Image may be NSFW.
Clik here to view.
Mariana Rachita*, Amalia Gabriela Diaconeasa**
Institutul National de Gerontologie si Geriatrie “Ana Aslan”*
Drd. Universitatea Politehnica Bucuresti – Facultatea de Chimie Aplicata si Stiinta Materialelor**
Rezumat
O analiza a sindroamelor imbatranirii rapide ar putea raspunde la intrebarea “Ce este imbatranirea”, dar si de ce anumite tesuturi si organe imbatranesc mai repede decat altele. Majoritatea sindroamelor imbatranirii rapide (progeria) sunt date de mutatii ale unor enzime implicate in mentinerea integritatii materialului genetic. Cea mai studiata astfel de boala este sindromul Werner, numit si “progeria adultului”, dat de o mutatie recesiva autozomala cu o frecventa de 10 la un milion de nasteri, care afecteaza o enzima numita helicaza cu rol in repararea ADN-ului.
O alta maladie, progeria Hutchinson-Gilford, are o incidenta si mai redusa si, in cele mai multe cazuri, este data de o mutatie punctiforma a unei proteine din anvelopa nucleara, lamina A. Mutatii ale laminei A apar si in alte sindroame progeroide, in care se semnaleaza degenerari preferentiale ale unor organe (distrofii). In cazul progeriei Hutchinson-Gilford, numita si “progeria copilului”, simptomele imbatranirii apar din primii ani de viata, decesul survenind prin boli cardiovasculare la varste foarte fragede, 13-15 ani.
In lucrarea de fata incercam sa facem o analiza a datelor existente in literatura privitor la sindroamele imbatranirii rapide in scopul identificarii unor mecanisme comune cu imbatranirea fiziologica, dar si de diferentiere de aceasta, care ar putea sa conduca in viitor la noi directii de explorare a procesului de imbatranire normala.
Cuvinte-cheie: progeria, Sindrom Werner, Hutchinson-Gilford, imbatranire.
Abstract
A critical analysis of the aging syndromes may explain what aging is, but also why some tissues and organs age more rapid than others. Most aging syndromes (progeria) are due to mutations involved in the genetic material integrity. Among them, most studied is Werner’s syndrome, “adult progeria”, given by an autosomal recesive mutation with a frequency of 1 in 10 millions, which affects a helicase, involved in DNA repair.
Hutchinson-Gilford progeria has an even lower frequency. In most cases it is caused by a point mutation of a gene coding a protein in the nuclear envelope, lamin A. Lamin A mutations occur in other progeroid syndromes too, causing various organ degenerations (dystrophies). In these conditions, aging symptoms appear in the first years of life, and death appears through cardiovascular diseases at very young ages, 13-15 years.
This paper’s goal is an analysis of the data in literature referring to the rapid aging syndromes in order to identify the common mechanisms with the physiological aging, but also the differences from this process, which could lead to future directions for exploring the normal aging.
Keywords: progeria, Werner syndrome, Hutchinson-Gilford syndrome, aging
Daca dorim sa intelegem imbatranirea, prima privire este spre sindroamele imbatranirii rapide. Unele, aflate sub numele generic de “progeria”, reprezinta boli extrem de rare in care imbatranirea se produce cu o viteza foarte mare si debuteaza in copilarie, in care rareori pacientii ajung la varsta adulta. Cele mai studiate sindroame progeroide sunt sindromul Werner si progeria Hutchinson-Gilford. Ele sunt cele mai asemanatoare imbatranirii normale. Cuvantul “progeria” vine de la cuvintele grecesti “pro” (πρό), “inainte” sau “premature” si “gēras” (γῆρας) “varsta inaintata”.
Exista si alte maladii in care imbatranirea este mai rapida, dar pacientii ajung la varsta adulta, chiar o depasesc. In acest caz, mentionam sindromul Down, o boala genetica relativ frecventa, dar si diabetul, asociat cu degenerari ale diverselor organe si sisteme.
In lucrarea de fata incercam sa analizam datele existente in literatura privitor la sindroamele imbatranirii rapide cunoscute sub numele generic de “progeria” in scopul identificarii unor mecanisme comune cu imbatranirea fiziologica, dar si de diferentiere de aceasta, care ar putea sa conduca in viitor la noi directii de explorare a procesului de imbatranire normala.
