Rapalogs i inhibidors de MTOR com a terapèutiques antienvelliment

La rapamicina, un inhibidor de l'objectiu mecanicista de la rapamicina (mTOR), té el suport experimental més fort fins ara com apotencial terapèutic antienvellimenten mamífers. A diferència de molts altres compostos que s'ha afirmat que influeixen en la longevitat, la rapamicina s'ha provat repetidament en ratolins de llarga vida i genèticament heterogenis, en els quals allarga tant la vida mitjana com la màxima. No obstant això, el mecanisme que explica aquests efectes està lluny de ser clar, i una llista creixent d'efectes secundaris fa dubtar que la rapamicina sigui, finalment, beneficiosa en humans. Aquesta revisió analitza les perspectives per desenvolupar nous i més segursteràpies anti-envellimentbasat en anàlegs de rapamicina (anomenats rapàlegs) o altres enfocaments dirigits a la senyalització mTOR.

Feu clic aquí per obtenir més informació sobre Cistanche per al tractament antienvelliment

Una breu història de la rapamicina i l'objectiu mecanicista de la rapamicina La rapamicina es va descobrir al sòl de l'illa de Pasqua com un compost produït per Streptomyces hygroscopicus que era capaç d'inhibir la proliferació del llevat Candida albicans però no va afectar el creixement dels bacteris (1). En els mamífers, es va trobar que la rapamicina inhibeix la resposta immune i es va adoptar posteriorment com a teràpia estàndard per prevenir el rebuig de l'empelt en receptors de trasplantament i per tractar trastorns autoimmunes (2, 3). La rapamicina també inhibeix àmpliament el creixement i la proliferació de cèl·lules de mamífers, estimulant l'interès més recent pel seu ús com a teràpia contra el càncer (4). Mecànicament, la rapamicina s'uneix a FKBP12, una immunofilina amb activitat prolil isomerasa. Dues proteïnes addicionals necessàries per als seus efectes en el llevat es van identificar en una pantalla genètica el 1991 i es van anomenar objectius de rapamicina 1 (TOR1) i TOR2 (5). Durant els anys 1994 i 1995, tres grups separats van aïllar una 289-kDa quinasa que està unida i inhibida pel complex rapamicina-FKBP12 a les cèl·lules de mamífers (6–8). Aquesta cinasa ara es coneix com l'objectiu mecanicista de la rapamicina (mTOR) i és aproximadament un 40 per cent homòloga a les proteïnes TOR de Saccharomyces cerevisiae i està molt conservada entre els eucariotes. mTOR es troba en dos complexos que tenen funcions diferents i sensibilitats diferents a l'acció de la rapamicina. El complex mTOR 1 (mTORC1; format per mTOR, raptor, mLST8/GL, PRAS40, DEPTOR) té un paper clau en la regulació de la traducció i el creixement cel·lular mitjançant la fosforilació de substrats que inclouen la S6 cinasa (S6K) i la proteïna d'unió del factor d'iniciació eucariota eIF4E. (4E-BP) i és potentment inhibida per la rapamicina. En canvi, mTORC2 (constituït per mTOR, Rictor, mLST8/GL, mSIN1, protor, DEPTOR) regula un conjunt divers de substrats, inclòs AKT S473, cinasa regulada de sèrum/glucocorticoide i PKC-, i és molt resistent a la rapamicina, encara que es pot alterar físicament durant l'exposició crònica. Els mTORC reben entrades mitjançant una àmplia varietat de mecanismes de senyalització i tenen papers en molts aspectes de la fisiologia, que s'han revisat en profunditat (9). Breument, mTORC1 respon a senyals que inclouen aminoàcids, glucosa, lligands WNT, oxigen, AMPc i insulina/IGF-1. La regulació de l'activitat de mTORC2 és menys clara, però pot implicar una interacció amb ribosomes (10). La senyalització d'insulina/IGF-1 a mTORC1 està mediada en part per mTORC2 mitjançant la fosforilació AKT. Al seu torn, l'activació de mTORC1 es retroalimenta per atenuar la senyalització d'insulina/IGF-1 mitjançant S6K1 i GRB10 (figura 1 i ref. 11).

