środa, 1 lipca 2015

Zawłotnia śnieżna, foxo i klotho, a starzenie

Dzisiaj gościnny wpis od autorki bloga Arsenic, będącej kosmetologiem, zajmującej się biochemią kosmetyczną, na temat glonów Chlamydomonas nivalis i ich wpływu na starzenie skóry. Zapraszam :-).

(źródło: www.pinterest.com/pin/401383385513973737/)


Od najwcześniejszych etapów ewolucji organizmy nauczyły się wykrywać i dostosowywać do zmian środowiskowych, aby przetrwać w niesprzyjających warunkach, takich jak niedostatek lub zubożenie żywności czy stres. Z drugiej strony, nadmierna ilość spożywanego pokarmu prowadzi do wielu chorób i obniżenia żywotności. Jak wykorzystać te występujące w przyrodzie fenomeny? Jak żyć długo i w dobrej kondycji?

W roku 1934 naukowcy Mary Crowell i Clive McCay zaobserwowali u szczurów znaczące wydłużenie żywotności związane z ograniczeniem spożywanych kalorii. Podobne wyniki uzyskano u myszy (Weindruch R i inni, 1986). Wśród ludzi także można zaobserwować to zjawisko. Na japońskiej wyspie Okinawa mieszka grupa ludzi stosująca niskokaloryczną dietę. Wśród członków tej grupy żyje wielu 100-latków. Wiele osób dbających o odpowiednią sprawność fizyczną oraz stosujących dietę niskoenergetyczną dożywa sędziwego wieku. Dlaczego tak się dzieje? Jakie mechanizmy komórkowe są za to odpowiedzialne? Wydłużenie czasu życia wywołane ograniczeniem kalorii wydaje się być regulowane przez składniki odżywcze i ścieżki energetyczne, w których główną rolę odgrywa aktywacja receptora insuliny/czynnika wzrostu IGF1. Przy normalnym stężeniu składników odżywczych komórka pracuje na normalnych obrotach, nie oszczędzając i nie uruchamiając mechanizmów pozwalających wydłużyć jej żywotność.

Obecna w cytoplazmie proteina FOXO, odpowiedzialna za detoksykację i naprawę DNA jest nieaktywna, ponieważ wysoka zawartość składników odżywczych nie uruchamia mechanizmów zabezpieczających komórkę. FOXO w formie nieaktywnej jest obecne w cytoplazmie, ale nie może przeniknąć do jądra komórkowego. Podczas niedoboru substancji odżywczych komórka zaczyna zużywać zapasy energii i wytwarza toksyczne substancje, które mogłyby uszkodzić DNA. Wtedy włącza się mechanizm zabezpieczający przed takimi uszkodzeniami. Następuje aktywacja proteiny FOXO, forma aktywna przenika do jądra komórki. Rola FOXO polega głównie na kontroli odpowiedzi na różnego rodzaju stres, przedłuża ona żywotność komórek poprzez aktywację genów zaangażowanych w naprawę DNA, bierze udział w procesach detoksykacji, zatrzymuje proces apoptozy komórek, itd. Aktywacja FOXO indukuje aktywność przeciwstarzeniową, stymulując procesy detoksykacyjne i geny naprawiające DNA.

(źródło: http://blogs.scientificamerican.com/)

Oprócz ograniczenia kalorii aktywację FOXO zapewnia białko o nazwie KLOTHO. Proteina Klotho została zidentyfikowana po raz pierwszy w roku 1997 u myszy, które w przypadku uszkodzenia Klotho wykazywały ekstremalne oznaki starzenia. Naukowcy dowiedli, iż zwiększenie wydzielania tego białka u myszy wydłuża ich czas życia. Nazwa genu długowieczności pochodzi od imienia Greckiej bogini Klotho. W greckiej mitologii Klotho, jedna z prządek, przędła nić ludzkiego żywota. Niewiele wiadomo na temat dokładnej funkcji białka Klotho i mechanizmów, dzięki którym hamuje ono powstawanie objawów przedwczesnego starzenia. W 2005 roku, Kurosu i jego współpracownicy odkryli, że myszy pozbawione genu KLOTHO wykazują objawy przyspieszonego starzenia, w porównaniu z myszami posiadającymi ten gen. Podczas zwiększonego stężenia KLOTHO czas życia myszy wydłużył się (+31%).

Gdy ekspresja KLOTHO, genu przedłużającego żywotność, jest zakłócona, dochodzi do gwałtownego przyspieszenia procesów starzenia. Proteina Klotho przyłącza się do receptorów na powierzchni komórek i tłumi wewnątrzkomórkowe sygnały insuliny i insulinopodobnego czynnika wzrostu 1 (IGF1), a więc aktywność Klotho ma bezpośredni wpływ na aktywność FOXO. Proteina Klotho została nazwana proteiną młodości dlatego, że jej stężenie jest największe w młodych organizmach. Kontroluje ono szybkość wzrostu organizmu, poprzez odziaływanie z receptorem czynnika wzrostu IGF1. Gdyby nie było Klotho, organizm wzrastałby w sposób niekontrolowany i szybki. Niedobory Klotho powodują szybsze starzenie się. Wysokie stężenie KLOTHO, to długowieczność komórek.