Sindroamele imbatranirii rapide sunt maladii genetice date de mutatii care afecteaza de multe ori integritatea materialului genetic, codificand enzime implicate in repararea si arhitectura materialului genetic (Best, 2009).
Sindromul Werner, numit si “progeria adultului”, este o maladie recesiva autozomala cu o frecventa de 10 la un milion de nasteri. Gena implicata secreta o helicaza, enzima importanta in arhitectura ADN, cu rol in replicarea acestuia, recombinare, dar probabil si mentinerea telomerelor (Multani si Chang, 2007). Indivizii cu aceasta boala se nasc normali, boala incepe sa se manifeste din al doilea deceniu al vietii, cand isi fac aparitia boli degenerative asociate cu imbatranirea, cum ar fi boli cardiovasculare, osteoporoza, cancere rare nonepiteliale de tipul neoplasmelor mezenchimale (sarcoamele), alopecie, diabet de tip II, cataracta, dar si hipogonadism. Decesul survine in general in al patrulea deceniu al vietii, prin boli cardiovasculare sau cancer. Interesant este faptul ca fibroblastele de la acesti pacienti, prelevate si studiate “in vitro”, prezinta o senescenta celulara mai rapida, adica au o capacitate de diviziune mai redusa in culturi decat fibroblastele provenite de la indivizii normali. Proteina Wrn (o helicaza, enzima implicata in desfasurarea ADN si etalarea lui in scopul transcriptiei, dar si al altor procese biochimice) ar avea functii complexe celulare, fiind in legatura si cu p53, implicata in controlul diviziunii celulare, prin aceasta in riscul de malignizare (Nehlin et al., 2000).
Totusi, defectul genetic in cea mai spectaculoasa progeria Hutchinson-Gilford, numita si “progeria copilului”, in care rata imbatranirii este de 8-10 ori mai mare decat normal, il prezinta o proteina prezenta in membrana nucleara, numita lamina A (Cao et al, 2011). Lamina A si lamina B sunt principalele proteine care formeaza lamina nucleara, partea interioara a anvelopei nucleare, o retea subtire de proteine (20-50 nm in celulele de mamifere) care interactioneaza cu alte proteine nucleare si cu cromatina (Pollex si Hegele, 2004). O mutatie punctiforma a genei care codifica aceasta proteina conduce la procesarea ei defectuoasa si la acumularea ei in membrana nucleara, care capata un aspect de “basici”.
Interesant este faptul ca, in cazul progeriei Hutchinson-Gilford, nu creste nici riscul de cancer, si nici de demente senile. Desi pacientii cu aceasta maladie rar depasesc varsta de 20 ani, inteligenta lor este chiar usor peste medie. Boala este extrem de rara, la nastere copiii par relativ normali, dar pielea lor este mai subtire, iar vasele de sange sunt vizibile. Curand, in primele luni de viata apar unele simptome, printre care faptul ca acesti copii nu iau in greutate si dezvolta local simptome de tipul scleroderma, adica ingrosare si incretire a pielii in special la extremitati. Intre 18 si 24 luni, incep sa apara modificari specifice, cum ar fi crestere inceata, alopecie generalizata, un aspect caracteristic, cu fata mica, maxilarul mic si retras, nasul ascutit. Apoi, pe masura ce copilul inainteaza in varsta, apar semne ale unor maladii asociate cu imbatranirea si semne ale imbatranirii. Pielea se rideaza, apar maladii cardiovasculare, ateroscleroza, pierderea vederii, insuficienta renala. Apare degenerarea musculara si a scheletului, pierderea grasimii corporale, a masei musculare, articulatii rigide, dislocari ale soldului. In general, decesul survine ca urmare a complicatiilor cardiace.
Care e legatura dintre “basicutele” aparute in lamina A si modificarile similare imbatranirii pe care acestea le genereaza nu se stie la ora actuala. Mai mult, se pare ca lamina A s-ar acumula si in imbatranirea normala, chiar dacã intr-un ritm mai redus decat in progeria (Cao et al., 2011). Interesant este ca unele studii sugereaza ca lamina A ar putea fi responsabila de modificarile materialului genetic asociate cu imbatranirea, cum ar fi defecte ale ADN, ale metilarii histonelor cu influenta asupra heterocromatinei etc (Scaffidi P, Misteli T, 2006).