Connectar la senyalització mTOR amb l'edat El paper de la senyalització TOR en l'envelliment es va revelar per primera vegada l'any 2003, quan Vellai i els seus col·legues van demostrar que l'ARNi contra let-363/CeTor va allargar significativament la vida útil de Caenorhabditis elegans i funcionava independentment de daf{{2} }, un homo log de FOXO que anteriorment s'havia demostrat que influïa en la vida útil (12). Això va ser seguit ràpidament per la demostració que la inhibició genètica de la senyalització TOR allarga la vida útil a Drosophila melanogaster i el llevat en gemec S. cerevisiae (13, 14). La inhibició genètica de la senyalització mTOR en mamífers és una qüestió delicada, ja que la proteïna quinasa mTOR, el raptor, el rictor i el mLST8 són essencials per al desenvolupament (15). Recentment, hem demostrat que les femelles de ratolins Mtor plus /–Mlst8 plus /– han reduït l'activitat de mTORC1 i han augmentat la longevitat, similar al fenotip reportat per Sel man i col·legues per als ratolins que no tenen S6K1, un dels principals substrats de mTORC1 (16, 17). ). Per tant, el vincle entre la senyalització mTOR i la longevitat sembla que es conserva des del llevat fins als mamífers (taula 1).

Efectes de la rapamicina sobre la longevitat

La rapamicina allarga la vida útil en llevats, cucs i mosques (taula 2 i refs. 18-21). El 2009, es va demostrar que la rapamicina allargava tant la vida mitjana com la màxima de ratolins genèticament heterogenis masculins i femelles (descendent d'un encreuament de quatre vies entre soques endogànies de llarga vida) (22). Notablement, el tractament no es va iniciar fins que els ratolins havien arribat a una edat avançada (20 mesos), aproximadament equivalent a una edat humana de 60 anys. En un estudi de seguiment que va començar als 9 mesos d'edat, la rapamicina va allargar la vida mitjana en homes i dones en un 10% i un 18%, respectivament, i la vida màxima en un 16% i un 13% (23). La rapamicina es va microencapsular en un recobriment entèric que va permetre el lliurament dels aliments durant aquests estudis, i el nivell sanguini assolit va ser aproximadament tres vegades superior al rang terapèutic típic per a la immunosupressió en humans (24).

Figura 1 Senyalització mTOR. mTOR es troba en dos complexos, mTORC1 i mTORC2. mTORC1 es regula en part mitjançant el complex TSC, que normalment actua com una proteïna activadora de GTPasa perquè Rheb suprimi la senyalització de mTORC1. mTORC1 també està regulat per aminoàcids mitjançant la família d'unió GTP relacionada amb Ras (Rag) de petites GTPases. Les proteïnes Rag activen mTORC1 localitzant mTORC1 al lisosoma mitjançant la interacció amb el complex regulador (110). mTORC1 promou el creixement millorant la biogènesi ribosòmica, la traducció i altres processos anabòlics alhora que inhibeix l'autofàgia. mTORC1 suprimeix la senyalització d'insulina/IGF-1 mitjançant la regulació directa de Grb10 i S6K, que posteriorment redueix la senyalització a mTORC2. AKT, un inhibidor de TSC1/2, és un dels diversos substrats directes de mTORC2. Els processos que estan regulats per la senyalització mTOR es mostren en vermell; els que estan regulats a la baixa per la senyalització mTOR es mostren en blau.

Altres estudis també han trobat un efecte positiu de la rapamicina en la vida útil. Chen et al. va trobar que la rapamicinava reduir la taxa de mortalitat en homes d'edat avançadaC57BL/6 ratolins (25). Anisimov et al. va demostrar que la rapamicina allarga la vida útil màxima (esperança de vida mitjana de l'últim 10 per cent que sobreviu) en una soca de ratolins de curta durada i propensa a tumors (FVB/N HER-2/neu transgènic) (26). Tot i que aquest estudi proporciona una forta evidència que la rapamicina pot ser beneficiosa en el context del càncer, l'elecció de la soca fa que sigui difícil separar els efectes anticancerígens de l'envelliment per si mateix. Tanmateix, la rapamicina també allarga la vida útil dels ratolins 129/Sv, una soca endogàmica amb una vida útil i una incidència de tumors més típics (27). Sorprenentment, el 22,9 per cent dels ratolins tractats van romandre vius a la mort de l'últim animal de control.

En conjunt, aquestes observacions fan que la rapamicina sigui el candidat millor recolzat per a un fàrmac per a la longevitat dels mamífers. Entendre el seu mecanisme d'acció té el potencial d'oferir una visió de la naturalesa del procés d'envelliment subjacent i pot conduir a nous enfocaments terapèutics per alleujar la càrrega de les malalties relacionades amb l'edat. Tanmateix, el mecanisme que explica els efectes anti-envelliment de la rapamicina encara no està clar (taula 2).

