Deprecated: preg_replace(): Passing null to parameter #3 ($subject) of type array|string is deprecated in /home/server625688/ftp/migracja/www/domains/bioportal.info/public_html/wp-includes/kses.php on line 1805
Egzerkiny (ang. exerkines) to biologicznie aktywne substancje, które są wydzielane przez różne tkanki organizmu w odpowiedzi na wysiłek fizyczny. Są to przede wszystkim białka, peptydy, mikroRNA i inne cząsteczki, które mają zdolność komunikowania się między komórkami i tkankami. Egzerkiny mogą być wydzielane przez mięśnie szkieletowe, tkankę tłuszczową, wątrobę, skórę, a nawet mózg, i odgrywają kluczową rolę w regulacji wielu procesów fizjologicznych oraz w spowolnieniu procesu starzenia.
Egzerkiny – kluczowe cząsteczki bioaktywne: Egzerkiny są substancjami wydzielanymi przez różne tkanki podczas aktywności fizycznej (mięśnie, wątroba, tkanka tłuszczowa itp.) i mają działanie zarówno lokalne, jak i systemowe, pomagając w walce z procesami starzenia i chorobami przewlekłymi.
Właściwości antyzapalne: Egzerkiny modulują odpowiedź zapalną organizmu, obniżając poziomy prozapalnych cytokin i zwiększając poziomy cytokin przeciwzapalnych, co pomaga przeciwdziałać przewlekłemu stanowi zapalnemu związanemu z wiekiem.
Poprawa funkcji mitochondriów: Regularne ćwiczenia fizyczne, dzięki uwalnianym egzerkinom, mogą poprawiać funkcję mitochondriów, przeciwdziałając ich dysfunkcji, która jest kluczowym czynnikiem w procesie starzenia.
Wpływ na zdrowie metaboliczne: Egzerkiny, takie jak FGF21 i iryzyna, pomagają w regulacji metabolizmu glukozy i lipidów, poprawiając wrażliwość na insulinę oraz zapobiegając chorobom metabolicznym, w tym cukrzycy typu 2.
Ochrona zdrowia mózgu i neuroplastyczność: Egzerkiny, takie jak BDNF promują neurogenezę, poprawiają funkcje poznawcze, pamięć oraz zmniejszają ryzyko chorób neurodegeneracyjnych, takich jak choroba Alzheimera.
Wzmacnianie kości i mięśni: Egzerkiny, w tym osteokalcyna i IGF-1, odgrywają kluczową rolę w utrzymaniu gęstości kości, zapobieganiu osteoporozie oraz wspierają utrzymanie masy mięśniowej, przeciwdziałając sarkopenii.
Rola w regeneracji tkanek i homeostazie: Egzerkiny wspierają procesy naprawcze, regenerację tkanek i utrzymanie równowagi metabolicznej, co sprzyja długowieczności i zdrowemu starzeniu.
Zastosowanie terapeutyczne: Zrozumienie mechanizmów działania egzerkin stwarza potencjalne możliwości terapeutyczne w leczeniu chorób związanych z wiekiem, szczególnie dla osób, które nie mogą regularnie ćwiczyć.
Potencjał rozwoju mimetyków egzerkinezy: Badania nad egzerkinami mogą prowadzić do rozwoju leków naśladujących ich działanie, co umożliwi zastosowanie efektów ćwiczeń fizycznych u osób niezdolnych do aktywności ruchowej.
Obecność egzerkin obrazuje, dlaczego regularna aktywność fizyczna ma tak korzystny wpływ na zdrowie całego organizmu, a nie tylko na mięśnie. Działają na zasadzie sygnalizacji międzytkankowej, co pozwala na zintegrowane i wieloaspektowe korzyści zdrowotne, obejmujące metabolizm, odporność, funkcje poznawcze i ogólną homeostazę organizmu.
Główne klasy egzerkin:
Miokiny – wydzielane przez mięśnie szkieletowe (np. iryzyna, IL-6, BDNF, miostatyny).
Adipokiny – wydzielane przez tkankę tłuszczową (np. adiponektyna, apelina, również BDNF).
Hepatokiny – produkowane przez wątrobę (np. FGF21, HSP72, GPLD1).
Myo-adipokiny – cząsteczki, które są jednocześnie miokinami i adipokinami (np. BDNF).
Egzerkiny pochodzenia neuronalnego – wydzielane przez układ nerwowy (np. neurotrofiny, BDNF).
Egzerkiny naskórkowe – wydzielane przez skórę w odpowiedzi na ruch i aktywność fizyczną.
LITERATURA:
1.Exerkines and cardiometabolic benefits of exercise:from bench to clinic. EMBO Molecular Medicine, Volume 16 | March 2024 | 432 – 444, doi.org/10.1038/s44321-024-00027-z
2.Exercise and exerkines: Mechanisms and roles in anti-aging and disease prevention. Exp Gerontol, 2025 Feb:200:112685. doi: 10.1016/j.exger.2025.112685
Ardua prima via est. Pierwszy krok zazwyczaj jest najtrudniejszy, a droga do długowieczności jest długa, stroma i bez wątpliwości nie jest wcale łatwa – dlatego niewiele osób osiąga wiek powyżej 100 lat. Mam jednak dla Ciebie bardzo dobrą wiadomość. Okres swojego życia możesz zacząć wydłużać już dziś. Wystarczy wyjść na spacer! Ta prosta forma ruchu często jest niedoceniana, choć liczne dane literaturowe w sposób dobitny pokazują, że przejście odpowiedniej ilości kroków każdego dnia przekłada się w bardzo istotny sposób na długość życia oraz na ogólny dobrostan naszego zdrowia. Osobiście sporo spaceruję – szczególnie w ostatnich kilku miesiącach, kiedy jestem wykluczony z aktywności fizycznej o większym nasileniu. Mogę śmiało powiedzieć, że odczuwam korzyści z codziennych leśnych spacerów. Nie tylko mam więcej energii, ale dodatkowo spacery poprawiają mój nastrój oraz funkcje kognitywne. Każdego poranka staram się wyjść na przechadzkę tak długą, na ile tylko mi czas pozwala. Co dokładnie mówią dane pochodzące z literatury naukowej na temat wyjątkowych efektów aktywności ruchowej? Okazuje się, że wystarczy zaledwie 10-30 minut umiarkowanej aktywności fizycznej aby zredukować ryzyko śmierci z jakiejkolwiek przyczyny i wpłynąć bardzo korzystnie na stan naszego zdrowia. Niedawno, bo zaledwie dwa lata temu, ukazała się niebywale ciekawa publikacja, będąca wynikiem metaanalizy danych z 15 badań kohorotowych, które zostały przeprowadzone z udziałem 47 471 osób w szerokim przedziale wiekowym, które postanowiły wprowadzić do swojej codziennej rutyny spacery o różnej długości i intensywności.
Badania były wykonywane w latach pomiędzy 1999 i 2018 – to całkiem spory okres obserwacji. Najważniejszą informacją, która płynie ze wspomnianej pracy badawczej było to, że wykonywanie odpowiedniej dla wieku ilości kroków koreluje ze zmniejszonym ryzykiem zgonu. Oczywiście im dłuższe były spacery, tym korzyści dla długowieczności okazywały się bardziej ewidentne. Zakładam, że nie jest to dla Ciebie zaskoczeniem – fascynujące jest jednak to, że dysponujemy obecnie niezbitymi dowodami, potwierdzonymi statystycznie, które potwierdzają prozdrowotne korzyści płynące ze spacerowania. Dane te są bardzo istotne, pomagają bowiem w tworzeniu wytycznych dla osób, które chcą żyć długo i w dobrym stanie zdrowia. Osoby, które nie przekroczyły wieku 60 lat powinny wykonywać od 8000 do 10000 kroków każdego dnia, aby odnieść największe korzyści dla zdrowia i wydłużyć swój okres życia. Dla osób starszych, w wieku powyżej 60 lat, zalecana dzienna ilość kroków wynosi od 6000 do 8000 – wówczas efekty są najbardziej widoczne. Zalecenia te nie różnią się w zależności od płci. Bardzo istotne jest to, że stosowanie się do tak prostych wytycznych proaktywnego działania może redukować ryzyko względne śmierci z jakiejkolwiek przyczyny o 40%-53%. Wcześniejsze wyniki, uzyskane z dużych prospektywnych badań pokazały, że ryzyko śmiertelności stabilizuje się dla starszych kobiet (w wieku ≥62 lata) przy 7500 krokach dziennie, natomiast wśród reprezentatywnej populacji dorosłych z USA i Norwegii (w wieku ≥40 lat) przy około 8000–12000 kroków dziennie. Kilka badań obserwacyjnych wykazało, że tempo kroków oraz wskaźniki intensywności są odwrotnie proporcjonalne dla śmiertelności ogólnej. Aktywność fizyczna może zmniejszyć zachorowalność i śmiertelność z powodu wielu przewlekłych chorób, w tym chorób sercowo-naczyniowych, cukrzycy typu 2 oraz wielu rodzajów raka, i jest związana z lepszą jakością życia. Liczba kroków wykonanych każdego dnia jest prostą miarą aktywności fizycznej. Monitorowanie codziennej liczby kroków jest łatwiejsze niż kiedykolwiek dla ogółu społeczeństwa, ponieważ monitory fitness i urządzenia mobilne stały się coraz bardziej popularne i dostępne.
Zwiększona aktywność fizyczna podnosi poziom dopaminy w układzie pozapiramidowym. Liczne badania wskazują, że dopamina jest ważnym regulatorem funkcji motorycznych, psychologicznych i kognitywnych. Z tego właśnie powodu utrzymanie odpowiedniego stężenia dopaminy jest warunkiem prawidłowego działania układu nerwowego. Wzmożony wysiłek fizyczny podnosi również poziom testosteronu i mózgowego czynnika neurotroficznego (BDNF), a więc cząsteczek, które w sposób pośredni lub bezpośredni uczestniczą w regulacji działania ważnego enzymu, jakim jest hydroksylaza tyrozynowa (TH). Enzym ten pełni kluczową rolę w szlaku biosyntezy dopaminy, gdyż przekształca cząsteczkę L-tyrozyny w L-DOPA, będącą bezpośrednim prekursorem dopaminy. Dopamina to organiczny związek chemiczny z grupy katecholamin. Jest to ważny neuroprzekaźnik syntezowany i uwalniany przez dopaminergiczne neurony ośrodkowego układu nerwowego – w chorobie Parkinsona występuje niedobór dopaminy. Warto w tym miejscu zaznaczyć, że dopamina jest prekursorem w syntezie noradrenaliny i adrenaliny. BDNF (mózgowy czynnik neurotroficzny), którego poziom również wzrasta dzięki wysiłkowi fizycznemu, warunkuje prawidłowe funkcjonowanie neuronów siatkówki, neuronów cholinergicznych i dopaminergicznych, wywiera wpływ na neurony motoryczne i neurony czuciowe, reguluje również istotne funkcje fizjologiczne organizmu, takie jak rozwój i wzrost neuronów, procesy uczenia się i zapamiętywania poprawia też możliwości neuroregeneracyjne. Obniżenie poziomu BDNF koreluje ze wzmożoną degeneracją neuronów dopaminergicznych, i jest obserwowane w chorobie Parkinsona. Jak widzisz, korzyści płynące ze spacerowania oraz z nasilonego wysiłku fizycznego, prowadzą nie tylko do długowieczności, ale usprawniają działanie całego organizmu w tym układu nerwowego, co ma kluczowe znaczenia dla zachowania zdolności poznawczych szczególnie w późniejszym wieku.
