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4. L’ESPRESSIONE DI HSP DURANTE
L’INVECCHIAMENTO
4.1.
Cosa si intende per invecchiamento
L'invecchiamento nei sistemi biologici è più correttamente definito come "senescenza", anche se per gli scopi di questa tesi useremo il termine "invecchiamento"per comodità. Salvo diversamente specificato, con il termine "invecchiato" ci si riferisce ad animali o cellule che sono sopravvissute più a lungo della durata media per detta specie o genotipo. Ci sono diversi modi per definire l'invecchiamento .
La maggior parte dei ricercatori sarebbe probabilmente d'accordo con la definizione di base di invecchiamento come un cambiamento deteriorante che provoca un aumento della mortalità.
Ulteriori definizioni includono uno cumulativo, irreversibile processo associato con una diminuzione fisica riproduttiva.
Sono stati riscontrati numerosi effetti molecolari in seguito all'invecchiamento in diverse specie, il più generale è l'accumulo di danni macromolecolari e mutazioni.
Va riconosciuto che la durata vita e l'invecchiamento non sono la stessa cosa, tuttavia, la durata della vita è ancora, in generale, la più accettata e affidabile misura del tasso di invecchiamento.
- 32 - La durata della vita è un carattere quantitativo che può essere descritto e confrontato in vari modi.
Il numero di persone morte per unità di tempo è il tasso di mortalità, e un aumento esponenziale del tasso di mortalità con l'età è stato utilizzato anche come definizione di invecchiamento.
Le HSP sono sempre più coinvolte nei fenotipi dell’invecchiamento e nel controllo di durata della vita in tutte le specie.
Diverse teorie ipotizzano che l'invecchiamento è in relazione causale con la capacità dell'organismo di resistere agli stress intrinseci ed estrinseci a cui un organismo è sottoposto, il che suggerisce che la durata della vita dovrebbe positivamente essere correlata con la resistenza allo stress [2,3].
In particolare, l’area di ricerca per migliori e aggiuntivi parametri per il tasso di invecchiamento ,biomarcatori, è attiva, ed è questo settore della ricerca che ha individuato le HSP.
4.2.
Hsp come biomarcatori
Solo circa il 30% della variabilità della durata della vita è ereditabile nel senso mendeliano, negli esseri umani e in organismi modello.
- 33 - Uno degli obiettivi di affinamento della ricerca è di identificare appunto questi biomarcatori dell'invecchiamento della popolazione che potrebbero influenzare alcuni o tutti i parametri individuali della durata della vita
Recentemente le HSP sono emerse come principali candidati per tali biomarcatori dell'invecchiamento.
In C. elegans:
Studi hanno rilevato che la quantità relativa di un’espressione di una SHSP transgenica (Hsp16.2-GFP) in risposta allo stress da breve iniezione di calore in un giovane verme è parzialmente predittiva di una esigua durata di vita di quell’individuo.
Vermi giovani con l'espressione più forte del reporter Hsp16.2-GFP in risposta ad impulsi di calore hanno vita più lunga e una resistenza al calore per le successive sollecitazioni.
È interessante notare come le Hsp16.2-GFP transgeniche dei vermi varino non solo a livello dell’espressione della proteina fluorescente verde (GFP), ma anche nell'espressione del tessuto dove era più diffusa.
E' possibile che l'espressione in un tessuto particolare si rivelerà essere il miglior evento predittivo della durata della vita. Questi risultati indicano che qualunque sia il meccanismo o "stato" dei vermi che si traduce in variabilità nella durata della vita individuale, questo stato è presente e quantificabile nei più giovani ed è correlato con la loro capacità di indurre Hsp16.2 in risposta a stress da calore.
- 34 - Un possibilità è che il verme abbia una particolare capacità di rispondere con maggiore incisività e questo gli conferisca infine una durata della vita più lunga.
In Drosophila:
Diversi geni Hsp, tra cui hsp22 e hsp70, sono sovra-regolati durante il normale invecchiamento della Drosophila [43].
Recentemente, sia hsp22 e hsp70 sono stati individuati per essere in grado di prevedere biomarcatori della vita e la mortalità della Drosophila.
Espressione di hsp22-GFP e hsp70-GFP transgeni nelle giovani mosche (circa una settimana di vita) è correlata negativamente con la durata della vita [44], e con l'invecchiamento; entrambi i geni infatti sono stati osservati al picco dell’espressione nelle ore precedenti alla morte del animale [45].