Mecanismes potencials d'extensió de la vida útil per rapamicina

Efectes anticancerígens. El càncer és la causa més freqüent de mort dels ratolins de laboratori i la rapamicina és un fàrmac anticancerígen. Per tant, segueix sent possible que l'extensió de la vida útil de la rapamicina sigui secundària a la supressió del tumor i no estigui relacionada amb el procés d'envelliment subjacent. Hi ha diverses raons per les quals no afavorim aquest model. En primer lloc, els experiments inicials que vinculaven la inhibició de rapamicina i mTOR amb la longevitat es van realitzar en organismes que són principalment postmitòtics (cucs i mosques) o unicel·lulars (llevats) i, per tant, no experimenten càncer. En segon lloc, la rapamicina augmenta la longevitat màxima, donant suport a la idea que frena múltiples patologies relacionades amb l'edat. Apuntar-se a una sola malaltia no hauria d'augmentar substancialment la vida de les persones més longeves d'un grup, ja que les persones més grans tindran un risc molt alt per a la majoria o totes les causes de mort tret que el procés d'envelliment subjacent s'hagi ajornat. En tercer lloc, s'ha demostrat que la rapamicina retarda múltiples canvis relacionats amb l'edat en els ratolins, inclosa la pèrdua de la funció de les cèl·lules mare (25), el declivi cognitiu (28), la retinopatia (29), l'acumulació d'alteracions subcel·lulars al miocardi, la degeneració hepàtica, la hiperplàsia endometrial. , enduriment del tendó i disminució de l'activitat física (30). A més, la rapamicina és terapèutica en models de rosegadors d'hipertròfia cardíaca (31, 32) i malalties neurodegeneratives (33-35), condicions que afecten els humans envellits. Tot i que la prevenció del càncer té clarament un paper important en el benefici de supervivència que atorga la rapamicina, és important entendre que el càncer és una malaltia relacionada amb l'edat i la seva prevenció és una conseqüència esperada de qualsevol teràpia que alenti l'envelliment.

Traducció. mTORC1, a través de S6K i 4E-BP, té un paper central en la regulació de la traducció, i val la pena considerar si la síntesi de proteïnes reduïda per se podria mediar els efectes de la rapamicina sobre la longevitat. Per exemple, disminuir la taxa global de traducció podria permetre una millor fidelitat durant la síntesi i/o alleujar l'estrès sobre els mecanismes que degraden proteïnes errònies, mal plegades o danyades (36). De fet, experiments en S. cerevisiae, C. elegans i D. melanogaster han demostrat que la supressió o la derrota mediada per siRNA de subunitats ribosòmiques, S6K o factors d'iniciació de la traducció produeixen un augment de la vida útil i la supressió de S6K1 allarga la vida útil en ratolins femelles. mentre que la supressió de 4E-BP bloqueja els efectes que prolonguen la vida de la restricció calòrica (CR) a les mosques (13, 37-40).

Les troballes recents desafien la visió que la traducció per se és la clau dels beneficis de la inhibició de TOR/mTOR. Tot i que les ratolins femelles que no tenen S6K1 tenen una vida útil allargada, no hi ha cap efecte perceptible en la traducció general, almenys en el múscul esquelètic (41). A més, la llarga vida útil dels cucs que no tenen un factor clau d'iniciació de la traducció encara es pot augmentar encara més amb la supressió de TOR, la qual cosa implica que hi ha diferents mecanismes en joc (38). A més, l'extensió de la vida útil a causa de la supressió dels factors d'iniciació de la traducció depèn de daf-16, mentre que l'extensió de la vida útil per l'esgotament de TOR, S6K o subunitats ribosòmiques no ho depèn, de nou apuntant a la implicació de múltiples mecanismes diferents (12). , 37). Curiosament, la reducció de TOR mitjançant RNAi no allarga encara més la vida útil dels cucs mutants eat-2, un model per a CR, tot i suprimir la taxa ja baixa de síntesi de proteïnes en un 49 per cent addicional (37). A més, la inactivació de l'homòleg del cuc d'AMPK és suficient per suprimir l'extensió de la vida útil en animals que no tenen S6K, aparentment sense afectar la traducció (16). És evident que la relació entre traducció i longevitat és més complexa del que es pensava inicialment

La traducció d'ARNm específics pot influir en la vida útil.