Aktywność FOXO zapewniają również ćwiczenia fizyczne, a dokładniej wytwarzany podczas nich AMPK (kinaza białkowa aktywowana przez AMP), główny regulator metabolizmu. Aktywacja AMPK następuje, gdy poziom energii (ATP) jest niski (np. wywołany przez ograniczenie kalorii) oraz podczas ćwiczeń fizycznych. Aktywność AMPK spada, gdy się starzejemy, lub gdy dostarczamy zbyt dużo składników odżywczych oraz przy zwiększonym stresie oksydacyjnym. Duże zapotrzebowanie energii powoduje wytwarzanie większych ilości substancji toksycznych, których usunięcie będzie możliwe tylko po aktywacji FOXO. Reasumując, aby zwiększyć długość życia i zapewnić dobre zdrowie, należy albo ograniczyć ilość dostarczanej energii do komórki, albo zwiększyć w jakiś sposób ilość obecnej w komórce proteiny Klotho albo zapewnić zwiększone zapotrzebowanie na energię, na przykład w postaci wysiłku fizycznego.

Jak zachować młodość naszej skóry, nie ćwicząc i nie zmieniając nawyków żywieniowych? Odpowiedź wydaje się dość prosta: znaleźć substancję, która będzie naśladowała efekt biochemiczny ograniczenia kalorii i będzie zwiększała aktywność FOXO w komórkach skóry. Jeden z producentów wysoce zaawansowanych technologicznie surowców kosmetycznych postanowił dokładniej przyjrzeć się temu zjawisku i w tym roku po raz pierwszy przedstawił informacje o wykorzystaniu efektu ograniczenia kalorii jako strategii przeciwstarzeniowej zastosowanej w produktach kosmetycznych.

Do badań wytypowano występujący wysoko w górach, na śniegu, gatunek ekstremofilnej algi śnieżnej Chlamydomonas nivalis (zawłotnia śnieżna). Alga Chlamydomonas nivalis, to organizm jednokomórkowy, występuje pod śniegiem i jest zielona (wydziela pigment chlorofilowy potrzebny do produkcji energii). Przy wzroście temperatury i niebezpiecznie wysokim poziomie UV alga zmienia kolor na czerwony i przechodzi w formę przetrwalnikową – sporę. Ekstremalne środowisko, w jakim występuje śnieżna alga, spowodowało, że wykształciła ona w sobie zdolność do przetrwania, której efektem jest wydzielanie różnych wtórnych metabolitów: pigmentów (np. karotenoidy/astaksantyna), przeciwutleniaczy, polifenoli, biopolimerów (żele), glikoprotein zapobiegających zamarzaniu (AFGPs), substancji chroniących przed stresem, osmotycznie aktywnych aminokwasów i cukrów.

(źródło: www.plantsystematics.org/)

Śnieżna alga naśladując efekt ograniczenia kalorii, optymalizuje metabolizm skóry. Chroni i aktywuje dwa kluczowe czynniki na szlaku ograniczenia kalorii: proteinę długowieczności Klotho i sensor energetyczny AMPK, czego efektem jest poprawa systemów obronnych komórki, procesów detoksykacji i naprawy DNA. Badanie wpływu śnieżnej algi na ekspresję Kolotho wykonano na dojrzałych fibroblastach ludzkiej skóry (model Hayflick’a). W dojrzałych fibroblastach mamy do czynienia ze spadkiem ekspresji proteiny Klotho. Śnieżna alga neutralizuje ten spadek oraz wpływa na zwiększoną ekspresję proteiny Klotho, nawet w porównaniu z młodymi fibroblastami. Wpływ śnieżnej algi na AMPK badano z wykorzystaniem keratynocytów epidermy w obecności normalnego oraz zwiększonego poziomu kalorii. W obydwu przypadkach alga stymuluje fosforylację, czyli aktywację AMPK. Ta stymulacja jest większa w przypadku nadmiaru kalorii. Alga wykazuje więc działanie stymulujące aktywność AMPK, chroni komórki przed nadmierną ilością kalorii, utrzymuje system obronny komórki, mimo nadmiaru kalorii i zapobiega spadkowi AMPK związanemu z wiekiem. Badania przeprowadzone na dojrzałych fibroblastach potwierdziły również skuteczność hamowania spadku zawartości genu odpowiedzialnego za ekspresję kolagenu I, a w przypadku genu odpowiedzialnego za wydzielanie kolagenu III - wzrostu jego ilości. Śnieżna alga naprawia efekty starzenia, stymulując produkcję najważniejszych dla skóry typów kolagenu. Chroni również obecny w skórze kolagen przed degradacją.

