenza tramite i percorsi p16 e/o p53.
• In circostanze specifiche, p16 inattiva CDK4/6, che porta all'accumulo di pRb (Rbl2/p130) e alla regolazione dei fattori di trascrizione E2F, con conseguente senescenza.
• Il danno al DNA e la DDR possono anche portare alla regolazione di ATM-Chk2 o ATR- Chk1 con successiva attivazione di p53 e p21pH2AX ATM P H2AX CHK1/2 P53 P21 P P ATM P16 E2F1 CDK4/6 Rb CDK2 E2F1 PRb Cell Cycle Progression
• La fosforilazione dell'istone H2AX a Ser 139 (y-H2AX) è il marcatore più sensibile che può essere utilizzato per esaminare il danno al DNA.
• Segnalazione delle chinasi serina-proteine ATM o ATR può anche portare alla fosforilazione dell'istone H2AX.

Eterocromatina e Senescenza

H3K9me3 6. Me SAHF Me e.g. H3K9me3, H4K20me3, YH2AX, HMGA2, HP1y ... )

• focolai di eterocromatina associati alla senescenza (SAHF) sono domini specializzati dell'eterocromatina facoltativa che contribuiscono al silenziamento dei geni che promuovono la proliferazione (come i geni bersaglio E2F) nelle cellule senescenti.
• La metilazione dell'H3K9 (H3K9me3), che gli consente di fungere da legame sito per l'acetiltransferasi Tip60 che può attivare ATM attraverso l'acetilazione, innescando il DDR e portando all'arresto del ciclo cellulare.

Telomeri e Danno al DNA

Telomeri Telomere Length Į TTAGGGTTAGGGTTAGGG 3 5' AATCCCAATCCCAATCCC / TRF2 POT1a(b) 1 ATM ATR DNA damage signal DNA damage signal

• Dopo aver raggiunto livelli critici di lunghezza telomerica, il complesso di riparo non è più in grado di svolgere le sue funzioni, lasciando l'estremità cromosomiche vulnerabili
• L'erosione dei telomeri lascia esposte le estremità dei cromosomi a doppio filamento, che vengono riconosciute dalla DDR come rotture del doppio filamento.
• Due proteine del complesso di protezione denominate POT1 e TRF2 inibiscono i percorsi della kinasi ATR e ATM.

Autofagia: Meccanismi e Importanza

Il Premio Nobel 2016 per la Medicina e la Fisiologia è stato assegnato allo scienziato giapponese Yoshinori Ohsumi per le sue scoperte sui meccanismi che regolano l'autofagia ("for his pioneering work on how cells recycle their content") L'autofagia è un processo eseguito dalle cellule eucariotiche per distruggere in modo programmato e riciclare le proprie strutture (molecole, membrane e organelli) Questo processo è essenziale non solo per rinnovare le strutture cellulari logorate o danneggiate, ma anche per produrre energia in condizioni di fame o stress e per proteggere l'organismo contro batteri e virus Gli studi pionieristici del Professor Ohsumi sull'autofagia sono stati eseguiti nel 1992 Il termine "autofagia" era stato coniato nel 1963 dallo scienziato belga Christian De Duve, che nel 1974 aveva ricevuto il Premio Nobel per la scoperta dei lisosomi, gli organelli fondamentalitpei processi di "digestione cellulare" Lysosome Christian De Duve (1917-2013)

Autofagia, Rallentamento e Invecchiamento

Autofagia: rallentamento e invecchiamento L'autofagia è un processo altamente conservato che degrada i componenti cellulari, tra cui organelli difettosi e aggregati proteici mal ripiegati, nei lisosomi.

• Le proteine cellulari vengono scomposte da due processi principali.

X Il sistema ubiquitina-proteasoma (UPS) distrugge 1'80-90% delle proteine denaturate e degradate.

• Il meccanismo dell'autofagia, che scompone le proteine aggregate più grandi e gli organelli cellulari come i mitocondri, i perossisomi e gli organismi patogeni, è l'altra via principale

X È stato riscontrato che l'attività autofagica diminuisce con l'età, contribuendo probabilmente all'accumulo di macromolecole e organelli danneggiati durante l'invecchiamento.

I Lisosomi: Apparato Digerente Cellulare

I LISOSOMI L'APPARATO DIGERENTE DELLA CELLULA I lisosomi (dal greco "Avo", "distruggere", e "ooua", "corpo") sono organelli eucariotici contenenti enzimi "litici" e costituiscono una sorta di "sistema digerente" della cellula Se i lisosomi digeriscono materiali esterni fagocitati, il processo è detto fagocitosi, mentre se digeriscono le strutture della stessa cellula il processo è detto autofagia AUTOPHAGY PHAGOCYTOSIS Bacterium Endoplasmic reticulum Phagosome Phagocytosis Lysosome Mitochondrion Autophagosome Phagolysosomes Fonte: Sadava et al., 2014

lisosomi sono organuli con funzioni digestive, che degradano gli organelli non funzionali, le macromolecole e le particelle che la cellula assume per endocitosi. Digestive enzymes Lysosome Digestion Plasma membrane Food vacuole

Struttura dei Lisosomi

STRUTTURA dei LISOSOMI lisosomi appaiono come vescicole delimitate da singola membrana di dimensioni molto variabile .