Tot i que la pèrdua completa de la funció mTOR té un efecte important en la traducció general, la rapamicina té un efecte més subtil, probablement perquè un subconjunt de les funcions de 4E-BP és resistent a la rapamicina (42, 43). Tant la rapamicina com la inhibició completa de mTOR prefereixen suprimir parcialment la traducció d'ARNm amb motius d'oligopirimidina terminal 5', cosa que suggereix un paper potencial per a aquests gens en la longevitat (43, 44). Malgrat la disminució de la síntesi global de proteïnes, la CR a les mosques millora específicament la traducció d'un subconjunt d'ARNm que tenen UTR 5′ curtes i menys estructurades, inclosos els gens mitocondrials codificats per nuclear (40). El substrat TOR 4E-BP és necessari per a aquest efecte i per a l'extensió de la vida útil. En els llevats que no tenen subunitats ribosòmiques o TOR, l'extensió de la vida útil completa requereix una traducció més gran d'una transcripció específica, GCN4 (45). L'expressió de GCN4 està limitada per múltiples ORF aigües amunt que normalment segresten ribosomes que s'uneixen a l'ARNm. En condicions de disminució de l'activitat de TOR o gran abundància de subunitats ribosòmiques, els ORF aigües amunt es salten amb més freqüència per iniciar la traducció de l'ORF GCN4. Aquests exemples posen de manifest subtileses en la regulació de la traducció que tot just comencem a apreciar.

Taula 2 Efectes de la rapamicina sobre la longevitat

Autofàgia. Un altre efecte de la inhibició de mTOR que s'ha relacionat amb la longevitat és la inducció de l'autofàgia, un procés pel qual les cèl·lules reciclen les seves proteïnes i orgànuls. L'autofàgia permet a les cèl·lules sobreviure a condicions limitades de nutrients i és un mecanisme central pel qual s'eliminen els components danyats. En condicions de suficiència de nutrients, mTOR fosforila i inhibeix la cinasa que inicia l'autofàgia ULK1 (46). La inactivació dels gens implicats en l'autofàgia disminueix la vida útil del llevat (cronològic), C. elegans i Drosophila, i la promoció de l'autofàgia al sistema nerviós de la mosca allarga la vida útil (47–49). A més, l'autofàgia és necessària per a l'extensió per rapamicina de la vida cronològica del llevat (47) i per a l'extensió de la vida útil per CR o inhibició genètica de la senyalització mTOR en cucs (50).

En els mamífers, l'autofàgia també sembla tenir un paper important en el procés d'envelliment. De manera més espectacular, la inducció de l'autofàgia és suficient per rejovenir la histologia i la funció del fetge dels ratolins envellits (51). A més, sembla que l'autofàgia està regulada a l'alça en els ratolins CR i mediar alguns dels efectes beneficiosos d'una dieta CR sobre el cor, el fetge i els ronyons (52–54). Les cèl·lules de ratolins nans Snell de llarga vida també mostren evidències d'augment de l'autofàgia (55).Cardiomiòcits iSolament de ratolins vells tenen una autofàgia més baixa i presenten defectes en la manipulació del calci, tots dos es corregeixen mitjançant l'exposició a rapamicina ex vivo (56). Tanmateix, l'augment de l'autofàgia pot no ser sempre beneficiós i, de fet, pot contribuir al fenotip pro-envelliment dels ratolins progeroides (57).

Curiosament, la rapamicina millora la sang nuclear i la senescència prematura en cèl·lules derivades de pacients amb progèria de Hutchinson Gilford, una rara síndrome d'envelliment prematur (58). La malaltia resulta d'una variant mal escrita de la làmina A, anomenada progerina, que s'acumula en gran mesura en els pacients i també es detecta en quantitats més petites durant l'envelliment cel·lular normal (59, 60). La rapamy cin sembla estimular l'eliminació de la progerina de les cèl·lules malaltes mitjançant l'autofàgia i, per tant, també pot limitar l'acumulació normal de progerina relacionada amb l'edat. En general, és probable que la regulació adequada de l'autofàgia sigui un determinant crític de l'envelliment saludable.

Figura 2 El tractament crònic amb rapamicina altera mTORC2. (A) In vivo, els nutrients i els factors de creixement impulsen l'activitat de mTORC1 i mTORC2, que promouen el creixement, l'envelliment i la sensibilitat a la insulina. (B) El tractament agut amb rapamicina inhibeix la senyalització mTORC1, restringint el creixement i afavorint la longevitat sense reduir la sensibilitat a la insulina. (C) El tractament crònic amb rapamicina inhibeix tant mTORC1 com mTORC2, restringint el creixement i perjudicant la senyalització de la insulina, però afavorint la longevitat