Questi dati sono coerenti con un modello in cui una risposta ad un forte stress in animali giovani si correla con la longevità, come è stato dimostrato con la C. elegans-GFP reporter Hsp16.2, mentre livelli basali o cronici dell’espressione di Hsp sono indicativi di invecchiamento e di mortalità imminente, come osservato con hsp22 e hsp70 nella Drosophila.
La capacità di Hsp transgeniche di agire come biomarcatori predittivi di invecchiamento dovrebbe agevolare la ricerca futura sui meccanismi di base della popolazione e il ruolo delle HSP.
- 35 - Interventi che alterano la durata della vita della Drosophila sono anche correlati con un’alterata espressione di HSP.
Negli umani:
Studi su soggetti centenari evidenziano sacche di estrema longevità all’interno di famiglie, suggerendo che sia possibile individuare specifiche varianti genetiche che conferiscono longevità umana [46].
Finora, nessuna variazione naturale nei geni HSF è stata correlata con la durata della vita negli esseri umani o in organismi modello [47], tuttavia, le analisi sono state limitate, e questo potrebbe essere un utile campo di studio futuro.
I mammiferi, uomo compreso, hanno 17 geni Hsp70, tra cui tre situati all’interno del locus maggiore di istocompatibilità (MHC).
Studi preliminari suggeriscono un’associazione tra biomarcatori genetici nella regione MHC, Hsp70 e durata della vita [48].
Un polimorfismo del gene Hsp70 è stato associato con una durata più breve della vita ed è stato anche associato ad una minore induzione di Hsp70 a causa del calore in cellule isolate del sangue.
Questi risultati sono coerenti con l’idea generale che la longevità è correlata con bassi livelli basali dell’espressione genica di Hsp ed una maggiore risposta allo shock termico.
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4.3.
Meccanismo molecolare dell’invecchiamento
L'invecchiamento è un processo complesso in cui gli organismi che vi sono sottoposti subiscono una degenerazione generale o specifica portando alla morte popolazioni di cellule all'interno di organi vitali.
Non è chiaro quale sia il motivo di questo calo se un preciso programma di invecchiamento o il logorio della vita giorno per giorno o di entrambe i processi.
Studi genetici in organismi modello mostrano due vie particolarmente significative che influenzano in modo significativo la longevità.
(1) L’attivazione della via del Sir2 (Silent Information Regular 2)
(2) Una la via di diminuzione del segnale attraverso l’insulina / IGF-1 / mTOR [1].
Il Sir2 è un NAD + (istone deacetilasi dipendente) che catalizza una via chiave di segnalazione in cellule che comportano la scissione dei gruppi acetile dai residui di lisina in substrati multipli e la sua sovraespressione o induzione porta ad una maggiore longevità del verme C.elegans e della mosca della frutta Drosophila melanogaster.
L’invecchiamento e la degenerazione tessutale comportano l'accumulo di danni nelle macromolecole delle cellule adulte.
I danni chimici causati da stress ossidativo, gluconazione e l'addizione di residui di zuccherinici hanno la capacità di modificare sia il DNA che le proteine anche se l’esatta ragione delle lesioni cellulari e della perdita di vigore durante la vita non sono ancora chiari. Si è supposto che un incremento del danno alle proteine durante l’invecchiamento possa
- 37 - essere aggravato da una diminuzione alla risposta al calore dovuto ad una riduzione di livelli di proteine da shock termico (HSP).
4.4.
Disfunzione proteica ed invecchiamento
Recenti studi indicano che la risposta da shock termico diminuisce nelle cellule che invecchiano e si indebolisce nella fase adulta e matura.
La diminuzione durante l’invecchiamento della risposta delle proteine da shock termico è un effetto generale che si ritrova nei tessuti neuronali [49-40], nel muscolo scheletrico e cardiaco [25] e nel fegato [26].
Le cellule perdono la capacità di attivare la via trascrizionale che porta alla sintesi di HSP. Nei tessuti neuronali, la diminuzione della proteina di controllo di qualità è stata ampiamente prevista, in quanto l'eziologia di una serie di malattie coinvolge l’aggregazione proteica che forma “corpi di inclusione” la cui insorgenza è legata alla patologia.
Questo disordine include una delle più frequenti malattie neurodegenerative, il morbo di Alzheimer; una malattia i cui sintomi patologici sono legati ad un accumulo di almeno due tipi di corpi di inclusione, l’aggregazione del peptide β-amiloide e la proteina del citoscheletro Tau [39].
Nel Parkinson la patologia è caratterizzata dall’inclusione di un'altra proteina, α-sinucleina [39].
- 38 - Ulteriori esempi includono malattie espansione di poliglutammina come il morbo di Huntington e l’atrofia muscolare spinobulbare.
