L’InvecchiamentoL’Invecchiamento

INVECCHIAMENTOINVECCHIAMENTO

- Che cosa è “fisiologico”?- Che cosa è “fisiologico”?- Che cosa è “patologico”?- Che cosa è “patologico”?

“Patologico è da considerarsi l’invecchiamento “Patologico è da considerarsi l’invecchiamento accelerato che si verifica in alcune condizioni, accelerato che si verifica in alcune condizioni,

ad es. nel diabete o nelle infiammazioni croniche”ad es. nel diabete o nelle infiammazioni croniche”

Caratteristiche non direttamente patologiche Caratteristiche non direttamente patologiche dell’organismo che invecchia:dell’organismo che invecchia:

• ingrigimento e rarefazione (perdita) dei capelli;ingrigimento e rarefazione (perdita) dei capelli;• progressivo decadimento della capacità visiva;progressivo decadimento della capacità visiva;• interruzione nella donna del ciclo mestruale (menopausa), con alterazione del interruzione nella donna del ciclo mestruale (menopausa), con alterazione del

quadro ormonale e ripercussioni sulla calcificazione dell’osso (osteoporosi).quadro ormonale e ripercussioni sulla calcificazione dell’osso (osteoporosi).• valori medi di pressione arteriosa progressivamente più alti, fino a quadri di vera valori medi di pressione arteriosa progressivamente più alti, fino a quadri di vera e e

propria ipertensione;propria ipertensione;• alterazioni della matrice extracellulare quali l’aumento dei legami crociati nella alterazioni della matrice extracellulare quali l’aumento dei legami crociati nella

struttura del collagene, la diminuzione di proteoglicani e glicosaminoglicani con struttura del collagene, la diminuzione di proteoglicani e glicosaminoglicani con riduzione complessiva del contenuto di acqua, la diminuzione delle componenti riduzione complessiva del contenuto di acqua, la diminuzione delle componenti elastiche. Da queste alterazioni del tessuto connettivo discendono in misura elastiche. Da queste alterazioni del tessuto connettivo discendono in misura significativa altri fenomeni:significativa altri fenomeni:

• irrigidimento delle articolazioni, con limitazioni funzionali di grado variabile;irrigidimento delle articolazioni, con limitazioni funzionali di grado variabile;• perdita di elasticità e l’indurimento (sclerosi) della parete arteriosa;perdita di elasticità e l’indurimento (sclerosi) della parete arteriosa;• perdita di elasticità dello stroma polmonare, con conseguente calo della capacità perdita di elasticità dello stroma polmonare, con conseguente calo della capacità

vitale respiratoria.vitale respiratoria.

Teorie dell’invecchiamentoTeorie dell’invecchiamentoTeorie dell’invecchiamentoTeorie dell’invecchiamento

1. SISTEMICHE:

• Teoria dell’autointossicazione (Metchnikoff 1904)• “error catastrophe” (Orgel 1963)• “wear and tear” (Sacher 1966)• “stress damaging” (Selye 1970)• Teorie evoluzionistiche (invecchiamento programmato?)

Sistemiche:

Teoria della auto-intossicazione intestinale (Metchnikoff, 1904)

Le alterazioni associate all’invecchiamento sarebbero causate dalla produzione di sostanze tossiche nellume intestinale, per l’azione proteolitica di microbi quali ad es. I Clostridi. Metchnikoff osservava che alcunepopolazioni europee (Russia, Bulgaria) abituate a consumare larghe quantità di latte e derivati fermentati dalattobacilli godevano di particolare longevità, e p roponeva di adottare questo regime dietetico come misuraanti-invecchiamento. Tutt’ora gli alimenti contenenti lattobacilli, lieviti ed altri microorganismi (alimentiprobiotici) vengono utilizzati per la correzione della flora intestinale e come presidio dietetico anti-età.

Teoria degli “errori catastrofici” (Orgel, 1963)

Facendo tra i primi riferimento ad un possibile ruolo centrae del DNA, Orgel proponeva che l’invecchiamentorisultasse dall’accumulo nelle cellule di enzimi malfunzionanti in quanto contenenti errori nella strutturaaminoacidica, a seguito di una “inefficienza” dei processi di sintesi proteica.

