Claudia Borsa
Ana Aslan National Institute of Gerontology and Geriatrics
Abstract
The GDF11 Protein (growth differentiation factor 11) is a novel rejuvenating factor for muscle, heart and brain that can restore cellular regenerative function. Cellular and systemic GDF11 levels decline with age. Restoring of GDF11 youthful levels can reverse some signs of aging, like as functional impairments and restore genomic integrity in aged stem cells. The GDF11 protein may induce cellular regeneration, vascular remodeling, enhancing neurogenesis and improving olfactory function in aging experimentally animals. Also, GDF11 have anti-aging effects, reversing age-related cardiac hypertrophy. By their regenerative capacities, the GDF11 protein is considered a cellular rejuvenating factor, an “elixir of youth”.
Rezumat
Proteina GDF11 (factorul 11 de diferentiere a cresterii) este un nou factor de intinerire pentru muschi, inima si creier, care poate restaura functia regenerativa celulara. Nivelele sistemice si celulare ale GDF11 scad cu varsta. Restaurarea nivelelor GDF11 ale “tineretii” poate inversa unele semne ale imbatranirii, cum ar fi declinul functional, si poate restaura integritatea genomica in celulele stem batrane. Proteina GDF11 poate induce regenerarea celulara, remodelarea vasculara, marind neurogeneza si imbunatatind functia olfactiva la animalele experimentale batrane. De asemenea, GDF11 are efecte anti-aging, inversand hipertrofia cardiaca dependenta de varsta. Prin capacitatile sale regenerative, proteina GDF11 este considerata un factor de intinerire celulara, un “elixir al tineretii”.
Introducere
Cercetatorii de la Institutul de Celule Stem al Universitatii Harvard, SUA, au gasit recent o proteina care actioneaza ca un elixir al tineretii. Studiile lor experimentale pe soareci au evidentiat faptul ca sangele animalelor tinere pus in circulatia animalelor batrane prin parabioza au inversat unele semne ale procesului de imbatranire. Aceste cercetari de varf au condus echipa coordonata de Amy Wagers si Lee Rubin de la Universitatea Harvard, la identificarea, in 2013, in sangele animalelor studiate a unei proteine, denumita factorul 11 de diferentiere al cresterii (GDF11, Growth differentiation factor 11), cunoscuta si sub denumirea de proteina morfogenetica osoasa 11 (BMP-11, bone morphogenetic protein 11), un factor de crestere responsabil de efectele antiimbatranire ale tesuturilor studiate.
In 2005, Amy Wagers si colaboratorii, utilizand un model experimental de parabioza, prin care au unit chirurgical doi soareci, unul tanar si unul batran, astfel incat sa imparta amandoi acelasi sistem circulator, au observat o imbunatatire a regenerarii celulare. Astfel, animalele batrane expuse la sangele animalelor tinere au prezentat imbunatatirea semnificativa a proliferarii si regenerarii celulelor musculare si hepatocitelor, comparativ cu animalele batrane de control.
In 2013, utilizand parabioza heterocronica, Wagers si Lee au studiat un model experimental de imbatranire cardiaca pe soareci. Dupa 4 saptamani de parabioza tanar-batran, s-a observat o reducere evidenta a hipertrofiei cardiace. Utilizand analiza proteomica cu tehnologie bazata pe aptameri a platformei SOMA (the SomaLogic proteomics discovery platform SOMA scan), au identificat si cuantificat proteinele prezente in sangele animalelor studiate. Astfel, au fost identificate diferente la 13 proteine, dar numai una, GDF11, era prezenta in cantitati marite la soarecii batrani cu parabioza cu tineri. Acesta a constituit punctul de plecare al cercetarilor privind efectele antiaging ale proteinei GDF11.
Declinul proteinei GDF11 cu varsta
Analiza proteomica bazata pe aptameri a pus in evidenta o scadere a nivelelor circulante ale proteinei GDF11 odata cu inaintarea in varsta. Pentru elucidarea posibilelor mecanisme dependente de varsta in reducerea sistemica a GDF11, au fost analizate diferite tesuturi si populatii celulare. Cele mai mari nivele ale GDF11mRNA au fost identificate in splina. A fost de asemenea evaluata expresia GDF11 in functie de varsta animalelor, detectandu-se un declin semnificativ atat in expresia genelor GDF11 cat si in nivelele proteinei GDF11 in splina soarecilor batrani. Declinul GDF11 tisular, in special in splina, contribuie la reducerea nivelelor GDF11 circulante (McPherron, 2010; Loffredo si col., 2013). Aceste nivele circulante reduse pot fi marite prin parabioza heterocronica sau prin suplimentare cu factorul GDF11.