Manteniment de cèl·lules mare. La rapamicina té una sèrie d'efectes interessants sobre la funció de les cèl·lules mare. La senyalització hiperactiva aigües amunt de mTORC1 a causa de la supressió de Pten, la supressió de l'esclerosi tuberosa 1 (Tsc1) o l'activació constitutiva d'AKT redueix el nombre i la capacitat funcional dels HSC (61-63). El tractament amb rapamicina pot restaurar la capacitat d'autorenovació normal en una subpoblació de HSC de ratolí que tenen un estrès oxidatiu espontàniament elevat i una capacitat funcional reduïda (64). Més recentment, Chen et al. va assenyalar que l'activitat de mTORC1 està elevada en els HSC derivats de ratolins envellits, que presenten dèficits funcionals que recorden els causats per la supressió de Tsc1 (25). La rapamicina va restaurar la capacitat funcional dels HSC de ratolins vells i va augmentar la resposta immune al virus de la grip. La rapamicina també augmenta l'autorenovació de les cèl·lules mare intestinals mitjançant la inhibició de mTORC1 a les cèl·lules de Paneth adjacents, similar als efectes que s'han observat en animals CR (65). A més, la rapamicina millora la reprogramació de cèl·lules somàtiques per generar cèl·lules mare pluripotents induïdes, cosa que suggereix una promoció general de la funció de les cèl·lules mare (66). D'altra banda, la rapamicina perjudica la pluripotència, redueix la proliferació i afavoreix la diferenciació en cèl·lules mare embrionàries humanes (67, 68). A les cèl·lules mare embrionàries de ratolí, l'expressió dels marcadors de pluripotència és més resistent al tractament amb rapamicina, però la mida i la proliferació cel·lular encara es redueixen i es millora la diferenciació (67, 69). Curiosament, la rapamicina esgota les cèl·lules iniciadores de la leucèmia i inhibeix tant les capacitats d'autorenovació com de diferenciació de les cèl·lules mare derivades de l'hemangioma infantil, cosa que suggereix un efecte protector contra les cèl·lules mare del càncer (61, 70). En conjunt, aquests resultats suggereixen que la rapamicina modula el comportament de les cèl·lules mare i, en general, afavoreix la retenció de la "marge" i un fenotip més juvenil en els tipus de cèl·lules mare adultes que s'han estudiat.

com a immunosupressor no s'ha de passar per alt quan es tracta de longevitat.

crònica,la inflamació de baix grau és una característica de l'envelliment, i gairebé totes les malalties cròniques tenen un component inflamatori (71). Una discussió completa sobre els efectes immunològics de la rapamicina està fora de l'abast d'aquesta revisió, i el tema s'ha tractat en altres llocs (72). És important destacar que el fàrmac té efectes tant positius com negatius sobre la immunitat innata i adaptativa, amb un resultat net que és més complex que la simple supressió immune, com s'exemplifica per la seva capacitat de millorar la immunització de ratolins envellits contra el virus de la grip (25). Mecanismes dependents de mTORC2-. Malgrat l'alta especificitat de la rapamicina per a mTORC1 durant el tractament agut, l'exposició crònica també pot inhibir mTORC2. Aquest efecte es va observar per primera vegada en determinades línies cel·lulars cultivades (73), i recentment hem demostrat que també es produeix in vivo en múltiples teixits, inclosos el fetge, el múscul i l'adipós (vegeu la figura 2). Actualment no està clar si la inhibició de mTORC2 té un paper en els efectes pro-longevitat de la rapamicina. Els ratolins femelles que no tenen S6K1 i els ratolins femelles Mtor plus /–Mlst8 plus /– són ostensiblement de llarga vida a causa de les deficiències en la senyalització depenent de mTORC1-, però les dades de C. elegans suggereixen que la inhibició de mTORC2 també pot promoure la longevitat ( 21, 74). Curiosament, l'extensió de la vida útil per interrupció de mTORC1 en cucs requereix pell-1 (l'homòleg de NRF1/2 dels mamífers) i daf-16 (l'homòleg dels FOXO de mamífers), tots dos factors de transcripció que controlen els gens implicats en defenses contra l'estrès. Tanmateix, l'extensió de la vida útil per rapamicina o interrupció de mTORC2 només requereix SKN-1. D'acord amb el paper de les defenses generals de l'estrès en els beneficis de la rapamicina, tant els cucs com les mosques amb funció TOR deteriorada són resistents a l'estrès, i s'ha detectat la inducció de gens diana NRF1/2 i FOXO en els fetges de ratolins tractats amb rapamicina (2 mg). /kg diari durant dues setmanes) (20, 21).