Teoria “wear and tear” (Sacher, 1966)

Letteralmente, wear and tear = usura. L’effetto combinato di fattori di stress interni ed esterni porterebbeall’accumulo intracellulare di metaboliti tossici e lesioni che il DNA non è in grado di riparare, con progressivodeterioramento delle funzioni e morte di un numero sempre maggiore di cellule.

Teoria del danneggiamento da stress (Selye, 1970)

Hans Selye fu tra i primi ad introdurre in biomedicina il concetto di stress, definendolo come “la risposta nonspecifica degli organismi a qualunque richiesta gli venga fatta”. Condizioni di stress cronico avrebbero effettidi danneggiamento sulle cellule, e il processo di invecchiamento viene interpretato come accumulo deldanno cellulare nel tempo.

Teoria genica (Hayflick, 1987)

Viene ipotizzato che un certo numero di “geni nocivi” si attivino col procedere dell’età, danneggiandoprogressivamente le cellule e I tessuti. Esisterebbero allora “geni della giovinezza”, attivi durante il periodo disviluppo e mantenimento dell’organismo, in contrasto a veri e propri “geni della senescenza”.

Teorie evoluzionistiche (“invecchiamento programmato”)

L’invecchiamento e la progressiva perdita di abilità degli individui, seguiti dalla loro scomparsa, si puòinterpretare come un vantaggio evolutivo delle specie animali, un carattere selezionatosi durante l’evoluzionein quanto mette a disposizione delle nuove generazioni gli spazi non più usufruiti da quelle precedenti. Allabase del processo ci sarebbero allora un certo numero di geni preposti specificamente alla esecuzione di unvero e proprio “programma di invecchiamento”.

Teorie dell’invecchiamento:Teorie dell’invecchiamento:

2. A LIVELLO DI ORGANI SINGOLI

• teoria endocrina (Korencheysky 1961)• teoria immuno-biologica (Waford 1969)

Di organo/apparato:

Teoria immuno-biologica (Walford, 1969)

Negli organismi superiori la durata della vita presenta una certa correlazione con il corrispondente grado disviluppo dei sistemi immunitari. Alla base dell’accumulo del danno cellulare e tissutale caratteristiciodell’invecchiamento potrebbe esserci dunque un progressivo calo con l’età dell’efficienza delle difeseimmunitarie.

Teoria neuroendocrina (Dilman & Dean, 1970-1988)

La teoria mette in relazione le disfunzioni progressive nella regolazione del sistema endocrino da parte deicentri ipotalamici, il calo di sensibilità nei recettori per neurotrasmettitori ed ormoni compresi quelli perl’insulina, la ipercortisolemia relativa e v arie altre alterazioni metaboliche dell’anziano, descrivendo così uncomplesso quadro di metabolismo dell’invecchiamento.

Teorie dell’invecchiamento:Teorie dell’invecchiamento:

3. A LIVELLO CELLULARE:

• teoria delle mutazioni somatiche (Szilard 1959)• teoria della plasma membrana (Zs.Nagy 1978)• teoria mitocondriale (Miquel et al. 1980)• t. dell’asse mitocondri-lisosomi (Brunck et al. 2002)

Cellulari:

Teoria delle mutazioni somatiche (Szilard, 1959)

Molto simile alla teoria degli errori catastrofici, questa teoria suggeriva che l’esposizione ad agenti mutageni(sostanze chimiche, radiazioni) durante il corso della vita adulta porterebbe ad un accumulo di al terazionicromosomiche, con riduzione progressiva del numero delle cellule funzionali nei tessuti e negli organi.

Teoria della plasmamembrana (Zs.Nagy, 1978)

Zs. Nagy pone l’accento sul progressivo irrigidimento delle membrane plasmatiche dovuto a modificazionidella composizione lipidica, il quale finisce per alterarne le proprietà elettriche e di permeabilitàcompromettendo così le funzioni cellulari.