Efectele proteinei GDF11 asupra muschiului scheletic
Odata cu inaintarea in varsta, numarul celulelor stem mononucleare specializate in refacerea si inlocuirea fibrelor musculare scheletice, denumite si celule-satelit, scade, scazand in acelasi timp si capacitatea lor de regenerare celulara. De asemenea, lezarea ADN-ului celular este mult marita in celulele batrane.
Wagers si colaboratorii au publicat recent, in mai 2014, in revista Science studiile lor privind efectele benefice ale proteinei GDF11 asupra muschiului scheletic. Studiile lor experimentale au demonstrat capacitatea proteinei circulante GDF11 de regenerare celulara.
Cercetari anterioare au pus in evidenta repararea leziunilor musculare induse soarecilor batrani, prin expunerea lor intr-un mediu sistemic cu factori ai “tineretii” proveniti din sangele animalelor tinere (Conboy si col., 2005). In plus, expunerea unui soarece tanar la factori sistemici proveniti de la animale batrane poate inhiba miogeneza (Brack si col., 2007)
Prin parabioza heterocronica (tanar-batran), grupul de cercetare condus de Wagers a unit soareci tineri (cu varsta de 2 luni) cu soareci batrani (cu varsta de 22 luni) timp de 4 saptamani. Rezultatele obtinute au fost spectaculoase: marirea potentialului celulelor-satelit ale soarecilor batrani de a forma colonii miogenice, restaurarea integritatii lor genomice si repararea ADN-ului.
Intrucat nivelele proteinei GDF11 scad cu varsta animalului, atat in sange cat si in tesuturi, cum este tesutul muscular, Wagers si colaboratorii au suplimentat zilnic nivelul GDF11 prin injectare intra-peritoneala de factor GDF11 recombinant (rGDF11). Dupa 4 saptamani de tratament, animalele batrane tratate cu rGDF11 aveau mai multe celule-satelit musculare si, de asemenea, mai multe celule-satelit cu ADN-ul intact, comparativ cu animalele batrane de control fara suplimentare de GDF11. Animalele tratate cu rGDF11 au prezentat o intinerire musculara, dimensiunea medie a miofibrilelor regenerate fiind de 92% si, de asemenea, o regenerare marita a celulelor-satelit. Microscopia electronica a pus in evidenta la animalele tratate cu factor rGDF11, o imbunatatire substantiala in morfologia miofibrilara si mitocondriala, reducerea mitocondriilor atipice si restaurarea patternului mitocondrial interfibrilar. De asemenea, s-a pus in evidenta o imbunatatire a functiilor mitocondriale, precum si a tariei si fortei musculare a animalelor tratate.
Aceste cercetari experimentale de varf au pus in evidenta faptul ca suplimentarea nivelelor sistemice ale proteinei GDF11 prin parabioza heterocronica sau injectare de rGDF11 inverseaza declinul functional si restaureaza integritatea genomica in celulele stem musculare batrane. Marirea nivelelor proteinei GDF11 la soarecii batrani a imbunatatit, de asemenea, caracteristicile musculare structurale si functionale, a marit taria musculara si capacitatea de rezistenta la exercitii fizice.
Toate aceste date experimentale indica faptul ca proteina GDF11 regleaza sistemic imbatranirea musculara, reversand unele disfunctionalitati musculare dependente de varsta, restabilind capacitatea regenerativa, fiind astfel considerata un factor de reintinerire celulara (Sinha M, Wagers A si col, 2014).