Na tym jednak nie koniec. Istnieją bowiem dowody poparte badaniami naukowymi, które pokazują istotne znaczenie wysiłku fizycznego w regulacji działania układu odpornościowego oraz w zwalczaniu komórek nowotworowych, które pojawiają się w naszym organizmie choć nie zdajemy sobie sprawy z ich obecności i zagrożenia, które za nimi stoi. Regularna aktywność fizyczna jest zbawienna dla organizmu także z tego powodu, że zmniejsza zachorowalność na nowotwory złośliwe oraz śmiertelność z powodu chorób nowotworowych. Niestety jedna na trzy osoby dorosłe w ujęciu globalnym nie spełnia nawet minimalnych zaleceń Światowej Organizacji Zdrowia w kontekście aerobowej aktywności fizycznej, która prowadzi do indukowanej leukocytozy czyli zwiększonej liczby białych krwinek we krwi obwodowej. Najnowsze prace badawcze wykazały, że nasilona aktywność fizyczna (taka jak bieganie) trwająca od 20 minut do jednej godziny prowadzi do wzmożonej mobilizacji głównych typów leukocytów do układu krążenia i dodatkowo nasila efekty przeciwnowotworowe komórek NK oraz limfocytów T cytotoksycznych (Tc) przy jednoczesnym hamowaniu aktywności limfocytów T regulatorowych (Treg). Dodatkowo podczas mobilizacji do układu krążenia w pierwszej kolejności uwalniane są starzejące się komórki, a to z kolei ułatwia ich apoptozę, przyczyniając się jednocześnie do zwolnienia niszy dla dziewiczych limfocytów T. Immunostymulujące efekty wysiłku fizycznego widoczne są już w kilka godzin od jego zakończenia. Udowodniono, że ćwiczenia fizyczne zwiększają naciek komórek układu immunologicznego w guzach litych, zmniejszają przewlekły stan zapalny o charakterze ogólnoustrojowym, zwiększają bioróżnorodność mikrobioty jelitowej i ograniczają w jej składzie bakterie związane z promocją chorób nowotworowych. Sporo ciekawych danych dostarczają w ostatnich latach prace badawcze prowadzone w modelu mysim. Biolodzy udowodnili, że ćwiczenia aerobowe spowalniają progresję raka trzustki u myszy poprzez aktywację układu odpornościowego, a w szczególności komórek T CD8+. Podobne efekty można uzyskać poprzez leczenie superagonistą IL-15 – cząsteczką NIZ985.
Ćwiczenia aerobowe i/lub cząsteczka NIZ985 poprawiają reaktywność mysich guzów trzustki na terapie oparte na odpowiedzi immunologicznej. Ćwiczenia aerobowe ograniczają progresję raka trzustki poprzez wzmacnianie odporności antynowotworowej. Antynowotworowe efekty ćwiczeń aerobowych są napędzane przez komórki Limfocytów T CD8+ z receptorami IL-15Ra. Ćwiczenia aerobowe oraz aktywacja IL-15 zwiększają wrażliwość guzów trzustki na immunoterapię z zastosowaniem leków działających na punkt kontrolny PD-1/PD-L1. Regularnie powtarzany wysiłek fizyczny związany jest z poprawą parametru wydolnościowego organizmu, który nazywany jest maksymalnym minutowym poborem tlenu, „pułapem tlenowym” albo inaczej VO2max. Wartości VO2max wykazują duże różnice międzyosobnicze, niemniej jednak przyjmuje się, że osoba zdrowa jest w stanie tolerować wysiłek fizyczny na poziomie VO2max przez około 6 minut. Najwyższe wartości „pułapu tlenowego” są obserwowane u sportowców uprawiających dyscypliny wytrzymałościowe – rekordowe wartości, przekraczające 85 ml/kg masy ciała/minutę są charakterystyczne dla biegaczy. Czynniki warunkujące VO2max są bardzo różnorodne, zaliczamy do nich przykładowo: pojemność minutową serca, stężenie hemoglobiny we krwi, wentylację minutową serca, masę mięśni i typ włókien mięśniowych. Wiadomo, że „pułap tlenowy” maleje wraz z postępującym wiekiem biologicznym – dlatego osoby starsze mają znacznie zmniejszone możliwości wydolnościowe organizmu. Okazało się jednak, że wartość VO2max jest również istotnym predyktorem spodziewanej długości życia.
Wyniki badania, które zostało przeprowadzone w szerokiej populacji, obejmującej ponad 122 tysiące kobiet i mężczyzn, pokazały że uczestnicy z wysokimi i najwyższymi wartościami wskaźnika VO2max mieli znacząco zredukowane ryzyko zgonu w stosunku do osób, których wskaźniki mieściły się w dolnej granicy odnotowanej w badaniu. Wzrost śmiertelności z wszystkich przyczyn związany z obniżoną sprawnością kardio-respiratoryjną był porównywalny lub większy niż w przypadku tradycyjnych czynników ryzyka klinicznego (palenie tytoniu, cukrzyca, nadciśnienie).
Jak widzisz lista korzyści płynących z wprowadzenia ruchu do codziennej rutyny jest całkiem spora. Warto zatem wyjść naprzeciw długowieczności w sposób proaktywny i zamiast spędzać czas bezczynnie zabrać się do pracy nad sobą już teraz. Pamiętaj, że lista Twoich zaniedbań to również inwestycja w stan zdrowia na przyszłość. Nie zwlekaj… Działaj!
LITERATURA:
1.Daily steps and all-cause mortality: a meta-analysis of 15 international cohorts. Lancet Public Health 2022, DOI: 10.1016/S2468-2667(21)00302-9
2.Estimated Number of Deaths Prevented Through Increased Physical Activity Among US Adults. JAMA Intern Med 2022, DOI: 10.1001/jamainternmed.2021.7755
3.Stable preparations of tyrosine hydroxylase provide the solution structure of the full-length enzyme. Sci Rep 2016, DOI: 10.1038/srep30390
4.Aging Reveals a Role for Nigral Tyrosine Hydroxylase ser31 Phosphorylation in Locomotor Activity Generation. PLoS One 2009, DOI: 10.1371/journal.pone.0008466
5.Tyrosine Hydroxylase and Regulation of Dopamine Synthesis. Arch Biochem Biophys. 2011, DOI: 10.1016/j.abb.2010.12.017
6.Association of Cardiorespiratory Fitness With Long-term Mortality Among Adults Undergoing Exercise Treadmill Testing. JAMA Netw Open 2018, DOI:10.1001/jamanetworkopen.2018.3605
Teoria wolnych rodników (FRTA – free-radical theory of aging) mówi o tym, że nieuniknione powstawanie niestałych, jednak bardzo reaktywnych metabolicznie, rodnikowych postaci tlenu prowadzi do licznych uszkodzeń w komórkach, a te z kolei napędzają postępujące procesy starzenia całego organizmu. Reaktywne formy tlenu (RFT) powstają w mitochondriach jako produkty uboczne łańcucha oddechowego i fosforylacji oksydacyjnej, czyli procesów biochemicznych, od których uzależnione są dostawy cząsteczek adenozynotrójfosforanu (ATP), stanowiących główny nośnik energii w komórkach człowieka. W łańcuchu oddechowym tlen jest ostatecznym akceptorem elektronów – jego pełna redukcja w procesach oddychania komórkowego prowadzi do powstania cząsteczki wody. Jeśli jednak redukcja tlenu do wody nie jest całkowita, wówczas generowane są wolne rodniki tlenowe takie, jak nadtlenek wodoru, anionorodnik ponadtlenkowy czy rodnik hydroksylowy. Mitochondrialny łańcuch oddechowy jest wyposażony w wyspecjalizowane nośniki, takie jak ubichinon i cytochromy, które potrafią bezpiecznie transportować niesparowane elektrony pomiędzy kompleksami białkowymi. Niestety w procesach oksydacyjno-redukcyjnych dochodzi często do ucieczki wysoce reaktywnych półproduktów, czemu towarzyszy powstawanie RFT. Rodniki tlenowe mają różną reaktywność. Najbardziej toksyczny dla organizmu jest rodnik hydroksylowy, który powstaje z mniej toksycznych cząsteczek RFT. W komórkach istnieją dwie możliwe drogi syntezy rodników hydroksylowych. Obecność jonu żelaza Fe2+ pozwala na syntezę rodnika hydroksylowego w reakcji Fentona. Rodnik hydroksylowy może być też produkowany w reakcji Habera-Weissa, która polega na dysproporcjonacji anionorodnika ponadtlenkowego i nadtlenku wodoru.
Reaktywne formy tlenu stanowią bardzo istotne zagrożenie ponieważ wchodzą one w reakcje z białkami, lipidami oraz kwasami nukleinowymi. Przykładowo RFT biorą udział w reakcjach polegających na peroksydacji lipidów, a to z kolei prowadzi do wytworzenia tzw. adduktów, które powstają przez połączenie dwóch cząsteczek o charakterze lipidowym (możliwe jest również połączenie lipidu z białkiem). Formowane podczas peroksydacji addukty lipidowe oraz addukty lipidowo-białkowe powodują bezpośrednio ograniczenie płynności błon komórkowych. Jeśli ograniczenie płynności błony dotyczy błon mitochondrialnych, to może doprowadzić do zaburzeń w funkcjonowaniu łańcucha oddechowego, który jest z kolei zaangażowany w syntezę cząsteczek ATP – głównego nośnika energii w komórce. Tworzenie adduktów może również uszkadzać integralność błon mitochondrialnych, co dla komórki jest z kolei sygnałem do rozpoczęcia procesu programowanej śmierci komórki czyli apoptozy. Reaktywne formy tlenu prowadzą również do uszkodzeń w cząsteczkach DNA. Addukty, które powstają podczas reakcji z zasadami azotowymi są dla komórki niebezpieczne – jeśli nie dojdzie do odpowiedniej korekty przez naturalne systemy naprawcze wówczas dochodzi do mutacji, które będą przekazywane kolejnym komórkom podczas podziału mitotycznego. Tlen jest niezbędny do życia organizmu i z tego powodu w trakcie ewolucji powstały białka zaangażowane w mechanizmy pozbywania się RFT z komórki, co prowadzi do niwelowania szkodliwego wpływu związków o charakterze rodnikowym. W organizmie człowieka występują enzymy, które stanowią naturalne zabezpieczenie przed szkodliwymi rodnikami tlenowymi. Dysmutaza ponadtlenkowa to enzym z grupy oksydoreduktaz katalizujący dysmutację anionorodnika ponadtlenkowego. Dysmutaza ponadtlenkowa przekształca anionorodnik ponadtlenkowy w tlen i nadtlenek wodoru (H2O2), zmniejszając tym samym szkodliwość reaktywnych form tlenu. Katalaza natomiast rozkłada nadtlenek wodoru na wodę i tlen, zapobiegając gromadzeniu się H2O2, który może być szkodliwy dla komórki.
Wolne rodniki tlenowe, uszkadzając mitochondria, prowadzą jednocześnie do procesu, który określny jest mianem mitofagii. Proces ten polega na usuwaniu z komórki nieprawidłowo działających mitochondriów, aby zapobiec w ten sposób destrukcyjnemu działaniu RFT. Nieprawidłowości w funkcjonowaniu mitochondriów obserwuje się podczas złożonych procesów starzenia się organizmu. Niedawno w magazynie Nature Communications ukazał się artykuł, w którym wykazano, że starzejące się komórki siatkówki wykazują wzmożoną aktywację kilku szlaków molekularnych związanych ze stanem zapalnym. Najbardziej aktywne są szlaki sygnałowe działające przy udziale INFα, IFNγ oraz TNFα. Szczegółowa analiza profilu ekspresji genów wykazała, że 67,5% genów o nasilonej ekspresji w tym przypadku należy do grupy stymulowanej przez interferon (ISGs – interferon stimulated genes), i wszystkie są zaangażowane w odpowiedź na obecność interferonu typu I. Z uszkodzonych mitochondriów DNA wydostaje się do obszaru cytoplazmy. Wolny mitochondrialny DNA (mtDNA – mitochondrial DNA) wywołuje w komórce odpowiedź w szlaku zależnym od białek cGAS/STING, a to z kolei prowadzi do nasilenia stanu zapalnego i promuje procesy starzenia się komórki. Przed RFT i uszkodzeniami w mitochondriach organizm może się wydajnie bronić jeśli wesprzemy jego działanie dietą i dostarczając odpowiednich suplementów diety. Przykładowo urolityna A (UA) indukuje w komórkach mitofagię – dzięki temu uszkodzone mitochondria są usuwane. Urolityna A łagodzi stany zapalne poprzez atenuację szlaku cGAS/STING. Urolityna poprawia też funkcje neurologiczne. Urolityna A jest związkiem, który powstaje w wyniku metabolizmu elagotanin przez bakterie jelitowe. Źródłami elagotanin są: orzechy oraz niektóre owoce jagodowe: maliny, truskawki, jeżyny, granat. Doustne suplementowanie urolityną A, prowadzi do aktywacji mitofagii. W randomizowanym badaniu klinicznym na dorosłych w średnim wieku (40-64 lata) wykazano pozytywny wpływ urotlityny A na organizm. Wyniki pokazują, że suplementacja prowadzi do poprawy siły mięśniowej i wskaźników wydolności wysiłkowej, wraz z wpływem na biomarkery mitochondrialnego procesu starzenia. Regulacja mitofagii w celu aktywacji recyklingu uszkodzonych mitochondriów podczas starzenia się jest strategią mającą na celu łagodzenie spadku siły mięśniowej. Dane pokazują znaczącą poprawę wskaźników siły mięśniowej (o 12%) przy suplementacji urolityną A. Zaobserwowano też klinicznie znaczącą poprawę wytrzymałości aerobowej ogólnej i wydolności fizycznej oraz poprawę funkcji mitochondrialnych. Doustne suplementowanie urolityną A zwiększa siłę mięśniową. Wysoka (1000 mg/dzień) dawka urolityny A pozytywnie wpływa na wskaźniki wydolności wysiłkowej. Obserwuje się równoległy wzrost białek mitofagii w mięśniach szkieletowych. Suplementacja jest bezpieczna i zwiększa poziom urolityny A we krwi obwodowej.