Varianta mutanta a laminei A apare si in celulele cultivate in vitro de la pacienti sanatosi si tineri, dupa mai multe multiplicari succesive, iar acumularea ei in nucleu, la pacientii varstnici sanatosi, fara a fi insotita de cresterea ARNm responsabil de sinteza sa, sugereaza ca aparatul de procesare proteica al celulei ar fi de vina pentru aceasta acumulare. Cu alte cuvinte, putem presupune ca functionarea anormala a altor proteine poate conduce la acest fenotip in cazul imbatranirii.
Intrebarea fireasca, daca luam in calcul aceasta ipoteza, ar fi daca exista indivizi purtatori de aceasta mutatie care sa nu dezvolte boala, daca se intampla ca rudele sanatoase ale pacientilor cu aceasta boala sa poarte cumva mutatia. Istoricul studiului acestei boli arata ca, la inceput, s-a considerat ca este o maladie recesiva autozomala, tocmai pentru ca aparea intr-o proportie mai mare in familiile unde exista consangvinizare (Pollex si Hegele, 2004). Studiile genetice au aratat ca 90% dintre pacientii cu aceasta boala aveau o mutatie punctiforma, care apoi s-a dovedit ca aparea, cel putin la unii pacienti, pe linie paterna ca o mutatie “de novo”. Mutatiile sporadice ale alelelor paterne apar si in alte sindroame, cum ar fi acondroplazia, sindroamele Apert, Crouzon si Pfeiffer, si au fost puse pe seama varstei inaintate a tatilor (ca si in progeria Hutchinson-Gilford). Varsta inaintata a tatilor ar fi corelata cu o rata mai mare a mutatiilor la nivelul materialului genetic al spermei. Dar cel putin in cazul acondroplaziei, aceasta ipoteza a fost respinsa (Pollex si Hegele, 2004).
Mutatia din progeria Hutchinson-Gilford, o substitutie citozina-timina la codonul 608, apare intr-o zona bogata in dinucleotide GC, unde metilarile au loc adesea. Chiar se considera ca o citozina metilata ar fi putut fi cu usurinta deaminata si copiata gresit. Ar avea loc, cu alte cuvinte, intr-o zona fierbinte, propice mutatiilor, dar si modificarilor epigenetice, am adauga noi, care ar putea fi apoi surse de mutatii.
Mutatii punctiforme ale laminei A apar si in alte sindroame progeroide, ex. sindromul Wiedemann-Rautenstrauch, caracterizat prin lipodistrofie severa, diferite substitutii fiind asociate cu afectarea preponderenta a diferitelor tesuturi (ex. muscular) (Pollex si Hegele, 2004).
Mutatia din progeria Hutchinson-Gilford a proteinei numite prelamina A impiedica indepartarea unui grup farnesil (un rest alifatic precursor al colesterolului). In lipsa acestei modificari postranslationale, rezulta progerina, lamina A anormala, care ramane lipita de rama nucleara si conduce la forma anormala a membranei nucleare. Proteina normala, de la care s-a indepartat grupul farnesil, ajunge in anvelopa nucleara, spre deosebire de progerina, lamina A cu grupul farnesil.
Medicamentele utilizate in incercarea de a trata progeria Hutchinson-Gilford s-au axat pe reactia de farnesilare (adaugarea unui grup farnesil), fiind folosit un medicament utilizat in cancer, lonafarnib (Ullrich et al., 2013), care a facut obiectul unui studiu clinic pe pacienti, dar si statine (Varela et al., 2008) sau zolendronat, folosit pentru tratarea hipercalcemiei. Rezultatele studiului clinic cu lonafarnib arata unele beneficii moderate.
Dar lucrurile s-au complicat atunci cand mutatii ale laminei A au fost descoperite la parintii heterozigoti ai unui copil cu progeria, care avea si simptome de la alte boli progeroide (Verstraeten et al., 2006). Parintii copilului, purtatori de mutatii diferite, aveau 6% limfocite cu nuclee anormale. Anomaliile nucleare erau diferite atat la copil (prezente in proportie de 36% in limfocite), cat si la parinti, de cele considerate clasice in progeria Hutchinson-Gilford, adica acele “basicute”. In acest caz, lamina A nu se acumula la periferie, ci conducea la prezenta altor anomalii nucleare, figuri in forma de fagure si basicute in care lamina B, o alta proteina a anvelopei nucleare, lipsea. Mai mult, inhibitorii de farnesilare nu conduceau la repararea fenotipului celular, ca in cazul celei mai comune mutatii din progeria Hutchinson-Gilford, ci la alte anomalii nucleare, inclusiv la acumularea prelaminei A la periferia nucleului. Aceste rezultate arata nu numai ca zona C terminala a prelaminei A este foarte importanta pentru functionare, dar si ca acumularea acestei proteine nu ar fi factorul nociv determinant pentru simptome (Verstraeten et al., 2006).