Efectele proteinei GDF11 asupra muschiului cardiac
Utilizand parabioza heterocronica (tanar-batran) si un model de imbatranire cardiaca la soareci, Amy Wagers si Richard Lee (2013) au observat, dupa 4 saptamani, o reducere substantiala a hipertrofiei cardiace. Utilizand acest model experimental, ei au demonstrat faptul ca hipertrofia cardiaca dependenta de varsta poate fi inversata prin expunerea la factorii prezenti in circulatia soarecilor tineri. Ei au descoperit ca proteina sistemica GDF11, un membru al familiei TGF-beta, inverseaza hipertrofia cardiaca specifica imbatranirii. Experimentele s-au efectuat pe perechi de soareci cu parabioza heterocronica (tineri de 2 luni – batrani de 23 luni) comparativ cu perechi cu parabioza izocronica (tineri-tineri si batrani-batrani). Efectul a fost vizibil vizual dupa 4 saptamani: inimile soarecilor batrani expusi la sistemul circulator al tinerilor erau considerabil mai mici decat inimile soarecilor batrani cu parabioza izocronica (batrani-batrani). Cercetarile au relevat, de asemenea, ca inimile batranilor expusi circulatiei tinerilor prezentau o reducere semnificativa in dimensiunea miocitelor, comparativ cu soarecii batrani de control (Loffredo si col., 2013). Astfel, expunerea la sistemul circulator al tinerilor inverseaza fenotipul celular hipertrofic al inimilor batrane la fenotipul morfologic tipic unui adult tanar.
Remodelarea moleculara cu proteina GDF11
Intrucat hipertrofia cardiaca este asociata cu modificari ale unor markeri cardiaci, Loffredo si colaboratorii (2013) au cuantificat expresia unor markeri moleculari cardiaci specifici hipertrofiei miocitelor, si anume: peptida natriuretica atriala (ANP, atrial natriuretic peptide) si peptida natriuretica cerebrala (BNP, brain natriuretic peptide). Reducerea hipertrofiei cardiace la soarecii batrani cu parabioza heterocronica (tineri-batrani) a fost insotita de reducerea semnificativa a nivelelor celor doi markeri moleculari: ANP si BNP. De asemenea, nivelele acestor markeri au fost mai scazute la soarecii batrani cu parabioza heterocronica decat la tineri cu parabioza izocronica. Aceste rezultate spectaculoase reflecta un proces de regresie activa a hipertrofiei celulare, datorat actiunii proteinei GDF11.
De asemenea, functia diastolica a fost semnificativ imbunatatita prin parabioza heterocronica; astfel ca expresia SERCA-2 (sarcoplasmic reticulum calcium ATPase), importanta pentru relaxarea diastolica normala, a fost semnificativ marita in inimile soarecilor batrani cu parabioza heterocronica, comparativ cu cei cu parabioza izocronica. Aceste date sustin actiunea factorilor circulatori ai tineretii in modificarile discrete ale cailor moleculare asociate cu hipertrofia miocitelor cardiace si chiar cu functia diastolica.
Proteina GDF11 previne “in vitro” hipertrofia cardiaca
Studii “in vitro” au demostrat efectul direct antihipertrofic al proteinei GDF11 la nivelul miocitelor cardiace. Astfel, cardio-miocitele derivate din celule stem umane pluripotente induse, stimulate cu rGDF11, au prezentat o crestere semnificativa a pSMAD2 si pSMAD3, concomitent cu activarea cailor TGF-beta si supresia factorului transcriptional Forkhead al fosforilarii (Forkhead transcription factor phosphorylation; Loffredo si col, 2013). Activarea cailor TGF-beta a fost, de asemenea, demonstrata de Tsuchida si colaboratorii (2008) pe celule musculare.
Proteina GDF11 reduce “in vivo” hipertrofia cardiaca asociata varstei
Studii experimentale au relevat efectul proteinei GDF11 de reducere a hipertrofiei cardiace. Astfel, injectarea a rGDF11 (0.1 mg/Kg) zilnic, timp de 30 de zile, la soareci batrani (23 de luni) a condus la micsorarea semnificativa atat a raportului dintre greutatea inimii/lungimea tibiei, cat si a cardiomiocitelor, comparativ cu lotul de control. De asemenea, au fost obtinute modificari la nivel molecular constand in reducerea semnificativa a markerilor moleculari asociati hipertrofiei cardiace: BNP si ANP (Loffredo, 2013), concomitent cu cresterea nivelelor SERCA-2.
Acelasi efect de reducere a markerilor moleculari ai hipertrofiei cardiace si marire a expresiei SERCA-2 a fost obtinut si la soarecii batrani expusi circulatiei tinerilor prin parabioza heterocronica.
Tratarea animalelor batrane cu proteina rGDF11 pentru restabilirea nivelelor specifice tineretii reverseaza hipertrofia cardiaca dependenta de varsta, relevand o noua oportunitate terapeutica pentru imbatranirea cardiaca.