Możemy też wspierać organizm przy użyciu kwercetyny. Kwercetyna (Q) to organiczny, wielopierścieniowy związek aromatyczny pochodzenia roślinnego. Kwercetyna jest silnym przeciwutleniaczem, zaliczanym do flawonoli. Do źródeł występowania kwercetyny zaliczają się: cebula, ciemne winogrono, ziele estragonu, nasiona czarnuszki siewnej, jabłka oraz kapary. Glikozydy kwercetyny obecne w żywności, takie jak glukozyd kwercetyny, galaktozyd kwercetyny czy arabinozyd kwercetyny, są deglikozylowane przed biernym wchłanianiem w jelicie cienkim. Aglikon kwercetyny ulega w organizmie kilku reakcjom biotransformacji, co prowadzi do powstania metabolitów glukuronizowanych, siarczanowych i zmetylowanych. Biodostępność kwercetyny zależy od rodzaju diety oraz postaci w jakiej występuje. W pożywieniu pochodzenia roślinnego Q nie występuje w postaci aglikonów, które mogą być wchłaniane w całym jelicie. Pochodne glikozydowe Q, najczęściej występująca postać w diecie pochodzenia roślinnego, ze względu na hydrofilową naturę i dużą masę cząsteczkową nie podlegają absorpcji w jelicie cienkim. Po usunięciu reszty cukrowej przez β-glukozydazę cytozolową – Q w postaci aglikonu zostaje wchłonięta i jest metabolizowana, m.in. w jelicie cienkim, jelicie grubym, w wątrobie i w nerkach. W komórkach nabłonka cząsteczka kwercetyny jest metabolizowana przez białka II fazy metabolizmu ksenobiotyków. Właściwości antyoksydacyjne Q wynikają z jej zdolności do „zmiatania” reaktywnych form tlenu, hamowania aktywności enzymów biorących udział w tworzeniu RFT, m.in. oksydaz (np. oksydaza ksantynowa), enzymów wykorzystujących NADPH, (np. reduktaza aldozowa, dehydrogenaza mleczanowa, dehydrogenaza maleinianowa, syntaza tlenku azotu). Kwercetyna wykazuje również zdolność modulowania aktywności enzymów zaangażowanych w procesy antyoksydacyjne, jak np. dysmutaza ponadtlenkowa – SOD (superoxide dismutase) i transferaza glutationowa – GST (glutathione S-transferase). Wydajność jej działania antyoksydacyjnego jest ściśle związana z budową chemiczną. Kwercetyna ma możliwość oddawania elektronu lub atomu wodoru, dzięki czemu może neutralizować tlen singletowy, anionorodnik ponadtlenkowy, rodnik hydroksylowy, rodnik nadtlenkowy, tlenek azotu (NO) oraz nadtlenoazotyn. Wykazano, że flawonoidy (w tym kwercetyna) przyczyniają się również do obniżenia aktywności enzymów, takich jak fosfolipaza A2, cyklooksygenaza i lipooksygenaza, które uczestniczą w enzymatycznej peroksydacji błonowych fosfolipidów, a także w chelatowaniu jonów metali przejściowych mających potencjał redukcyjny, np. Fe2+ i/lub Cu+, które mogą być źródłem RFT w komórce. Inną cechą polifenoli, która wpływa na ich właściwości antyoksydacyjne, jest zdolność do wbudowywania się w błony komórkowe, dzięki czemu następuje zmiana stabilności struktur komórkowych i obniżenie wrażliwości na działanie czynników niekorzystnych, w tym RFT. Możliwym wyjaśnieniem przeciwzapalnego działania kwercetyny jest wzajemne powiązanie RFT i stanu zapalnego. RFT biorą udział nie tylko w stresie oksydacyjnym, ale również we wzmacnianiu procesów zapalnych, co jest związane z aktywacją czynników transkrypcyjnych oraz kinaz. Działanie przeciwzapalne kwercetyny polega na blokowaniu aktywacji kinaz p38, MAPK, Akt oraz czynnika transkrypcyjnego NF-κB, przez zahamowanie degradacji jego inhibitora (I-κB).
Coraz większym zainteresowaniem w kontekście długowieczności cieszy się w ostatnim czasie cząsteczka ergotioneiny. Ergotioneina ma działanie antyoksydacyjne i przeciwzapalne. Dodatkowo udowodniono, że jest ona modulatorem kilku ważnych szlaków biochemicznych w komórce: wpływa na szlak sirtuinowy, szlak mTOR, szlak insulinopodobnego czynnika wzrostu (IGF1) oraz reguluje działanie czynnika transkrypcyjnego FOXO. Ergotioneina coraz częściej nazywana jest „cząsteczką długowieczności”. Całkiem spore ilości tego związku są zawarte w grzybach, a szczególnie bogate w ergotioneinę są pieczarki oraz boczniak szary.
Bardzo bogatym źródłem polifenolowych związków o charakterze antyoksydacyjnym i przeciwzapalnym jest olej z nasion dzikiej róży. Zawiera on bowiem cenne przeciwutleniacze lipofilowe zaliczane do tokoferoli, a ponadto likopen i β-karoten. Olej z nasion dzikiej róży zawiera też niezbędne nienasycone kwasy tłuszczowe – w tym kwasy omega-3. Warto w kontekście przeciwutleniaczy korzystać też z oleju z pestek czarnej porzeczki – olej ten zawiera bogactwo fitosteroli, flawonoidów, kwasów fenolowych oraz karotenoidów. Oprócz wymienionych związków w oleju z pestek czarnej porzeczki znajdują się również: kwas gamma-linolenowy (GLA), kwas alfa-linolenowy (ALA) oraz kwas stearydynowy, który rzadko jest spotykany w źródłach roślinnych. Dodatkową zaletą oleju z pestek czarnej porzeczki jest wysoka zawartość witaminy E – która ma istotne znaczenie w antyoksydacyjnej ochronie organizmu i dodatkowo wspiera prawidłowe funkcjonowanie wątroby. Urozmaicona dieta, bogata w fitozwiązki oraz w substancje zawarte w grzybach przyczyni się do poprawy zdrowia i samopoczucia.
Literatura:
1.Effect of quercetin-loaded poly (lactic-co-glycolic) acid nanoparticles on lipopolysaccharide-induced memory decline, oxidative stress, amyloidogenesis, neurotransmission, and Nrf2/HO-1 expression. Heliyon 2023, DOI: 10.1016/j.heliyon.2023.e23527 2. Mechanisms of Neuroprotection by Quercetin: Counteracting Oxidative Stress and More. Oxid Med Cell Longev 2016, DOI: 10.1155/2016/2986796 3. Ergothioneine and its congeners: anti-ageing mechanisms and pharmacophore biosynthesis. Protein Cell 2024, DOI: 10.1093/procel/pwad048 4. Diversity of structures and properties among catalases. Cell Mol Life Sci 2004, DOI: 10.1007/s00018-003-3206-5 5 .Active and inhibited human catalase structures: ligand and NADPH binding and catalytic mechanism. J Mol Biol 2000, DOI: 10.1006/jmbi.1999.3458 6. Mitophagy curtails cytosolic mtDNA-dependent activation of cGAS/STING inflammation during aging. Nat Commun 2024, DOI: 10.1038/s41467-024-45044-1 7. Urolithin A improves muscle strength, exercise performance, and biomarkers of mitochondrial health in a randomized trial in middle-aged adults. Cell Rep Med 2022, DOI: 10.1016/j.xcrm.2022.100633 8. Less widespread plant oils as a good source of vitamin E. Food Chem 2019, DOI: 10.1016/j.foodchem.2019.05.185 9. Vitamin E intake is inversely associated with NAFLD measured by liver ultrasound transient elastography. Sci Rep 2024, DOI: 10.1038/s41598-024-52482-w
Proces starzenia organizmu jest wielowymiarowym zjawiskiem o złożonej naturze, które można definiować na różne sposoby, zależnie od perspektywy naukowej. Z biologicznego punktu widzenia starzenie jest naturalnym procesem postępującej utraty fizjologicznej zdolności organizmu do utrzymania homeostazy i odporności na warunki stresowe. Podczas postępujących procesów starzenia nasz organizm oddala się od stanu homeostazy, co w sposób bezpośredni prowadzi do spadku naturalnych zdolności adaptacyjnych, a to ostatecznie powoduje, że zaczynamy chorować i organizm staje się coraz słabszy. Wynika to z faktu, że każdy organizm jest poddawany ciągłemu wzrostowi entropii w czasie. Starzenie się można zatem rozumieć jako niezdolność do utrzymania stabilności w obliczu rosnącego chaosu. Procesy starzenia zachodzą na poziomie molekularnym, komórkowym, tkankowym oraz narządowym, a ich nasilenie i przebieg mają charakter indywidualny, który jest zależny od stylu życia, środowiska w którym żyjemy oraz od osobniczych uwarunkowań genetycznych każdego człowieka.
Również długość życia ma charakter indywidualny. Najdłużej żyjącą kobietą, która jednocześnie jest uważana za najdłużej żyjącego człowieka, była Jeanne Calment z Francji. Kobieta urodziła się 21 lutego 1875 roku i zmarła 4 sierpnia 1997 roku, osiągając wiek 122 lat i 164 dni. Najdłużej żyjącym mężczyzną był natomiast Jiroemon Kimura – Japończyk, który urodził się 19 kwietnia 1897 i zmarł 12 stycznia 2013 roku osiągając wiek 116 lat i 54 dni.
Obecnie żyjący stulatkowie (centenarians), którzy urodzili się w latach około roku 1915, w sposób znaczący przekroczyli przewidywaną w tamtym czasie długość życia, która wynosiła 46-52 lata. W ostatnim czasie w literaturze naukowej pojawiły się nowe określenia dotyczące osób wyjątkowo starych, jak na przykład „oldest old” (> 85 roku życia) i superstulatkowie (supercentenarians, w wieku > 110 lat).
Zmiany zachodzące w starzejącym się biologicznie organizmie mają charakter kumulatywny, uniwersalny, zachodzą stopniowo, przez długi czas nie są zauważalne, a ich szkodliwy wpływ może objawiać się na wiele sposobów. Od angielskich słów oznaczających tych 5 wymienionych cech starzenia człowieka powstał nawet bardzo przewrotny akronim CUPID, który nawiązuje do imienia Kupidyna – rzymskiego bożka miłości (CUPID: cumulative, universal, progressive, intrinsic, deleterious). Podczas wielopoziomowego procesu postępującego starzenia dochodzi do:
obniżenia możliwości adaptacyjnych człowieka na różnego typu obciążenia biologiczne i fizyczne (np. złamania, urazy, zakażenia bakteryjne),
utraty homeostazy wodno-elektrolitowej, energetycznej i termoregulacyjnej,
postępujących zmian biochemiczno-morfologicznych na poziomie komórkowym, tkankowym i narządowym (zmianom podlega również masa tłuszczowa i mięśniowa organizmu),
nasilenia ogólnej chorobowości (np. zaburzenia endokrynologiczne, choroby układu sercowo-naczyniowego, nowotwory),
zmniejszenia naturalnych rezerw o charakterze narządowym (np. pogorszenie wskaźnika eGFR – czyli zdolności filtracji kłębuszkowej w nerkach, osłabienie wskaźnika FEV1 – czyli nasilonej objętości pierwszosekundowej płuc),
immunosenescencji – czyli postępującego starzenia się układu odpornościowego,
obniżenia zdolności psychicznych i kognitywnych.