Teoria mitocondriale (Miquel et al., 1980)

L’accento viene posto sul DNA mitocondriale, che sarebbe più facilmente danneggiabile da radicali liberi especie reattive dell’ossigeno in quanto non associato a proteine di tipo istonico. La maggiore vulnerabilitàsarebbe anche dovuta al fatto che proprio la respirazione mitocondriale è u na fonte intracellulare di speciereattive dell’ossigeno, l’anione superossido in primo luogo. L’accumularsi con gli anni di m utazioni nei genimitocondriali determinerebbe il progressivo deterioramento delle loro funzioni energetiche, con ripercussionisull’insieme delle funzioni cellulari.

Teoria dell’asse mitocondri-lisosomi, ovvero teoria autofagica (Brunk et al., 2002)

Un certo grado di disfunzione mitocondriale si accompagna sempre all’invecchiamento, anche se resta dachiarire se il primo sia causa del secondo o non sia piuttosto vero il contrario. Il fenomeno è evidentesoprattutto nelle cellule perenni (miocardiociti, neuroni), dove si notano alterazioni dei mitocondri e deilisosomi. E’ stao ipotizzato da Brunck ed altri che l’invecchiamento comporti una ridotta efficienza deilisosomi nell’eliminazione dei mitocondri danneggiati e senescenti, che costituirebbero la matrice principalenella formazione della lipofuscina.

Teorie dell’invecchiamento:Teorie dell’invecchiamento:

4. A LIVELLO MOLECOLARE • teoria dei radicali liberi (Harman 1953-2003)• formazione di legami crociati (Bjorksten 1968)• teoria immuno-biologica (Waford 1969)• accumulo di alterazioni sul DNA (Vilenchik 1970)• teoria degli oligo-elementi (Eichhorn 1979)• t. della glicosilazione non-enzimatica (Cerami 1985)• teoria dello stress ossidativo (Sohal & Allen 1990)• t. dell’intossicazione da carbonili (Yin & Brunck 1995)• “garbage catastrophe” (Terman 2001)

Molecolari:

Teoria dei radicali liberi (Harman, 1956)

Dato che nei tessuti invecchiati si riscontra l’accumulo di danni di tipo ossidativo a diverse categorie dimacromolecole biologiche, Harman per primo suggerì che questo processo potesse essere responsabiledell’invecchiamento. Radicali liberi ed agenti proossidanti possono originare da fonti esogene (ad es.radiazioni ionizzanti, agenti xenobiotici), ovvero endogene (ad es. respirazione mitocondriale, catabolismodella xantina).

Teoria del cross-link, ovvero del connettivo (Bjorksten, 1968)

La teoria si riferisce in particolare alle caratteristiche del collagene e dell’elastina: il progressivo aumento dilegami crociati tra le macromolecole spiegherebbe la minore solubilità, espandibilità e suscettibilità all’azionedi proteasi che si riscontrano nella sostanza fondamentale dei connettivi invecchiati. Le alteratecaratteristiche dei tessuti connettivi sarebbero alla base delle disfunzioni di organi ed apparati dell’anziano.

Teoria dell’accumulo di alterazioni a carico del DNA (Vilenchik, 1970)

Si fa riferimento sia a mutazioni che ad alterazioni di altre macromolecole, capaci di interferire ad es. con lareplicazione del DNA. L’inefficienza dei meccanismi di riparazione porterebbe col tempo al loro accumulo,con progressiva alterazione e perdita di funzione delle proteine codificate.

Teoria degli oligoelementi (Eichhorn, 1979)

Sulla base del fatto che gli ioni metallici interagiscono col DNA in vario modo, e che le loro concentrazioniintracellulari variano con l’età, si ipotizza che squilibri nei loro livelli si ripercuotano sul processo diinvecchiamento tramite una disregolazione della trascrizione dell’informazione genetica. Un caso particolaresarebbe quello del morbo di Alzheimer, nel quale sono descritti accumuli di alluminio nei neuroni centrali.