Jako parametr określający stopień odmłodzenia skóry przyjęto DEJ (dermal-epidermal junction) - obszar, w którym naskórek szczelnie łączy się ze skórą właściwą. Jego przepuszczalność reguluje wymianę między obiema tkankami. Dodatkowo DEJ przyczynia się do spójności naskórka oraz wpływa na procesy gojenia ran. W skórze młodej struktura DEJ jest falista, co maksymalizuje powierzchnię połączenia pomiędzy naskórkiem i skórą właściwą. W skórze dojrzałej DEJ jest bardziej spłaszczona, połączenie pomiędzy naskórkiem i skórą właściwą zmniejsza się (zmiana względem jakości i ilości elastyny i kolagenu). Alga Chlamydomonas nivalis poprawia falistość DEJ i zwiększa powierzchnię tego połączenia o 30.5 % w porównaniu z placebo, co potwierdza jej skuteczne działanie odnawiające. Śnieżna alga, aktywując procesy, w których bezpośredni udział biorą proteiny młodości FOXO i KLOTHO, odmładza i chroni skórę na poziomie komórkowym, wzmacnia mechanizmy obronne poprzez aktywność naśladującą ograniczenie kalorii. Połączenie derma-epiderma odzyskuje charakterystyczną falistą strukturę, skóra staje się wzmocniona i jędrna. Dzięki poprawie procesów naprawczych polepsza się również jakość bariery skórnej. Skóra odzyskuje świeżość, jest oczyszczona, a oznaki starzenia mniej widoczne.

Literatura:
Kurosu, H.; Yamamoto, M.; Clark, J. D.; Pastor, J. V.; Nandi, A.; Gurnani, P.; McGuinness, O. P.; Chikuda, H.; Yamaguchi, M.; Kawaguchi, H.; Shimomura, I.; Takayama, Y.; Herz, J.; Kahn, C. R.; Rosenblatt, K. P.; Kuro-o, M. (2005). “Suppression of Aging in Mice by the Hormone Klotho”. Science 309 (5742): 1829–1833. 

14 komentarzy:

  1. Bardzo ciekawy artykuł. Piękna ta alga ;) a ileż dobra w niej siedzi....

    OdpowiedzUsuń
  2. nigdy nie używałam niczego z algami więc tym bardziej mnie zachęca do wypróbowania ;)

    OdpowiedzUsuń
  3. no postarała się Arsenic, ale gdzie znaleźć to dostać? :D

    OdpowiedzUsuń
  4. Świetny post, prosimy o więcej :)

    shariankoweleben.wordpress.com

    OdpowiedzUsuń
  5. KLOTHO to chyba absolutnie ulubiony gen mojego profesora od patofizjologii, zresztą w ogóle jego wykłady o otyłości i gerontologii podobały mi się najbardziej. Natomiast o "śnieżnej aldze" nie słyszałam nigdy, super sprawa! :)

    OdpowiedzUsuń
  6. Świetnie podana porcja ciekawostek.

    OdpowiedzUsuń
  7. Ta "żywotność" zamiast innych pojęć z "długością życia" na czele to cokolwiek dziwaczną jest.
    Merytorycznie pewnie sporo w tym racji, a wydłużenie okresu życia w przypadku ograniczenia organizmowi ilości kalorii przy jednoczesnym zapewnieniu właściwej podaży innych substancji odżywczych zostało zaobserwowane wielokrotnie.
    W przypadku człowieka mamy jeszcze konflikt wyboru między długością a jakością życia - nie każdemu pasuje asceza...

    OdpowiedzUsuń
  8. Wow! Oczywiście nie miałam pojęcia...

    OdpowiedzUsuń
  9. O wielu sprawach nie miałam zielonego pojęcia. Fajny artykuł.

    OdpowiedzUsuń
  10. Genialny artykuł, czytałyśmy trochę o tym ale powyższy artykuł rozwiał nasze wątpliwości :) Informacje warto sobie zapisać na przyszłość :)

    OdpowiedzUsuń
  11. w takich momentach człowiek zdaje sobie sprawę, jak niewiele wie o świecie. ale dzięki takim chwilom, wiem już odrobinę więcej! :) śnieżna alga, cudo. :)

    OdpowiedzUsuń
  12. Już z kilku źródeł słyszałam o opóźnieniu procesów starzenia podczas stosowania diety o ograniczonej kaloryczności, ale jeszcze nigdzie nie znalazłam rzeczowego wyjaśnienia tego zjawiska! Bardzo ineteresujące.

    OdpowiedzUsuń
  13. Świetny artykuł ;) Coś w tym jest, czasem trzeba pobudzić swoje komórki do roboty, nawet lekką dietą :)

    OdpowiedzUsuń