Żyjemy coraz dłużej.
Nauki biomedyczne, takie jak biologia molekularna, inżynieria genetyczna, biotechnologia, czy wreszcie medycyna rozwijają się w ostatnich dekadach w skokowym tempie, a my jesteśmy świadkami prawdziwej rewolucji biomedycznej, która dzieje się na naszych oczach. To między innymi dzięki rozwojowi nauki zyskaliśmy narzędzia i możliwości do tego, aby żyć dłużej i starzeć się wolniej. W XXI wieku ludzkość będzie rozwijała metody i technologie medyczne zmierzające do wydłużenia okresu życia w zdrowiu. Już teraz zmieniło się nasze postrzeganie i stosunek do chorób i procesu nieuniknionego starzenia się. W obecnych czasach choroby zaczęliśmy postrzegać w kategorii „usterek technicznych” organizmu, które można w wielu przypadkach naprawić – na przykład poprzez enzymatyczne terapie zastępcze w sytuacji, gdy organizm nie biosyntetyzuje któregoś z enzymów niezbędnych do prawidłowego funkcjonowania. Dotychczas przez stulecia, zarówno w tradycji, jak i w kulturze śmierć i życie należały do domeny kapłanów, filozofów czy teologów. W XXI wieku domenę tę zawłaszczyli inżynierowie genetyczni, biolodzy molekularni, biotechnolodzy i lekarze należący do różnych specjalizacji. Średni okres życia człowieka wydłuża się, choć od okresu paleolitycznego do czasów średniowiecza przeciętna, spodziewana długość życia noworodka utrzymywała się w przedziale 25-35 lat. Jeszcze na początku XIX wieku średnia przewidywana długość życia nie przekraczała 40 lat. Żyjemy w wyjątkowych czasach, albowiem w ciągu ostatniego 150-lecia, między innymi dzięki rozwojowi nauk biomedycznych, średni okres życia wydłużał się w sposób skokowy. Obecnie średnia długość życia nadal utrzymuje się w trendzie wzrostowym, jednak zmiany te przebiegają już znacznie wolniej i nie są już tak spektakularne. Dane, które zostały opublikowane w 2019 roku przez Światową Organizację Zdrowia (WHO) pokazują, że w tym właśnie roku z powodu chorób zmarło na świecie 55,4 miliona ludzi. Zaskakującym jest jednak fakt, że za 55% odnotowanych zgonów odpowiadało jedynie 10 chorób – tylko 3 spośród nich zaliczyć można do chorób zakaźnych. Największe śmiertelne żniwo zbiera choroba niedokrwienna serca, która stanowiła około 16% wszystkich zgonów na świecie. Warto w tym momencie dodać, że każdego roku liczba osób umierających z powodu choroby niedokrwiennej serca wzrasta (w 2019 roku z tego powodu zmarło na świecie 8,9 miliona ludzi). Poważnym zabójcą w skali globalnej jest również udar mózgu (11% zgonów w 2019 roku) i postępująca obturacyjna choroba płuc (POChP, 6% wszystkich zgonów w 2019 roku). Choroby nowotworowe również są przyczyną wysokiej śmiertelności, ale to nie nowotwory odbierają życie najczęściej.
Oprócz wymienionych chorób bardzo istotną kwestię zdrowotną stanowi także cukrzyca typu 2. Przewlekła hiperglikemia wiąże się z uszkodzeniem, zaburzeniem czynności i niewydolnością różnych struktur i narządów, zwłaszcza oczu, nerek, nerwów, serca i naczyń krwionośnych. Cukrzyca (diabetes/diabetes mellitus) jest to: grupa chorób metabolicznych charakteryzująca się hiperglikemią wynikającą z defektu wydzielania i (lub) działania insuliny. Cukrzyca to pierwsza niezakaźna choroba uznana przez Organizację Narodów Zjednoczonych (ONZ) za epidemię XXI wieku. Cukrzyca typu 2 jest problemem ogólnoświatowym dotyczącym 5-7% populacji świata, ale chorobowość jest na ogół niedoszacowana. W 2014 r. na świecie żyło 422 mln dorosłych z cukrzycą – dla porównania – w 1980 roku było ich 108 mln. Kolejnych 318 milionów dorosłych ma upośledzoną tolerancję glukozy, co stawia ich w grupie wysokiego ryzyka rozwoju cukrzycy. Jeżeli obserwowany od wielu lat wzrost zachorowalności na cukrzycę nie zmniejszy się, to w 2040 roku na świecie będzie żyło 642 miliony osób z cukrzycą. Cukrzyca i jej powikłania są głównymi przyczynami wczesnych zgonów w większości krajów. Cukrzyca rozpoznana w średnim wieku skraca przeciętny czas życia o około 5-10 lat w porównaniu z populację ogólną. Zależy to głównie od chorób układu krążenia, powikłań typu mikroangiopatii i (lub) obecności wielu czynników ryzyka. Podwyższone stężenie glukozy prowadzi do zaburzeń koncentracji, uczucia zmęczenia, zmniejszenia aktywności. Tego typu objawy mogą być postrzegane jako skutek dużej aktywności życiowej bądź naturalnego procesu starzenia się i związanej z tym ograniczonej aktywności psychofizycznej. Główną przyczyną powikłań mikronaczyniowych w cukrzycy jest przewlekłe narażenie na wysokie stężenia glukozy, a kluczowy jest czas trwania cukrzycy i nasilenie hiperglikemii. Pod wpływem przewlekłego działania hiperglikemii dochodzi do zmian w mikrokrążeniu, polegających na postępującym zwężeniu światła naczynia, prowadzącym ostatecznie do jego zamknięcia. Powoduje to upośledzenie perfuzji, niedokrwienie i dysfunkcje tkanek unaczynionych przez zajęte naczynia. Zmiany cukrzycowe zachodzące w mikrokrążeniu dotyczące siatkówki, kłębuszka nerkowego i naczyń krwionośnych układu nerwowego mają podobne podłoże patogenetyczne. Głównym mechanizmem leżącym u podstaw powikłań sercowo-naczyniowych w cukrzycy jest miażdżyca, czyli nagromadzenie złogów tłuszczowych (blaszek miażdżycowych) w tętnicach. Choroby sercowo-naczyniowe stanowią poważne powikłania i są najczęstszą przyczyną śmierci u osób dorosłych z cukrzycą typu 2.
Globalna populacja osób w wieku 60 lat i starszych rośnie szybciej niż młodsze grupy wiekowe i stoi w obliczu fali chorób przewlekłych, które zagrażają jakości życia oraz stawiają wyzwania systemom opieki zdrowotnej. Choroby przewlekłe, takie jak cukrzyca, choroby sercowo-naczyniowe, demencja, nowotwory i niektóre inne, dzielą wspólny mechanizm podstawowy, jakim jest samo starzenie się. Ryzyko śmierci z jakiejkolwiek przyczyny wzrasta wykładniczo po ukończeniu 40 roku życia i podwaja się w przybliżeniu co 8 lat.
Statystyki pokazują, że w USA 6/10 osób ma zdiagnozowaną jedną z chorób przewlekłych, a 4/10 osób boryka się przynajmniej z dwiema chorobami przewlekłymi. Poza samym procesem starzenia na rozwój chorób przewlekłych wpływają dodatkowe czynniki, takie jak: niedostateczna długość snu, złe nawyki żywieniowe, brak aktywności i fizycznej, nałogowe oraz bierne palenie papierosów, i nadużywanie alkoholu. Bezsprzecznie współczesna medycyna posiada narzędzia, które pozwalają z coraz wyższą skutecznością leczyć większość z tych chorób, co niewątpliwie przekłada się na poprawę komfortu życia osób chorych. Fakt, że zaczęliśmy traktować choroby jako usterki techniczne, które można w pewnym stopniu naprawić, albo spowodować, że są one mniej uciążliwe w dłuższej perspektywie czasowej jest jednak dla nas zgubny. Potrzeba czasu i mrówczej pracy popularyzatorów nauki, lekarzy-specjalistów, dietetyków, fizjoterapeutów i trenerów personalnych aby dokonać istotnej zmiany paradygmatu w podejściu społeczeństwa, jako ogółu, do tematyki zdrowia. Ta zmiana obecnego podejścia do zdrowia jednostki powinna polegać na wzbudzeniu potrzeby i konieczności świadomego i proaktywnego zadbania o własne zdrowie od najwcześniejszych lat. Choroby, które dotykają człowieka, szczególnie w podeszłym wieku, rozwijają się latami, często bez widocznych objawów – to z kolei usypia czujność. Stan zdrowia w późnej starości stanowi sumę jednostkowych inwestycji zdrowotnych oraz sumę zaniedbań dotyczących stylu życia. Uświadom sobie, że już teraz pracujesz nad stanem swojego zdrowia w odległej przyszłości… Ona jedynie wydaje się być odległa, czas konfrontacji z prawdą na temat stanu Twojego organizmu przyjdzie jednak szybciej niż to się może wydawać.
W książce pt. „Outlive – The science & art of longevity” dr Peter Attia bardzo obrazowo ilustruje trzy z możliwych scenariuszy starzenia się człowieka. Długowieczność jest wypadkową nie tylko wieku biologicznego i metrykalnej długości życia, ale składają się na nią również rezerwy zdrowotne naszego organizmu. Istotne jest to, aby zadbać o dobrostan na tyle, żeby jak najwięcej tych rezerw zachować do późnej starości. Pierwszy z możliwych scenariuszy starzenia się to trajektoria totalnego upadku zdrowotnego polegająca na tym, że nie podejmujemy żadnej interwencji, i z tego powodu starzejemy się w sposób niekontrolowany. To zupełnie tak, jakby puścić kierownicę w rozpędzonym aucie, które z zawrotną prędkością mknie po autostradzie. Katastrofa jest nieunikniona. Druga z możliwości, o których wspomina Attia, zakłada że nie dbamy o zdrowie i pozostawiamy je całkowitemu przypadkowi przez wiele lat, pełnych zaniedbań, po czym budzimy się z ręką w nocniku i staramy się uratować co tylko ze zdrowia pozostało, posiłkując się współczesną medycyną. Oczywiście lekarze udzielą pomocy i wsparcia, może być jednak zbyt późno aby cokolwiek ze zdrowia uratować – być może uda się nawet nieco przedłużyć czas życia, jednak komfort będzie znacznie ograniczony przez choroby przewlekłe, galopującą demencję i ogólną kruchość całego organizmu. W tym scenariuszu człowiek po prostu zasnął za kierownicą własnego organizmu. W tym momencie warto wspomnieć o regularnych badaniach diagnostycznych, z których jak pokazują dane statystyczne, Polacy nie korzystają w pełnym wymiarze. Pamiętajmy jednak, że wczesna diagnoza to często szansa na odpowiednie leczenie. I wreszcie trzecia z możliwych trajektorii starzenia – droga, którą przez życie idą osoby świadome, zmotywowane, pełne pasji do życia, podejmujące w sposób proaktywny wysiłek pracy nad sobą i ciągle szukające możliwości poprawy stanu zdrowia i możliwości wydolnościowych organizmu. Ten scenariusz jest drogą ku długowieczności, a człowiek, który nią podąża ma największe szanse na utrzymanie wysokich rezerw zdrowotnych do późnej starości. Trajektoria starzenia, o której teraz mówię oznacza powolne starzenie z podniesionym czołem – jest to starzenie z godnością przy jednoczesnym zachowaniu zdolności kognitywnych oraz poznawczych. To droga do długowieczności, której szukasz. Przyjrzyjmy się zatem tym aspektom starzenia, na które mamy wpływ już teraz.