Sequenze ripetute di poliglutammina favoriscono una tendenza alla aggregazione, che è correlata con la lunghezza di ripetizione.
La patologia in ciascuna di queste malattie neuronali implica la perdita di neurotrasmissione e la morte cellulare [40].
La caratteristica sorprendente in ciascuno di questi disturbi è che, anche se le cellule contengono livelli significativi di aggregazione proteica, la malattia non si manifesta subito, ma con l’età matura dell’individuo [49].
Ciò suggerisce l’ipotesi che l’invecchiamento del sistema nervoso centrale e di altri tessuti possa comportare la perdita, nel tempo, del controllo di qualità delle proteine, un deficit che favorisce la formazione del corpo di inclusione.
Tale diminuzione avrebbe favorito malattie legate alle proteine come β-amiloidasi, α-sinucleina e huntintonina, con una funzione fisiologica poco comune,eccetto la suscettibilità di aggregazione per indurre la morte cellulare neuronali attraverso meccanismi correlati [39]. Non è chiaro perché il sistema nervoso centrale possono essere maggiormente a rischio di aggregazione proteica / disturbi del corpo di inclusione sebbene la risposta allo shock termico sembra essere particolarmente blanda in queste cellule .
Il calo “età-dipendente” nella risposta da shock termico si osserva anche nei tessuti muscolari.
- 39 - In questi tessuti, la contrazione vigorosa porta ad induzione di HSP con meccanismo citoprotettivo[25].
Questi effetti sono fortemente attutiti nei muscoli degli animali più vecchi e nell’essere umano invecchiamento, ciò suggerisce che la diminuzione della massa muscolare e della forza può essere correlata alla perdita di espressione di HSP.
La iper-espressione cronica di Hsp70, in topi transgenici, annulla parzialmente alcuni di questi effetti [25].
La risposta da shock termico è nota anche per proteggere le cellule dagli effetti tossici di alcol, metalli pesanti, xenobiotici e ossidanti [34].
Questa capacità omeostatica di induzione di HSP può essere particolarmente significativa nel fegato.
Infatti un calo nella risposta da shock termico in fegato invecchiato è generalmente associato ad una ridotta capacità di rispondere alle tossine epatiche, come il tetracloruro di carbonio [26].
4.5.
Relazione tra HSP invecchiamento e zinco [50]
Nel 1956, Lindholm è stato già in grado di rilevare i cambiamenti nei livelli di zinco durante l'invecchiamento dei globuli rossi (Lindholm 1956 ; Lindeman et al. 1.971 ).
Agli inizi degli anni '80, è stato evidenziato un legame tra immunità e nutrizione, tra cui lo zinco come oligoelemento presente negli alimenti, (Good 1981 ; et al. Hansen al 1982 ).
- 40 - Tra le varie teorie che intendono spiegare il processo di invecchiamento, si suggerisce che la deficienza di zinco potrebbe essere una causa della relativi cambiamenti osservati nell’età (Morley et al. 1.988 ).
Proteine zinco-dipendenti svolgono un ruolo importante in molti aspetti del metabolismo cellulare e delle proteine tra cui la sintesi del DNA.
A questo proposito, un aumento dell’assunzione di zinco è stato consigliato per superare gli effetti della biodisponibilità di zinco ridotta (Leis 1991) al fine di evitare la formazione di tumori, e per diminuire l'incidenza di malattie cardiovascolari e aumentare la longevità. La carenza di zinco è stata anche rilevata nel cervello in invecchiamento, (Chazot e Broussolle 1993 ) così come nella disfunzione endocrina legata all'età (Fabris 1994 ). Disturbi del metabolismo dello zinco possono anche essere associati a malattie legate all'età Cirrosi epatica, insufficienza renale cronica, inappetenza, infezioni ricorrenti e ritardo nella guarigione delle ferite sono le caratteristiche di individui con deficit di zinco.
Anche le cellule immunitarie T sembrano subire gli effetti deleteri della mancanza di zinco. Lo zinco sembra infatti aiutare la proliferazione di queste.
La carenza di zinco infatti, caratterizza un ridotto numero di linfociti (linfopenia) e una depressione cellulo-mediata (linfociti T) della funzione immunitaria.
Un modello di carenza indotta di zinco rivela uno sbilanciamento a favore delle risposte Th2 (T helper 2) a scapito di una diminuzione della produzione di citochine Th1 (T helper 1)
- 41 - Inoltre, è probabile che lo zinco sia necessario per la generazione di cellule T CD4 e si può facilmente individuare un presunto ruolo dello zinco nel mantenimento di alcuni parametri intrinseci importanti per la previsione della sopravvivenza.