Teoria della glicosilazione non enzimatica (Cerami, 1985)

Alla base del processo di invecchiamento ci sarebbero i prodotti avanzati di glicosilazione (AGEs) originantiper effetto di reazioni del glucosio con le proteine, con progressiva formazione di legami crociati, polimeri epigmenti brunastri. Lo stesso processo di deterioramento strutturale e funzionale delle proteine si ritienecontribuisca alla comparsa di complicanze in corso di diabete mellito.

Teoria dello stress ossidativo (Sohal & Allen, 1990)

L’invecchiamento non sarebbe altro che la continuazione del processo di svuluppo, durante il qu ale siattivano secondo sequenze preordinate numerosi programmi di espressione genica. Dato che lo st ressossidativo è uno dei fattori che influenzano l’espressione genica, ad es. durante la differenziazione cellulare,esso avrebbe un ruolo durante l’invecchiamento non tanto perché produce danni casuali al DNA, mapiuttosto perché va ad interferire con specifici programmi di espressione genica.

Teoria dell’intossicazione da carbonili (Yin & Brunck, 1995)

Caratteristica chimica comune un po’ a tutte le sostanze che costituiscono i p igmenti dell’invecchiamento(lipofuscine) è la formazione di composti derivanti dalla reazione di gruppi carbonilici (di aldeidi e compostiglicidici) con gruppi aminici (di proteine e acidi nucleici). Si ipotizza che proprio queste reazionicarbonili–aminogruppi costituiscano un meccanismo fondamentale del processo di invecchiamento.

Teoria della catastrofe di rifiuti (Terman, 2001)

A fronte della continua esposizione delle strutture biologiche ad agenti proossidanti (teoria dei radicali liberi),numerosi meccanismi sono predisposti nella cellula per la riparazione delle strutture danneggiate e/o la lorodemolizione. L’’invecchiamento sarebbe dovuto ad un imperfetto funzionamento di questi meccanismi, conaccumulo progressivo – d opo il completamento dello sviluppo dell’organismo – di materiale ossidato erelativamente indigeribile (“rifiuti”), che ostacola ulteriormente i meccanismi di ri parazione e puliziainnescando una sorta di circolo vizioso.

Inv = (D x P) – RInv = (D x P) – R• D = fattori endogeni o esogeni di danno

• P = fatt. genetici che predispongono all’accumulo del danno

• R = meccanismi di riparazione

I BERSAGLI MOLECOLARI COINVOLTI SONO INNANZITUTTOI BERSAGLI MOLECOLARI COINVOLTI SONO INNANZITUTTO

DNADNA E E PROTEINEPROTEINE

L’invecchiamento come programma biologico:

I “Geni dell’invecchiamento”L’invecchiamento come programma biologico:

I “Geni dell’invecchiamento”

age-1

Chico

clk-1

daf-2, daf-16, daf-23

eat-2

gro-1

hsf-1

hsp-16, hsp-70

Igflr+/-

indy

inR

isp-1

KLOTHO

lag-1

lac-1

MsrA

mth

αMUPA

old-1

p66sh

Pcmt

pit-1

Prop-1

ras2p

spe-26

sag

sir2

SIRT1

sod1

eccetera…

Geni collegati con l’invecchiamento, individuati in modelli animaliGeni collegati con l’invecchiamento, individuati in modelli animali

(Segue: Modelli murini)

Sindromi umane con invecchiamento precoce (Sindromi umane con invecchiamento precoce (PROGERIAPROGERIA))

Riassumendo, i “Geni dell’invecchiamento” codificano per :

• proteine coinvolte nelle reazioni da stress (es. hsf, hsp)

• metabolismo energetico (signalling di insulina/IGF-1, equilibrio calorico, funzioni mitocondriali)

• difesa dalle mutazioni (riparazione del DNA)

• mantenimento dell’equilibrio ormonale

• funzioni ancora sconosciute

L’invecchiamento come processo indesiderato:Accumulo progressivo di danno non riparato