Literatura:
1.Identification of 12 genetic loci associated with human healthspan. Commun Biol 2019 Jan 30:2:41. doi: 10.1038/s42003-019-0290-0. eCollection 2019
2.Inflammation and aging: signaling pathways and intervention therapies. SignalTransduct Target Ther 2023 Jun 8;8(1):239. doi: 10.1038/s41392-023-01502-8
3.The Continuum of Aging and Age-Related Diseases: Common Mechanisms but Different Rates. Front Med (Lausanne) 2018 Mar 12:5:61. doi: 10.3389/fmed.2018.00061
4.Aging: a common driver of chronic diseases and a target for novel interventions. Cell 2014 Nov 6; 159(4): 709–713. doi: 10.1016/j.cell.2014.10.039
W 2002 roku badacze złożyli od podstaw wirusa polio, a w 8 lat od tego wydarzenia Craig Venter ogłosił światu, że jego prace badawcze doprowadziły do konstrukcji syntetycznego genomu bakterii Mycoplasma genitalium, który następnie ożywiono poprzez transplantację materiału genetycznego do innego, blisko spokrewnionego organizmu – tym sposobem na świat przyszła Synthia, syntetyczny mikroorganizm. Na ten przełomowy moment, rodem z filmów science fiction składają się tysiące lat mniej, bądź bardziej świadomych, działań człowieka, który 7 milionów lat temu, czyli stosunkowo niedawno, oddzielił się ewolucyjnie od linii szympansiej i zaledwie 75 milionów lat od punktu czasowego, w którym nasza ewolucja rozdzieliła się od linii mysiej. Czy przyszedł niebezpieczny czas na patentowanie życia? Znaczna część systemów prawnych na świecie pozwala na patentowanie genetycznie modyfikowanych roślin i produktów wytwarzanych przez genetycznie modyfikowane bakterie (np. insulina) oraz zwierzęta (np. włókna fibroinowe nici pajęczej wydzielane w mleku kóz zmodyfikowanych przez kanadyjską firmę biotechnologiczną Nexia). W Europie oraz w Kanadzie, w sposób bardzo kontrowersyjny i budzący ogromny sprzeciw, posunięto się znacznie dalej i za własność intelektualną, chronioną patentem, uznano ssaczy (dokładniej mysi) organizm genetycznie modyfikowany – OncoMouse, mysz laboratoryjną, która jest szeroko wykorzystywana przez biologów molekularnych w pracach eksperymentalnych dotyczących nowotworów.
Ludzkość modyfikowała genetycznie żywe organizmy przez tysiące lat. Proces ten zapoczątkowały rzecz jasna selektywnie hodowane rośliny. Człowiek wiedziony intuicją oraz poprzez ocenę organoleptyczną potrafił dostrzegać w niektórych roślinach oraz w ich właściwościach pewne zasadnicze cechy, takie jak smak, wielkość i soczystość owoców, rozmiar nasion, wytrzymałość na zmienne warunki środowiska, które sprawiały że uznawał je za lepsze w stosunku do pozostałych odmian. Tym oto sposobem, poprzez oczywistą ingerencję człowieka, selekcjonowano i udomawiano wybrane organizmy, które następnie były wybierane do dalszej hodowli, która utrwalała pożądane cechy i prowadziła ostatecznie do widocznych różnic w stosunku do odmian rosnących dziko. Następstwo takiej przemyślanej, selektywnej hodowli, obserwujemy nawet dziś, tysiące lat później – genomy roślin uprawianych obecnie, takich jak maniok, jabłka, kukurydza czy groch, różnią się bowiem znacznie od materiału genetycznego gatunków wyjściowych. Rolnictwo było zatem praktycznie od początku obszarem rozwijającym genetykę, choć człowiek nie był jeszcze tego w pełni świadomy. Wiele lat później, w latach 20-tych ubiegłego wieku, za sprawą prac Hermanna Mullera, otrzymaliśmy narzędzia służące do bardziej ukierunkowanych metod mutagenezy roślin – zdano sobie sprawę z tego, że tworzenie odmian roślin można akcelerować poprzez stosowanie podejścia fizycznego i chemicznego. W mutagenezie roślin zaczęto wykorzystywać promieniowanie jonizujące (promienie X, promienie gamma, alfa, beta, protony oraz neutrony), elektromagnetyczne i ultrafioletowe, chemiczne czynniki alkilujące (EMS – metylosulfonian etylu, DEB – diepoksybutan) oraz radiomimetyczne związki chemiczne, takie jak etyloimina (EI) oraz N-nitrozo-N-etylomocznik (NEU), powodujące w DNA uszkodzenia podobne do efektów działania promieniowania jonizującego. Wymienione metody były używane głównie jako narzędzia tzw. wstecznej genomiki funkcjonalnej, która za cel stawiała wyjaśnienie funkcji poszczególnych genów roślinnych, jednak przy okazji doprowadziła do powstania wielu nowych odmian – za przykład niech tutaj posłuży uwielbiany przez nas czerwony grejpfrut, który powstał na drodze mutagenezy z użyciem napromieniowania radioaktywnego.
Podczas studiów biologicznych temat mutagenezy zainteresował mnie do tego stopnia, że postanowiłem zająć się nim przy pisaniu pracy licencjackiej. Wówczas, 15 lat temu, przeprowadziłem swój pierwszy eksperyment naukowy, którego celem było wyselekcjonowanie mutantów supresorowych roślinnego organizmu modelowego Arabidopsis thaliana, w których zmiany genetyczne pod wpływem metylosulfonianu etylu, miały doprowadzić do uzyskania roślin abh1 o złagodzonym fenotypie związanym wrażliwością na obecność kwasu abscysynowego (ABA) – tak uzyskane rośliny miały być w kolejnym etapie użyte w pracach badawczych pozwalających na zidentyfikowanie białek i cząsteczek RNA zaangażowanych w przekazywanie sygnału kwasu abscysynowego, fitohormonu z rodziny sekswiterpenów, który w odpowiedzi na stres wywołany brakiem dostępności do wody w glebie powoduje zamykanie aparatów szparkowych liścia, chroniąc tym samym roślinę przed utratą życiodajnego płynu. Prace nad rozwikłaniem szlaku sygnałowego kwasu abscysynowego prowadziłem po to, aby rozwinąć w naszej pracowni projekt zmierzający do uzyskania nowych odmian roślin odpornych na warunki suszy. Wyniki były niejednoznaczne, zająłem się inną tematyką, związaną z interferencją cząsteczek RNA i regulacją ekspresji genów w komórkach, projekt uzyskania roślin odporniejszych na brak wody poprowadziła dalej jedna z doktorantek, a finalnie kilka lat później przy użyciu techniki wyciszania genów przez udział sztucznych mikro RNA (a-miRNA, artificial-micro RNA) w laboratorium koledzy uzyskali zmodyfikowaną roślinę ziemniaka odporną na suszę. Na chwilę stało się o tym bardzo głośno, laboratorium odwiedzały kolejno stacje telewizyjne, dziennikarze piszący dla gazet i przeprowadzający wywiady dla radia. Do dziś z uśmiechem wspominam historię pewnego telefonu wykonanego przez żartownisia ze stacji radiowej, który chcąc wkręcić szefową laboratorium w dowcip, zapytał czy wódka produkowana ze zmienionych genetycznie ziemniaków będzie bardziej znośna dla konsumentów i będzie po jej spożyciu mniej „suszyć” w gardle o poranku po zakrapianym wieczorze. Bulwy ziemniaków, z tego co wiem, nigdy nie zostały użyte do pędzenia samogonu, a oprócz oczywistego pożytku intelektualnego płynącego z opracowania genetycznie zmodyfikowanego ziemniaka, bulwy zostały przez nasz zespół badawczy bezceremonialnie pożarte w sałatce, podczas jednego z cotygodniowych seminariów poświęconych postępowi prac eksperymentalnych w realizowanych projektach grantowych, ostatecznie przetrawione i weszły w dalszy obieg materii wydalone z organizmów studentów, doktorantów i profesorów w procesie defekacji – albowiem do komercyjnej uprawy GMO na terenie Unii Europejskiej dopuszczono jedynie modyfikowaną kukurydzę, której hodowlę w Polsce i tak zakazano mocą ustawy w 2013 roku.
Obecnie biologia i medycyna dysponują potężnymi narzędziami, które doprowadziły do rewolucji biomedycznej. Nie byłoby to jednak możliwe bez postępu w tzw. naukach podstawowych, których udział był niezbędny do tego, aby ludzkość poczyniła gigantyczny krok zmierzający do poskromienia natury i umożliwiający stworzenie narzędzi stosowanych w inżynierii genetycznej, która z kolei w sposób oczywisty dała początek rozwojowi nowoczesnych terapii na choroby, które wcześniej były nieuleczalne. Prześledźmy historię najważniejszych odkryć naukowych, które doprowadziły nas do obecnego stanu rzeczy.
Na początku lat 30-tych XIX wieku Karol Darwin wybrał się w podróż morską na statku badawczym HMS Beagle, wyprawa ta umożliwiła mu zapoznanie się z florą i fauną Ameryki Południowej – w sposób wyjątkowy zainspirowały go obserwacje kilku gatunków zięb, z którymi zetknął się na Wyspach Galapagos, położonych nieco na zachód od Ekwadoru. Wyprawa Darwina i obserwacje naukowe poczynione w jej trakcie umożliwiły stworzenie teorii ewolucji, w której nowe gatunki powstają poprzez dobór naturalny, utrwalający w populacji pożądane cechy i zapewniający przetrwanie najlepiej przystosowanym osobnikom. Teoria ewolucji Darwina została zaprezentowana w 1958 roku, a już w kolejnym roku naukowiec opublikował pracę pt. „ O powstawaniu gatunków drogą doboru naturalnego, czyli o utrzymywaniu się doskonalszych ras organicznych w walce o byt”. Przed Darwinem (a nawet współcześnie) zakładano istnienie inteligentnego, kreacjonistycznego projektu opisującego powstanie i rozwój życia na Ziemi, posługując się nawet w tym celu bardzo obrazową analogią, porównującą wielopoziomową złożoność życia do skomplikowanego mechanizmu zegarka znalezionego gdzieś na wrzosowisku, którego zaistnienie w naturze zakłada a priori istnienie inteligentnego i wyspecjalizowanego zegarmistrza działającego z niebywałą precyzją. Zegarmistrz faktycznie istniał, jednak był ślepy i działał metodą prób i błędów. W czasie, gdy Karol Darwin pracował nad teorią ewolucji, na scenę teatru nauki wkroczył Grzegorz Mendel – mnich i zapalony ogrodnik przebywający wówczas w klasztorze św. Tomasza w Brunn. Choć prace Mendla doprowadziły do przełomowego ustalenia podstawowych praw dziedziczenia genetycznego, sam Mendel i jego odkrycia pozostały niezauważone przez współczesnych, a odkryto je ponownie dopiero 16 lat po śmierci badacza. Publikacja Karola Darwina była sensacją, waga odkryć Grzegorza Mendla pozostała niedoceniona – sam Darwin przeoczył publikację Mendla, która stanowiła przecież oczywiste dopełnienie jego własnych obserwacji naukowych. Na ironię artykuł Mendla na temat praw dziedziczenia, który obalał teorię pangenezy, został opublikowany w tym samym tomie, w którym Darwin komentował prace innych badaczy – było naprawdę blisko. Dziś dysponujemy znacznie szerszą wiedzą i zdajemy sobie sprawę z niedoskonałości praw dziedziczenia opisanych przez morawskiego mnicha, jednak zawdzięczamy jego pracom:
Prawo segregacji, które mówi o tym, że cechy dziedziczone są zapisane w formie kilku różnych wariantów (dziś nazywamy je allelami), które warunkują ostatecznie cechy fenotypowe organizmu. Allele dziedziczone są po jednym od każdego z rodziców i mogą mieć charakter dominujący (wyrażany fenotypowo) bądź recesywny (ustępujący allelowi dominującemu).
Prawo niezależnego przekazywania cech, zakładające, że sposób przekazywania jednej z cech nie wpływa na dziedziczenie innej cechy – dziś wiemy, że niektóre allele warunkujące różne cechy fenotypowe są ze sobą sprzężone genetycznie i wymykają się prostemu, mendlowskiemu, mechanizmowi dominacji cech zaobserwowanemu u grochu.