Efectele proteinei GDF11 de reintinerire neurogenica si vasculara
Odata cu inaintarea in varsta apare si declinul functiilor cognitive si al neurogenezei. Restaurarea functionalitatii neuronale poate conduce la eliminarea efectelor negative ale imbatranirii.
Cercetarile efectuate de Katsimpardi si colaboratorii (2014) au demonstrat faptul ca factorii din sangele animalelor tinere au indus remodelarea vasculara, marirea neurogenezei si imbunatatirea simtului olfactiv la animalele batrane cu parabioza heterocronica. De asemenea, ei au aratat ca proteina GDF poate imbunatati circulatia cerebrala si mari neurogeneza.
Concomitent, Villeda si colaboratorii (2014) de la Universitatea California, San Francisco, au relevat modificari transcriptionale relativ la plasticitatea sinaptica in hipocampusul soarecilor batrani cu parabioza heterocronica, imbunatatirea memoriei si invatarii spatiale.
Concluzii
Nivelele tisulare si circulante ale proteinei GDF11 si expresia genica scad odata cu varsta.
GDF11 are efect anti-hipertrofic, reducand sau inversand hipertrofia cardiaca dependenta de varsta.
GDF11 imbunatateste neurogeneza si plasticitatea sinaptica, induce remodelarea vasculara si imbunatateste simtul olfactiv.
Proteina GDF11 regleaza sistemic imbatranirea musculara, reversand unele disfunctionalitati musculare dependente de varsta, restabilind capacitatea regenerativa, fiind astfel considerata un factor de reintinerire celulara, un “elixir al tineretii”.
Proteina GDF11 ar putea constitui o noua oportunitate terapeutica in imbatranirea cardiaca, musculara, vasculara sau neurologica.
Bibliografie
- McPherron AC. Metabolic Functions of Myostatin and Gdf11. Immunol Endocr Metab Agents Med. Chem. 2010; 10:217–231. [PubMed: 21197386]
- Conboy IM et al. Rejuvenation of aged progenitor cells by exposure to a young systemic environment. Nature. 17 February 2005; 433:760-764.
- Francesco S. Loffredo, Matthew L. Steinhauser, Steven M. Jay, Joseph Gannon, James R. Pancoast, Pratyusha Yalamanchi, Manisha Sinha, Claudia Dall’Osso, Danika Khong, Jennifer L. Shadrach, Christine M. Miller, Britta S. Singer, Alex Stewart, Nikolaos Psychogios, Robert E. Gerszten, Adam J. Hartigan, Mi-Jeong Kim, Thomas Serwold, Amy J. Wagers, and Richard T. Lee.Growth Differentiation Factor 11 is a circulating factor that reverses age-related cardiac hypertrophy. Cell. 9 May 2013; 153: 828-839.
- Villeda SA et al. Young blood reverses age-related impairments in cognitive function and synaptic plasticity in mice. Nature Medicine. AOP.
- Manisha Sinha, Young C. Jang, Juhyun Oh, Danika Khong, Elizabeth Y. Wu, Rohan Manohar, Christine Miller, Samuel G. Regalado, Francesco S. Loffredo, James R. Pancoast, Michael F. Hirshman, Jessica Lebowitz, Jennifer L. Shadrach, Massimiliano Cerletti, Mi-Jeong Kim, Thomas Serwold, Laurie J. Goodyear, Bernard Rosner, Richard T. Lee, Amy J. Wagers. Restoring systemic GDF11 levels reverses age-related dysfunction in mouse skeletal muscle. Science. 9 May 2014; 344: 649-652.
- Lida Katsimpardi, Nadia K. Litterman, Pamela A. Schein, Christine M. Miller, Francesco S. Loffredo, Gregory R. Wojtkiewicz, John W. Chen, Richard T. Lee, Amy J. Wagers, Lee L. Rubin. Vascular and neurogenic rejuvenation of the aging mouse brain by young systemic factors. Science. 9 May 2014; 344: 630-634
- Brack AS, Conboy MJ, Roy S, Lee M, Kuo CJ, Keller C, Rando TA. Increased Wnt signaling during aging alters muscle stem cell fate and increases fibrosis. Science. 2007; 317:807–810. [PubMed: 17690295]