Alte studii arata ca expresia laminei A este de numai 25% in limfocitele de la pacientii cu progeria Hutchinson-Gilford. Interactiunea anormala a proteinelor din lamina nucleara ar putea conduce la fenotipul din sindroamele progeroide si mai ales progeria. Fibroblastele de la pacientii cu progeria Hutchinson-Gilford sufera o perioada de hiperproliferare urmata de apoptoza. Probabil acest lucru se intampla, consideram noi, si in imbatranirea normala, cel putin in unele tesuturi si la anumite momente. Fibroza este foarte raspandita in progeria Hutchinson-Gilford, ea fiind implicata si in maladiile cardiace. Fibroza se caracterizeaza prin putine celule si multe fibre. Lamina A ar avea roluri in replicarea, transcriptia si repararea ADN. Prin interactiunea cu proteina retinoblastoma pRb, ar fi implicata in proliferarea si diferentierea celulara. Proteinele de tipul laminei A au rol in semnalizarea factorului de crestere transformant b1 (TGF-b1), ceea ce ar explica legatura dintre un “turn over” celular accelerat si imbatranirea prematura. Laminele de tip A ar modula prin intermediul semnalizarii TGF-b1 productia de colagen, care la soarecii knockout pentru lamina A este marita. Acest aspect ar explica fibroza crescuta la pacientii cu laminopatii, dar si la modelele animale (murine) de progeria Hutchinson-Gilford (Verstraeten et al., 2006).
Putem concluziona ca proteinele de sustinere, atat de la nivelul intregului organism, al tesuturilor, dar si de la nivelul nucleului, si nu in ultimul rand si de la nivelul celulelor (citoscheletul), au un rol extrem de important in imbatranire. Retelele de fibre proteice nu numai ca au rol de sustinere, dar au si interactiuni importante cu proteine implicate in semnalizare celulara, prin urmare in proliferare, diferentiere si functionare celulara. De asemenea, procesarea proteinelor este un fenomen foarte complex, care necesita multe enzime, in diverse compartimente celulare, ceea ce poate conduce si la numeroase erori.
Foarte probabil, consideram noi, in cazul progeriei si al sindroamelor progeroide, pe langa mutatiile demonstrate la nivelul laminei A, alte proteine, implicate in procesarea proteinelor, dar si in alte functii celulare, ca proliferare si diferentiere, ar putea avea un rol important. Daca exista indivizi cu mutatii ale laminei A in zone-cheie care sa fie totusi sanatosi, aceasta predictie se verifica. In sprijinul ei vine si faptul ca fenotipuri celulare similare celui din progeria apar in cazul imbatranirii normale, dar si in cazul senescentei celulelor de la pacientii tineri. Faptul ca apare in familii in care exista consangvinizare ar putea pleda pentru lipsa unor enzime care sa suplineasca rolul celor deficiente. Probabilitatea mica de aparitie ar veni din faptul ca, pe langa mutatii, cu probabilitate mica oricum, ar concura si alti factori, alte deficiente enzimatice.
Image may be NSFW.
Clik here to view.
Analizand datele din literatura referitoare la sindroamele de imbatranire rapida numite generic “progeria” formulam urmatoarele consideratii personale:
Ca model pentru imbatranirea normala, consideram ca progeria, dar si sindroamele progeroide functioneaza ca modele destul de bune, dar cu limitarile de rigoare. Pacientii cu progeria sunt diferiti de pacientii batrani din mai multe puncte de vedere, nu numai din cauza maladiilor care nu se suprapun in totalitate. Pacientii cu progeria dezvolta procese degenerative din copilarie, stopand astfel proliferarea celulelor stem mature, dar si unele fenomene de diferentiere celulara. Imbatranirea normala porneste din alt punct, capacitatea de regenerare a organismului este mai mare la momentul cand apare declinul biologic asociat cu imbatranirea “normala”. Progeria se compara, in acest sens, cu imbatranirea de la varste foarte inaintate.