W 1900 roku Hugo de Vries, Carl Correns i Erich von Tschemak wskrzesili do życia zapomniane wyniki prac eksperymentalnych Mendla wykonanych na nasionach grochu. W latach 40-tych XIX wieku odkryto w komórkach istnienie chromosomów, jednak dopiero w roku 1902, za sprawą niezależnych prac biologa Theodora Boveri i genetyka Waltera Suttona, pojawiła się sugestia, że te tajemnicze, pałeczkowate struktury, obecne w jądrze komórkowym, mogą w istocie zawierać materiał dziedziczny. W tym czasie nie znano jeszcze pojęcia genu, które pierwszy raz pojawiło się dopiero w pracach Wilhelma Johannsena w roku 1909 i ostatecznie wyparło zaproponowany przez Hugo de Vriesa termin pangenu, definiowany jako najmniejsza cząstka pojedynczej cechy dziedzicznej. Chromosomowe podstawy dziedziczenia cech zostały dowiedzione już 1910 roku dzięki badaniom przeprowadzonym przez T. H. Morgana na modelu badawczym, jakim była wywilżna karłowata (Drosophila melanogaster) potocznie nazywana muszką owocową. Thomas Hunt Morgan poprzez określenie genu, jako fizycznej jednostki zlokalizowanej w chromosomie oraz poprzez użycie metod statystycznych w swoich badaniach przekształcił biologię z nauki opisowej w dziedzinę eksperymentalną, opisywaną liczbowo – od tego mementu biologia stanęła na równi z chemią i fizyką. Morgan za swój wkład do rozwoju nauki otrzymał w 1933 roku Nagrodę Nobla w dziedzinie fizjologii i medycyny. Obecnie każdy w miarę sumienny licealista potrafi odpowiedzieć na pytanie o liczbę ludzkich chromosomów. Historia pokazuje jednak, że nie było to wcale oczywiste do roku 1955, w którym dwójka badaczy Albert Levan i Joe-Hin Tjio udowodniła, że ludzkie gamety zawierają 23 chromosomy, a na prawidłowy kariotyp komórek somatycznych składa się 46 chromosomów – 44 chromosomy autosomalne i dwa chromosomy warunkujące płeć. Do czasu tego przełomowego odkrycia powszechne było przekonanie, że człowiek podobnie jak szympans posiada 24 chromosomy w komórkach rozrodczych, a pełen kariotyp zawiera 48 chromosomów. Faktycznie w niezbyt odległej przeszłości posiadaliśmy 48 chromosomów, ich liczba w toku ewolucji została jednak zredukowana poprzez fuzję dwóch chromosomów, które dziś wspólnie tworzą ludzki chromosom 2 – niewątpliwie było bardzo ważne wydarzenie ewolucyjne, stanowiące jeden z przełomów, który poprowadził nas ścieżką od wielkich małp do Homo sapiens. Skoro organizmy z taką fuzją materiału genetycznego przetrwały po dziś i rozprzestrzeniły się po świecie, oznacza to jednoznacznie, że było to korzystne z jakiegoś powodu i dobór naturalny promował osobniki o zredukowanej liczbie chromosomów. Z medycznego punktu widzenia ilość chromosomów jest niebywale istotna i warunkuje prawidłowy rozwój oraz wpływa na stan zdrowia człowieka. Współczesna medycyna doskonale zna pojęcie aneuploidii – zjawisko to polega na wzbogaceniu bądź zubożeniu komórek o jeden bądź więcej chromosomów, co prowadzi do patologicznej sytuacji, w której prawidłowy zestaw chromosomów (tzw. euploidia) zostaje przekształcony w formę pośrednią, niewłaściwą dla prawidłowo utworzonych komórek gamet i komórek budujących organizm. Aneuploidia jest następstwem aberracji chromosomowych (zmiana struktury, bądź liczby chromosomów), czyli pewnego rodzaju mutacji, do której dochodzi na drodze nondysjunkcji, polegającej z kolei na nieprawidłowym rozdzieleniu materiału genetycznego podczas podziału komórki – odpowiedzialne za taką sytuację jest nieprawidłowo wykształcone wrzeciono kariokinetyczne, będące czymś w rodzaju sznurków zbudowanych z białek, które przy rozdziale materiału genetycznego są z nim połączone, a przez skracanie swojej długości pociągają za sobą chromosomy do biegunów nowych komórek zanim dojdzie do ostatecznego podziału. Nieprawidłowy podział materiału genetycznego może przykładowo doprowadzić do stanu, gdy w komórce oprócz dwóch prawidłowych kopii pojawia się dodatkowy trzeci chromosom – jest to tzw. trisomia. Najlepiej poznanym przykładem choroby powodowanej przez trisomię jest zespół Downa, a osoby cierpiące z tego powodu posiadają w komórkach po 3 kopie chromosomu 21. Trisomia chromosomu 18 prowadzi z kolei do fenotypu zespołu Edwardsa manifestującego się wadami rozwojowymi i głębokim upośledzeniem umysłowym. Wystąpienie u płodu trisomii chromosomu 13, wywołującej zespół Patau, znacznie zwiększa ryzyko poronienia bądź śmierci dziecka tuż po urodzeniu. Dzieci, które urodziły się z tą chorobą w 70% umierają przed osiągnięciem pierwszego roku życia i cierpią z powodu poważnych deformacji rozwojowych objawiających się w postaci aplazji (niewykształcenia) skóry skalpu, niedokonanego podziału przodomózgowia czyli holoprozencefalii oraz wad wielonarządowych. Znane są również aneuploidie dotyczące chromosmów płci X i Y, które w toku ewolucji człowieka zostały oddzielone około 300 milionów lat temu. Zespół Turnera, który występuje jedynie u kobiet, pojawia się w następstwie monosomii chromosomu X i powoduje poważne następstwo w postaci bezpłodności wynikającej z niedorozwoju jajników, dodatkowo osoby dotknięte chorobą są zazwyczaj niskie i charakteryzują się krępą budową ciała. U niektórych mężczyzn obserwowany jest zespół Klinefeltera, który pojawia się gdy w kariotypie występują dwa chromosomy X i jeden chromosom Y – wynikiem takiej trisomii jest bezpłodność spowodowana niedorozwojem jąder oraz obecność cech żeńskich w fenotypie. Znane są również przypadki tzw. „supersamców”, którzy posiadają dwa chromosomy Y oraz jeden chromosom X w swoich jądrach komórkowych, co powoduje bardzo wysoki wzrost i pewną nadpobudliwość emocjonalną, nie wywołuje jednak bezpłodności.
Jako ciekawostkę ze świata zwierząt warto w tym miejscu wspomnieć o ślepcu stepowym (Spalax microphthalmus), niewielkim gryzoniu zamieszkującym w górach Kaukazu, który w toku ewolucji całkowicie stracił chromosom Y, a mimo to pozostaje samcem. Wspominam o tym nie bez powodu, gdyż przerażająca wizja totalitarnego świata bez mężczyzn, humorystycznie pokazana w „Seksmisji” wyreżyserowanej przez Janusza Machulskiego w 1983 roku, wcale nie jest niemożliwa. Więcej, jest możliwa. Być może, w tym momencie panowie czytający tą książkę przestają się uśmiechać na wspomnienie perypetii Maksa i Alberta, którzy po poddaniu się dobrowolnej hibernacji, w 1991 roku, zostają nagle wybudzeni w nowej rzeczywistości, w nowym porządku świata, będącym następstwem użycia bomby M, której niszczycielska moc doprowadziła do zniszczenia męskiej populacji przez anihilację męskich genów w populacji Homo sapiens zamieszkujących Ziemię. Jest rok 2044, a doktor Lumia informuje samców o tym, że są reliktem dawnego systemu, kobiety „produkują” drogą inżynierii genetycznej i metodami in vitro jedynie dzieci płci żeńskiej i generalnie świat bez chromosomu Y jest prawie doskonały, a w każdym razie lepszy niż był. Niestety „Seksmisja” nie powstała całkowicie w oparciu o fantazję i do pewnego stopnia ma całkiem solidne podstawy naukowe. Chromosomy płci zostały zidentyfikowane w 1905 roku przez Nattie Stevens i Edmunda Beecher Wilsona. Chromosom X, warunkujący płeć żeńską, ma olbrzymią przewagę nad chromosomem Y, który podlega stopniowej, i co gorsza, systematycznej degradacji. Podczas gdy chromosom X może ulegać mechanizmowi rekombinacji homologicznej z siostrzanym chromosomem X, który tworzy parę u kobiet, w trakcie crossing-over podczas podziału mejotycznego, Y ma ograniczone możliwości zmienności rekombinacyjnej. Przy braku obecności homologicznego chromosomu Y degeneruje sukcesywnie w sposób zgodny z mechanizmem tzw. zapadki Mullera i z tego powodu obserwowany dziś męski chromosom zawiera znacznie mniej informacji genetycznej w stosunku do tej, która była w nim zapisana u naszych nieodległych samczych przodków. Zanikanie chromosomu Y na skutek stopniowych delecji pewnych jego fragmentów określane jest często mianem „przekleństwa Adama”. Część pesymistycznych naukowców zakłada, że przy obecnie obserwowanym tempie degeneracji chromosom Y zaniknie w populacji za około 125 000 lat i doprowadzi do wymarcia naszego gatunku. Niektórzy genetycy postrzegają przyszłość w bardziej optymistycznych barwach i przewidują, że przed ostateczną klęską mężczyzn uchroni nas istnienie doboru naturalnego, który będzie eliminował z puli genowej mutacje wieszczące katastrofę ludzkości – szkodliwe warianty genetyczne, o ile powstaną, będą najprawdopodobniej prowadzić do bezpłodności i zostaną tym samym wyeliminowane brakiem możliwości ich przekazania do kolejnego pokolenia. Jednym z najistotniejszych spośród około 80 genów zlokalizowanych w chromosomie Y jest gen SRY (ang. sex-determining region Y), który jest niezbędny do powstania płci męskiej u człowieka poprzez uruchomienie programu rozwojowego prowadzącego do wykształcenia jąder – brak ekspresji genu SRY w komórkach rozwijającego się płodu skutkuje rozwojem gonad żeńskich. Kluczowa rola genu SRY w maskulinizacji może nas uratować przed wyginięciem albowiem szkodliwe mutacje tego fragmentu chromosomu będą eliminować ich nosicieli.