Modificazioni indesiderate della struttura delle

proteine a livello post-traduzionale

NON UNA O POCHE SPECIFICHE MUTAZIONI A LIVELLO DEL GENOMA

MA PIUTTOSTO ALTERAZIONI ASPECIFICHE E GENERALIZZATEACCUMULATE SUI PRODOTTI DELL’ESPRESSIONE DEI GENI

NON UNA O POCHE SPECIFICHE MUTAZIONI A LIVELLO DEL GENOMA

MA PIUTTOSTO ALTERAZIONI ASPECIFICHE E GENERALIZZATEACCUMULATE SUI PRODOTTI DELL’ESPRESSIONE DEI GENI

Sostanzialmente 2 meccanismi:

1. azione di RADICALI LIBERI

2. glicosilazione non-enzimatica (GLICAZIONE)

Sostanzialmente 2 meccanismi:

1. azione di RADICALI LIBERI

2. glicosilazione non-enzimatica (GLICAZIONE)

L’invecchiamento come processo indesiderato:Accumulo progressivo di danno non riparato

Azione dei Radicali LiberiAzione dei Radicali LiberiAzione dei Radicali LiberiAzione dei Radicali Liberi

• radicali liberi dell’ossigeno e dell’azoto sono continuamente prodotti durante il normale metabolismo• aumentati livelli si hanno in corso di infiammazioni, acute e croniche

• effetti sul DNA: mutazioni / alterazioni della trascrizione• effetti sulle proteine: ossidazione di cisteine ed altri aminoacidi / formazione di legami crociati / cambi conformazionali / perdita di funzione

GLICAZIONE GLICAZIONE (glicosilazione non-enzimatica)(glicosilazione non-enzimatica)GLICAZIONE GLICAZIONE (glicosilazione non-enzimatica)(glicosilazione non-enzimatica)

• in determinate condizioni il Glucosio può reagire con i gruppi NH2

(aminoacidi, peptidi, proteine)

• il fenomeno è accentuato e più rapido nei pazienti diabetici

• le “reazioni di Maillard” (1912) portano alla formazione di “basi di Schiff” e “prodotti di Amadori” (stabili)

• si formano anche carbonili insaturi (gliossale, metil-gliossale, deossi-glucosoni) simili ai prodotti della perossidazione lipidica

• nel complesso questi prodotti sono denominati AGEs: Advanced Glycation End-products

La reazione di Maillard

glucosio asparagina

<<< ossidrile

<<< CARBONILE

• AGEsAGEs:: pirraline e pirroli, pentosidine, vesperlisine, sali di pirraline e pirroli, pentosidine, vesperlisine, sali di naftiridinio, carbossimetil-lisina (CML) naftiridinio, carbossimetil-lisina (CML)

• AGEsAGEs:: pirraline e pirroli, pentosidine, vesperlisine, sali di pirraline e pirroli, pentosidine, vesperlisine, sali di naftiridinio, carbossimetil-lisina (CML) naftiridinio, carbossimetil-lisina (CML)

• ALEs ALEs (Advanced Lipoxidation End-products)(Advanced Lipoxidation End-products):: aldeidi e aldeidi e carbonili idro- e liposolubili, saturi ed insaturi, più o meno reattivicarbonili idro- e liposolubili, saturi ed insaturi, più o meno reattivi

• ALEs ALEs (Advanced Lipoxidation End-products)(Advanced Lipoxidation End-products):: aldeidi e aldeidi e carbonili idro- e liposolubili, saturi ed insaturi, più o meno reattivicarbonili idro- e liposolubili, saturi ed insaturi, più o meno reattivi

Lipofuscina in miocardiociti

Depositi autofluorescenti in un neurone

Depositi in neuroni gangliari

“Corpo residuo” in un neurone (ME)

AGEsAGEs ed ALEs formano aggregati macromolecolari: ed ALEs formano aggregati macromolecolari: le LIPOFUSCINEle LIPOFUSCINE AGEsAGEs ed ALEs formano aggregati macromolecolari: ed ALEs formano aggregati macromolecolari: le LIPOFUSCINEle LIPOFUSCINE