Tot comparand imbatranirea “normala” si progeria, am putea diferentia procesele degenerative ca regenerare defectuoasa, apoptoza, necroza etc, si regenerare anormala, cum ar fi cancerul, displazii, procese reparatorii cu erori la toate nivelurile. Consideram ca in progeria fenomenele de al doilea tip sunt mai rare, asa se explica frecventa redusa a cancerelor, dar si a altor maladii asociate cu imbatranirea.
De asemenea, interesant este ca progeria Hutchinson-Gilford are o evolutie rapida, inclusiv decesul survenind mai devreme decat in cazul altor sindroame de imbatranire rapida, cum este sindromul Werner. Aceste date sugereaza ca nu mutatiile sunt cele mai importante in imbatranire, in sensul ca nu o rata crescuta a mutatiilor, ca in sindroamele in care integritatea materialului genetic e afectata, ar conduce la o accelerare a imbatranirii, ci si alti factori. In progeria Hutchinson-Gilford s-ar putea ca transcriptia in bloc sa fie afectata. Interesant de semnalat este si faptul ca modificarile epigenetice asociate cu imbatranirea normala, fiziologica, nu apar la pacientii cu progeria Hutchinson-Gilford (Horvath, 2013). In aceste conditii, s-ar putea trage concluzia ca semnalizarea la nivel nuclear ar limita reactiile de transcriptie. Probabil acele “basicute” despre care am discutat anterior ar fi de vina pentru acest fenomen, impiedicand hormonii, receptorii nucleari etc, sa actioneze in vederea transmiterii semnalelor de transcriptie.
Studiile viitoare asupra progeriei ar putea sa contribuie la descifrarea mecanismelor procesului de imbatranire in general dar si a maladiilor asociate acestuia.
Bibliografie
Best B.P Nuclear DNA damage as a direct cause of aging Rejuvenation Research, 2009, 12 (3): 199–208.
Cao, K.; and colab,Rapamycin reverses cellular phenotypes and enhances mutant protein clearance in Hutchinson-Gilford progeria syndrome cells , Science Translational Medicine 2011, 3 (89).
Capell BC et al. Inhibiting farnesylation of progerin prevents the characteristic nuclear blebbing of Hutchinson-Gilford progeria syndrome. Proc. Nat.l Acad. Sci .USA, 2005,102 (36): 12879–84.
Horvath S., DNA methylation age of human tissues and cell types. Genome Biology, 2013; 14 (10)
Loue S. Sajatovic M. (editors), Encyclopedia of Aging and Public Health, 2007 – Springer, pp. 251
Martin GM., Biology of aging. In: Goldman L, Ausiello D, eds. Cecil Medicine. 23rd ed. Philadelphia, Pa: Saunders Elsevier; 2007:chap 22.
Pollex RL, Hegele RA., Hutchinson–Gilford progeria syndrome.,Clin. Genet, 2004: 66: 375–381
Sadeghi-Nejad A, Demmer L ,Growth hormone therapy in progeria. J. Pediatr. Endocrinol. Metab. 2007, 20 (5): 633–7.
Scaffidi P, Misteli T ,Lamin A-dependent nuclear defects in human aging,. Science, 2006, 312 (5776): 1059–63
Sullivan et al,. Loss of A-type lamin expression compromises nuclear envelope integrity leading to muscular dystrophy. J Cell Biol.,1999, 147 (5): 913–20
Ullrich N. J.; and colab., Neurologic features of Hutchinson-Gilford progeria syndrome after lonafarnib treatment , Neurology, 2013, 81 (5): 427–30.
Valerie L.R.M., and colab.,Compound heterozygosity for mutations in LMNA causes a progeria syndrome without prelamin A accumulation, Human Molecular Genetics, 2006, Vol. 15, No. 16
Varela I, Pereira S, Ugalde AP, et al. Combined treatment with statins and aminobisphosphonates extends longevity in a mouse model of human premature aging . Nat. Med. 2008,14 (7): 767–72.
Wang Y et al,. Blocking protein farnesylation improves nuclear shape abnormalities in keratinocytes of mice expressing the prelamin A variant in Hutchinson-Gilford progeria syndrome, Landes Bioscience, 2010, 1 (5): 432–9.