Na początku XX wieku biolodzy wiedzieli już, że za dziedziczenie cech odpowiadają chromosomy, nadal brakowało jednak istotnych części układanki, które były niezbędne na drodze zmierzającej do wyjaśnienia molekularnych podstaw ich działania. Kwas dezoksyrybonukleinowy (DNA) został odkryty przez Johanna Friedricha Mieschera w 1869 roku. Szwajcarski badacz metabolizmu, podczas prac na uniwersytecie w Tybindze, wyizolował wówczas z bandaży nasiąkniętych ropą pacjentów substancję, którą nazwał nukleiną, jednak potrzeba było jeszcze wielu lat aby wykazać eksperymentalnie rolę kwasów nukleinowych w mechanizmie dziedziczenia. Istotny krok w tym kierunku poczynił brytyjski lekarz Frederic Griffith, który w 1928 roku pracował nad szczepionką dającą odporność na zapalenie płuc i wykorzystując jako model badawczy szczepy bakterii Pneumococcus, jako pierwszy opisał fenomen transformacji DNA – proces pobierania molekuł kwasu nukleinowego z otoczenia przez organizmy jednokomórkowe. Badacz miał do dyspozycji dwa szczepy bakterii: formę zdolną do wytwarzania otoczki polisacharydowej i prowadzącą do śmierci (forma S) i zupełnie bezbronny szczep R, który nie syntetyzował otoczki, co czyniło go łatwym celem dla układu immunologicznego. Griffith zaobserwował, że podanie myszom laboratoryjnym zjadliwego szczepu S, po jego uprzednim uśmierceniu pod działaniem wysokiej temperatury, nie doprowadzało do uśmiercenia gryzoni, jeśli jednak martwe pneumokoki szczepu S wstrzykiwano z żywymi bakteriami niezjadliwymi typu R myszy za każdym razem zdychały. Naukowiec poszedł krok dalej i po wyizolowaniu bakterii z martwych myszy zauważył, że niezjadliwe bakterie pod wpływem „czynnika transformującego” nabierały zdolności do wytwarzania otoczki polisacharydowej charakterystycznej dla śmiertelnego szczepu S i tym samym potrafiły wymknąć się mechanizmom obronnym układu odpornościowego w rezultacie doprowadzając myszy do śmierci. Choć Griffith miał świadomość istnienia „czynnika transformującego” bakterie, to jednak nie potrafił udowodnić w sposób eksperymentalny roli DNA w tym mechanizmie. Dopiero szesnaście lat później, bo w 1944 roku, Oswald Avery, Maclyn McCarty i Colyn MacLeod dokonali przełomu wykazując z dużym prawdopodobieństwem rolę DNA w procesie transformacji bakterii. Badacze w serii starannie zaplanowanych eksperymentów krok po kroku oczyszczali tajemniczy czynnik transformujący bakterie wykorzystując metody fizykochemiczne i enzymatyczne inaktywatory organicznych składników komórki bakteryjnej. Dokonali rozdziału komórek bakteryjnych na poszczególne frakcje: białka, tłuszcze, polisacharydy i kwasy nukleinowe (DNA i RNA). Choć oczyszczona substancja zdolna do transformacji wykazywała charakterystyczny dla DNA stosunek ilościowy atomów fosforu i azotu oraz podlegała degradacji przez enzymy wykazujące aktywność niszczącą kwasy nukleinowe, badacze pozostawali ostrożni w ostatecznej interpretacji swojego eksperymentu, mając w świadomości możliwość zanieczyszczenia „czynnika transformującego” nieznaczną ilością DNA, wystarczającą do tego, aby wprowadzić ich w błąd. Dziś naukowcy są zgodni co do faktu, że eksperyment był pierwszym dowodem wskazującym, że kwasy nukleinowe są materiałem genetycznym, jednak w tamtym czasie nie wszyscy byli o tym w pełni przekonani, a wielu uważało, że zaobserwowany fenomen biologiczny dotyczy jedynie bakterii i ma za pewne niewiele wspólnego z genetyką organizmów eukariotycznych, a w szczególności z genetyką człowieka. Przełomowe znaczenie odkrycia procesu transformacji komórek bakteryjnych dodatkowo podkreśla fakt, że zjawisko to jest po dziś wykorzystywane jako standardowe narzędzie w biologii molekularnej, inżynierii genetycznej oraz w biotechnologii do dostarczania materiału genetycznego do wnętrza komórek poddawanych eksperymentom.
Ostatecznego dowodu dostarczyli w 1952 roku genetycy Alfred Hershey i Martha Chase w bardzo pomysłowych jak na tamte czasy eksperymentach przeprowadzonych podczas prac badawczych prowadzonych nad cyklem replikacyjnym bakteriofagów czyli wirusów infekujących komórki bakteryjne. Naukowcy wiedzieli o tym, że bakteriofagi namnażają się wewnątrz bakterii prowadząc ostatecznie do ich rozpadu i uwolnienia ogromnej ilości nowych bakteriofagów zdolnych do infekowania kolejnych komórek. Hershey i Chase w jednej z probówek wyznakowali białka wirusowe radioaktywnym izotopem siarki 35S (aminokwasy białkowe metionina i cysteina zawierają siarkę) natomiast DNA bakteriofagów w drugiej probówce zawierał radioaktywny izotop fosforu 32P (wiązania 3’5’-fosfodiestrowe w DNA zawierają atomy fosforu). W kolejnym etapie eksperymentu infekowano bakterie przy wykorzystaniu bakteriofagów znakowanych radioaktywnie i rozdzielano bakterie od wirusów poprzez siłę grawitacji w trakcie silnego wirowania mieszaniny zawierającej pożywkę wzrostową wraz z zawieszonymi w niej mikroorganizmami. Wirowanie powoduje, że cięższe bakterie trafiają do osadu (peletu) na dnie probówki, natomiast lżejsze fagi i ich fragmenty pozostają w górnej warstwie zwanej nadsączem bądź supernatantem. Rozdział zainfekowanych bakterii i wirusów zawierających otoczki białkowe znakowane radioaktywną siarką wykazał, że białka nie stanowią materiału genetycznego wnikającego do komórek bakterii gdyż większość radioaktywnego znacznika po wirowaniu probówek znajdowano w nadsączu zawierającym wirusy. Radioaktywny DNA, po zwirowaniu drugiej z probówek, zidentyfikowano natomiast w osadzie zawierającym zainfekowane bakterie. Na podstawie uzyskanych wyników eksperymentatorzy wywnioskowali, że DNA pełni istotną rolę w mechanizmie infekowania bakterii, jest on wstrzykiwany do wnętrza komórek i stanowi materiał dziedziczny niezbędny do zreplikowania bakteriofagów wewnątrz organizmów bakteryjnych, podczas gdy białkowa otoczka bakteriofaga pozostaje poza infekowaną komórką, a białka tym samym nie pełnią funkcji materiału genetycznego. To był przełom, na który świat nauki czekał od czasu odkrycia nukleiny przez Friedricha Mieschera blisko 100 lat wcześniej.
Równocześnie z rozwojem badań w obszarze genetyki biochemicy głowili się nad tym, w jaki sposób można połączyć właściwości genów z właściwościami znanych wówczas cząsteczek biologicznych. Zanim Hershey i Chase wykazali rolę DNA w przekazywaniu informacji genetycznej inny naukowiec, Archibald Garrod, na podstawie wyników uzyskanych podczas badania przyczyn występowania alkaptonurii wydedukował, że funkcją genu jest syntetyzowanie białek. Garrod rozpoczął badania w 1896 roku i niedługo po ponownym ożywieniu prac Grzegorza Mendla zauważył, że alkaptonuria jest dziedziczona w sposób odpowiadający wzorowi zaproponowanemu przez mnicha. Jak zobaczymy za chwilę, angielski lekarz dokonał podwójnego odkrycia: zidentyfikował przyczynę pierwszej znanej nauce choroby genetycznej i przy okazji tego niebanalnego odkrycia potwierdził istnienie dogmatu trwającego po dziś, który mówi o tym, że informacja na temat budowy białek jest zapisana w genach. Dziś wiadomo, że alkaptonuria jest rzadką chorobą związaną z defektem metabolicznym, polegającym na braku aktywności enzymatycznej białka kluczowego dla biochemicznych przemian aminokwasów aromatycznych: tyrozyny i fenyloalaniny. Garrod zauważył, że alkaptonuria jest chorobą monogenetyczną powodowaną przez gen recesywny, a nie powstającą w wyniku infekcji nieznanym mikroorganizmem. Badacz określił chorobę jako „wrodzoną wadę metaboliczną”. Charakterystyczną cechą obserwowaną u pacjentów dotkniętych tą chorobą jest ciemnienie moczu powodowane obecnością kwasu homogentyzynowego, będącego produktem pośrednim metabolizmu aminokwasów. U osób zdrowych związek ten podlega przemianom biochemicznym katalizowanym przez enzym dioksygenazę kwasu homogentyzynowego, brak tego białka u osób chorych blokuje natomiast szlak metaboliczny, co skutkuje akumulacją kwasu homogentyzynowego w moczu. Choć mechanizm molekularny wywołujący alkaptonurię opisany został dopiero w 1958 roku, a gen HGD zawierający informację niezbędną do biosyntezy dioksygenazy kwasu homogentyzynowego zidentyfikowano w roku 1995, to jednak spostrzeżenia Archibalda Garroda poczynione na początku XX wieku sugerowały już wtedy sposób, w jaki geny oraz ich mutacje mogą wpływać na biologię człowieka. To i wiele podobnych odkryć otworzyło nowe perspektywy dla medycyny i doprowadziło do zmiany postrzegania chorób przez człowieka. Choroby to problemy techniczne, a każdą wadę o naturze technicznej da się przecież rozwiązać, wymaga to jedynie znalezienia prawidłowego sposobu jej naprawy. Patrząc z perspektywy czasu odkrycie Garralda niosło jeszcze jedną niebywale istotną implikację dla współczesnej medycyny. Choroby metaboliczne o podłożu genetycznym trudno jest wyleczyć na poziomie mutacji genetycznej, można to jednak zrobić w sposób pośredni, niejako obchodząc system, poprzez dostarczenie do organizmu pacjenta odpowiedniego białka, zastępującego to, które jest wadliwe. Przykładowo pacjenci chorzy na hemofilię mogą otrzymywać enzym odpowiedzialny za krzepnięcie krwi w sytuacji gdy ich organizm nie potrafi go samodzielnie syntetyzować.
Hipotezę Garroda, mówiącą o tym, że geny kodują białka, potwierdzili w 1941 roku George Beadle (uczeń T. H. Morgana) oraz Edward Tatum przeprowadzając eksperymenty na pleśniaku Neurospora crassa należącym do gromady workowców (Ascomycota). Praca Garroda pozostała niezauważona przez współczesnych i dopiero wyniki badań pokazujące prosty związek między enzymami metabolicznymi i genami odpowiedzialnymi za ich syntezę rzuciły nowe światło na jego wcześniejsze osiągnięcia. Wyniki badań Beadle’a i Tatuma były kluczowe dla rozwoju nauk biomedycznych, gdyż doprowadziły do odkrycia zasady „jeden gen, jeden enzym”, która zakłada, że każdy z genów zawiera zakodowaną informację na temat syntezy pojedynczego białka – obecnie wiemy, że ta idea jest ogólnie rzecz biorąc nie do końca prawidłowa: geny mogą kodować białka nieenzymatyczne, jeden gen może kodować więcej niż jedno białko i może podlegać tzw. alternatywnemu składaniu nazywanemu splicingiem, gen może być też wyrażany w formie niekodującego RNA istotnego w potranskrypcyjnej regulacji ekspresji innych genów. Praca dwójki genetyków sprowadzała się do uzyskania serii mutantów metabolicznych Neurospora niezdolnych do wzrostu na pożywce pozbawionej wybranych aminokwasów – w tym celu spory były poddawane napromieniowaniu indukującemu mutacje w materiale genetycznym. Mutanty poddawano następnie kolejnym eksperymentom. Przykładowo grzyby w pożywce zubożonej w argininę nie rozwijały się prawidłowo, brak aminokwasu wiązał się bowiem z brakiem możliwości syntezy niezbędnych składników białkowych komórki. Naukowcy doszli do wniosku, że w mutantach uszkodzony był gen kodujący ważny enzym w szlaku metabolicznym prowadzącym do syntezy aminokwasu. Dopiero dostarczenie argininy do pożywki ratowało pleśniaka przed śmiercią.
W dużej mierze prace Garroda, Tatuma i Beadle’a przyczyniły się do tego, że obecnie możliwe są skuteczne terapie rzadkich chorób metabolicznych o podłożu genetycznym. Przykładowo pacjenci z chorobą Pompego wykazują niedobór alfa-glukozydazy – enzymu rozkładającego glikogen w kwaśnym środowisku lizosomu. W przypadku niedoboru enzymu glikogen podlega akumulacji w tkankach, a w szczególności w mięśniach, w tym w mięśniu sercowym doprowadzając do ciężkiej miopatii metabolicznej. Enzymatyczna terapia zastępcza dostarcza do komórek brakujący enzym i stosowana jest obecnie w leczeniu pacjentów cierpiących z powodu choroby Pompego. Inna choroba metaboliczna, zwana chorobą Fabry’ego, jest wywoływana niedoborem enzymu alfa-galaktozydazy A. W prawidłowo działających komórkach enzym ten rozkłada substancję tłuszczową zwaną globotriaozyloceramidem (Gb3). W przypadku braku tego enzymu Gb3 oraz jego pochodna gloobotriaozylsfingozyna (LysoGb3) podlegają akumulacji w lizosomach praktycznie wszystkich typów komórek organizmu prowadząc do choroby wieloukładowej z najpoważniejszymi skutkami klinicznymi obserwowanymi w sercu, nerkach i ośrodkowym układzie nerwowym. Terapia enzymatyczna pozwala dziś leczyć pacjentów z chorobą Fabry’ego.