• Contengono una quarantina di enzimi idrolitici di diverso tipo, tra cui quelli che degradano le proteine, gli acidi nucleici, gli oligosaccaridi e i fosfolipidi
• ph acido mantenuto dentro ai lisosomi da una pompa per H+ alimentata ad ATPche trasloca protoni nel lume e ne mantiene il contenuto a ph acido
• Le proteine della membrana lisosomica sono fortemente glicosilate per proteggerle dall'autodigestione proteasica 0.05-0.5 um IDROLASI ACIDE nucleasi proteasi glicosilasi lipasi fosfatasi solfatasi fosfolipasi PH~5 PH~7.2 H CITOSOL ATP ADP + P

Ruolo dell'Autofagia

AUTOFAGIA L'AUTOFAGIA' è coinvolta nell' eliminazione di proteine danneggiate che, se accumulate, possono portare alla formazione di aggregati

• Eliminazione di organelli malfunzionanti
• Mentre l'eliminazione di proteine può essere svolta anche da altri sistemi (proteasoma), l'autofagia è l'unico processo cellulare che può portare alla degradazione di interi organelli (mitocondri, perossisomi,ecc.)

Processo di Autofagia

Autofagia Organelli e proteine danneggiate fagoforo Lisosoma Autolisosoma Digestione Autofagosoma Autofagosoma Autolisosomi

Materiale da eliminare fagoforo Autofagosoma Lisosoma fagoforo Autolisosoma Amminoacidi Zuccheri Acidi grassi AUTOFAGIA

Funzioni dell'Autofagia

Funzioni dell'autofagia Nutritiva: in periodi di mancato apporto nutritivo, la cellula smette di crescere, ricicla parte delle proprie strutture interne in eccesso per ricavare energia Difensiva. La cellula degrada organelli danneggiati (soprattutto lisosomi e mitocondri) prima che questi attivino la morte cellulare Autorinnovante neuronale. La cellula degrada proteine in via di aggregazione che si accumulerebbero nella cellula

Autofagia e Senescenza

Autofagia Autophagy Autophagy. 2016 Apr 29;12(5):898-899. doi: 10.1080/15548627.2015.1121361 ₡ E' stato dimostrato che l'inibizione della macroautofagia compromette e stimola HRASG12V (oncogene) inducendo la senescenza e la formazione di SASP How autophagy both activates and inhibits cellular senescence Chanhee Kang 1, Stephen J Elledge 1 Author information . Article notes . Copyright and License information PMCID: PMC4854549 PMID: 27129029 Autophagy Impairment Induces Premature Senescence in Primary Human Fibroblasts Hyun Tae Kang, Ki Baek Lee, Sung Young Kim, Hae Ri Choi, Sang Chul Park Published: August 8, 2011 . https://doi.org/10.1371/journal.pone.0023367 Downregulation di ATG7 e Atg12 promuove la senescenza prematura nei fibroblasti umani nature Explore content v About the journal ~ Publish with us v nature > articles > article Article | Published: 06 January 2016 Autophagy maintains stemness by preventing senescence Laura García-Prat. Marta Martínez-Vicente, Eusebio Perdiguero, Laura Ortet, Javier Rodríguez-Ubreva, Elena Rebollo, Vanessa Ruiz-Bonilla, Susana Gutarra, Esteban Ballestar, Antonio L. Serrano, Marco Sandri & Pura Muñoz Cánoves La compromissione della macroautofagia provoca a senescenza precoce delle cellule miosateliali

• Poiché un segno distintivo della senescenza è l'accumulo di componenti danneggiate all'interno delle cellule, è stato proposto che l'alterazioni di autofagia osservata durante l'invecchiamento possono essere un fattore nello sviluppo nel mantenimento del fenotipo senescente.

Impatto dell'Invecchiamento sull'Autofagia

X Con l'invecchiamento e le malattie legate all'età si verifica una diminuzione dei meccanismi di riparazione cellulare, con conseguente accumulo di molecole, proteine, DNA e lipidi danneggiati, portando infine alla perdita di un'efficace funzione cellulare. X Anche le diminuzioni legate all'età della capacità della cellula di subire la disgregazione autofagica possono avere un impatto sul processo di invecchiamento. X Mentre entrambi i processi chiave per la degradazione delle proteine intracellulari sono rallentati con l'avanzare dell'età, una perdita fisica di proteine correlate all'autofagia porta anche all'accumulo di proteine mal ripiegate e macromolecole danneggiate nella cellula. * Condizioni come l'obesità e le malattie cardiovascolari che sono legate a un elevato stress ossidativo rallentano anche la clearance cellulare e diminuiscono l'autofagia, il che aggrava la malattia.