Trzeba przyznać, że rozwój nauk biomedycznych w pierwszej połowie XX wieku był imponujący. Już na początku dwudziestego stulecia, w 1906 roku, William Bateson w trakcie konferencji naukowej poświęconej „hybrydyzacji i udoskonalaniu roślin” wystąpił z propozycją, aby dział zajmujący się zrozumieniem zmienności oraz dziedziczenia określić mianem genetyki. Propozycja została przyjęta w środowisku biologów, a kilka lat później, w celu unifikacji pojęć genetycznych, botanik Wilhelm Johanssen wprowadził pojęcia takie jak: gen, allel, fenotyp oraz genotyp. Już w latach 30-tych XX wieku, krótko po odkryciu przez Phoebusa Levene rybozy (rok 1909) i deoksyrybozy (1929), zaobserwowano różnice właściwości charakterystycznych dla DNA i RNA, jednak do momentu przedstawienia molekularnego modelu budowy DNA przyszło nauce poczekać aż do roku 1953. Olbrzymi wkład intelektualny w obszarze badań strukturalnych DNA należał do Maurice’a Willkinsa, który podczas prac w King’s College w Londynie, prowadził obserwacje kwasów nukleinowych w świetle spolaryzowanym i zauważył, że mają one strukturę równolegle ułożonych cząsteczek. Wyniki Willkinsa, a w szczególności pierwszy, otrzymany przez niego we współpracy z Raymondem Goslingiem, wzór rozpraszania promieni X na kryształach DNA, zainteresowały Jamesa Watsona do tego stopnia, że zdecydował się dołączyć do badań nad strukturą DNA. Ten sam temat wzbudził również ciekawość u badaczki Rosalind Franklin, która miała już w tym czasie spore doświadczenie w dziedzinie technik dyfraktometrycznych. Franklin w 1951 roku zaproponowała pierwszy model struktury DNA w postaci helikalnej zbudowanej z dwóch lub trzech nici. Z pracami duetu Watson-Crick, który ostatecznie rozwiązał zagadkę budowy DNA, związana jest bardzo ciekawa anegdota: szef ich laboratorium w Cambridge, Laurence Bragg, początkowo zabraniał im pracy nad molekularnym modelem DNA, gdyż w jego rozumieniu nietaktem było wchodzenie na poletko badawcze zarezerwowane już wcześniej przez badaczy z King’s College w Londynie. James Watson w laboratorium Bragga miał zajmować się tematyką dotyczącą wirusa mozaiki tytoniowej, a celem prac Francisa Cricka była najogólniej rzecz biorąc budowa białek. Młodzi i niepokorni badacze przyjęli ze skruszonymi minami zakaz poczyniony przez swojego szefa, jednak nie przeszkodziło im to w potajemnym kontynuowaniu swoich dociekań nad strukturą DNA. W dostrzeżeniu eleganckiej prostoty budowy DNA pomogły im prace Rosalind Franklin oraz obserwacje amerykańskiego badacza Erwina Chargaffa, który odkrył, że cztery zasady azotowe wchodzące w skład kwasu nukleinowego zawsze występują w DNA w takim samym stosunku ilościowym. Na podstawie prac eksperymentalnych Chargaffa Watson i Crick wydedukowali, że zasady azotowe tworzą pary w DNA: adenina tworzy parę z tyminą, guanina paruje się z cytozyną. O przełomowym opisie struktury molekularnej DNA dwudziestokilkuletni wówczas Watson i niewiele od niego starszy Crick poinformowali najpierw swój mikroświatek naukowy 28 lutego 1953 roku podczas najzwyklejszego lunchu w pubie Eagle w Cambridge. Publikacja wyników ich prac pojawiła się natomiast na łamach magazynu Nature 25 kwietnia 1953 roku równocześnie z doniesieniami Wilkinsa, Franklin i Goslinga – rozpoczęła się tym samym nowa era biologii molekularnej. Francis Crick, James Watson o Maurice Wilkins za swoje odkrycia otrzymali w 1962 roku Nagrodę Nobla. W tym odznaczeniu pominięta została Rosalind Franklin, która zmarła cztery lata wcześniej, w wieku zaledwie 37 lat, z powodu raka jajnika, po dwóch bezskutecznych operacjach mających powstrzymać rozwój choroby. Rosalind Franklin przyjaźniła się z Francisem Crickiem i jego żoną Odile, którzy byli dla niej mocnym wsparciem szczególnie w ostatnim okresie jej życia. Badaczka zmarła w ich domu, w Cambridge, gdzie przechodziła rekonwalescencję po zabiegu chirurgicznym.
W wyścigu o opisanie struktury DNA brał również udział uzdolniony amerykański chemik Linus Pauling, który miał już w tym czasie spore osiągnięcia na polu dotyczącym struktury białek. Zaproponował nawet w swój, nietrafiony, jak się później okazało, trójniciowy model strukturalny – pech Paulinga polegał na tym, że zbyt mocno udział się politycznie i został oskarżony w USA o sympatie komunistyczne, co doprowadziło do jego oskarżenia oraz do zatrzymania paszportu, uniemożliwiając tym samym podróż badacza do Cambridge i zobaczenie obrazów uzyskanych przez Franklin. Choć Pauling przegrał tym razem rywalizację o Nobla, to nic nie stanęło mu już na drodze, aby uzyskać to wybitne odznaczenie jeszcze dwukrotnie.
Prostota budowy formy B-DNA (znane są również inne, jak choćby A i Z) była zaskakująca, a jej chemiczne podstawy od samego początku odkrycia dały jasny sygnał, że niebawem zaistnieją możliwości eksperymentalnego modyfikowania sekwencji i struktury. Podwójna helisa DNA ma szerokość dwóch nanometrów, jest prawoskrętna, na jeden skręt przypada 10,5 pary zasad azotowych, co przekłada się na długość 3,4 nanometra, w jej strukturze można wyróżnić tak zwany mały i duży rowek. Cząsteczkę DNA często obrazuje się w formie drabinki, jednak znaczenie lepiej budowę kwasu nukleinowego opisuje analogia do stosu monet, ponieważ pary zasad pozostają w ścisłym kontakcie przez oddziaływania warstwowe, które stabilizują dwuniciową helisę. Końce DNA wykazują polaryzację, na każdym z końców 5’ nić posiada fosforan, natomiast na końcu 3’ zlokalizowana jest grupa hydroksylowa. DNA jest polimerem, zbudowanym z ukierunkowanego rusztowania cukrowo-fosforanowego, w którym do każdego cukru pentozowego w pozycji 1’ przyłączona jest zasada azotowa. Cukry w tym rusztowaniu połączone są za pośrednictwem fosforanu umieszczonego pomiędzy pozycją 5’ jednego cukru i 3’ następnego tworząc wiązanie nazywane 3’5’-fosfodiestrowym. Jednostką powtarzającą się w DNA jest tzw. nukleotyd, który jest zbudowany z cukru, zasady azotowej i fosforanu. W przeciwnie zorientowanych łańcuchach DNA poszczególne zasady azotowe tworzą ze sobą pary, które połączone są termodynamicznie stabilnymi wiązaniami wodorowymi, przy czym adenina i tymina łączą się za pośrednictwem dwóch takich wiązań, natomiast cytozyna i guanina parują za pośrednictwem trzech wiązań wodorowych.
Model strukturalny DNA sugerował w pewien sposób mechanizm replikacji, czyli powielania DNA w jądrze komórkowym. Główny problem stanowiła jednak sama topologia cząsteczki, a jej rozplatanie w komórce wydawało się dla wielu badaczy, w tym Maxa Delbrucka, wręcz niewykonalne. W rozwikłaniu podstaw procesu replikacji przełomowym okazał się eksperyment, w którym Matt Meselson (były student Paulinga) i Frank Stahl dowiedli semikonserwatywnego podłoża mechanizmu kopiowania DNA. Badacze wykorzystali technikę wirowania różnicowego w gradiencie stężenia chlorku cezu – technika ta pozwalała na uporządkowanie cząsteczek minimalnie różniących się ciężarem pod wpływem siły odśrodkowej, która powoduje, że po wirowaniu cząsteczki cięższe znajdują się bliżej dna probówki niż cząsteczki z natury lżejsze, wędrujące w gradiencie ku górze. Najpierw hodowali bakterie na pożywce zawierającej ciężki izotop azotu 15N, który podczas wzrostu bakterii wbudowywał się do obu nici DNA – atomy azotu są obecne w purynach i pirymidynach wchodzących w skład podwójnej helisy. W kolejnym etapie eksperymentu Meselson i Stahl pobierali część kultury bakteryjnej wzrastającej w pożywce z 15N i przenosili ją do pożywki zawierającej nieradioaktywny azot 14N, aby bakterie w kolejnej rundzie replikacji wykorzystywały ten lekki azot do syntezy nowych nici DNA. Zastosowana procedura potwierdziła model semikonserwatywny zakładający, że podczas replikacji kwas nukleinowy jest rozplatany, a jedna z nici DNA, tzw. nić matrycowa, stanowi wzór do syntezy drugiej nici de novo. W probówkach po zwirowaniu obserwowano lokalizację DNA na różnych poziomach: DNA zawierający tylko ciężki azot znajdował się na dnie probówki, DNA będący hybrydą nici lekkich i ciężkich po pierwszej rundzie replikacji lokalizowany był nieco wyżej, natomiast lekkie łańcuchy DNA występowały najbliżej otworu probówki, a ich ilość zwiększała się po każdej rundzie kopiowania materiału genetycznego. Problem rozplatania nici DNA zrozumiano nieco później przy odkryciu tzw. helikaz i topoizomeraz – białek, które uczestniczą w replikacji. Helikazy rozplatają DNA w tym procesie, topoizomerazy niwelują natomiast napięcia torsyjne powstające podczas rozplatania i prowadzą do relaksacji DNA. Wyjaśnienie mechanizmu replikacji stanowiło kolejny przełom w odkrywaniu zasad rządzących przekazywaniem informacji genetycznej w komórkach i doprowadziło ostatecznie do wynalezienia wielu leków. Niektóre terapie stosowane w leczeniu nowotworów polegają na wykorzystaniu inhibitorów topoizomerazy w charakterze cytostatyków: w taki sposób działają topotekan i irynotekan. Arabinozyd cytydyny czyli cytarabina oraz mitomycyna również zatrzymują podziały komórek nowotworowych poprzez blokowanie syntezy DNA.
Szczegółami mechanizmu replikacji DNA interesowano się także w pracowni Arthura Kornberga z Washington University w St. Luis. Kornberg stał się ojcem enzymologii DNA po tym, jak dokonał odkrycia polimerazy DNA – enzymu łączącego składniki DNA i tworzącego wiązania 3’5’-fosfodiestrowe wchodzące w skład szkieletu cząsteczki życia. Odkrycia Kornberga zostały docenione natychmiast, a badacz został uhonorowany Nagrodą Nobla w dziedzinie fizjologii i medycyny w roku 1959. Jego odkrycia przyczyniły się również do opracowania technik biologii molekularnej, które są rutynowo wykorzystywane w laboratoriach po dziś – bez wkładu Kornberga trudno wyobrazić sobie opracowanie metody reakcji łańcuchowej polimerazy (PCR) czy technologii enzymatycznego sekwencjonowania DNA.
Od momentu pierwszych odkryć dotyczących mechanizmu replikacji biologowie poczynili wiele starań zmierzających do szczegółowego opisania tego fenomenu. Obecnie znanych jest przynajmniej 13 różnych polimeraz DNA, które są wyspecjalizowane w wybranych aspektach syntezy i naprawy DNA. Oprócz białek o aktywności helikazy i topoizomerazy odkryto dodatkowe elementy maszynerii replikacyjnej takie jak: prymaza, która jest odpowiedzialna za syntezę krótkich fragmentów kwasu nukleinowego na początku replikacji, białko SSB stabilizujące strukturę DNA w tym procesie, ligaza, która łączy zreplikowane fragmenty DNA. Zwróć uwagę, że DNA ma strukturę antyrównoległą, natomiast polimeraza DNA ma zdolność syntezy tylko w jednym kierunku od końca 5’ do końca 3’. W obecnym modelu replikacji jedną z nici określa się mianem nici prowadzącej, druga z nici nazywana jest nicią opóźnioną. Antyrównoległość helisy wymusza istotne różnice w procesie syntezy nowego DNA na każdej z tych nici. Replikacja na nici prowadzącej przebiega w sposób ciągły, natomiast druga nić kopiowana jest krótkimi fragmentami, które od nazwiska japońskiego odkrywcy tego skokowego mechanizmu syntezy zostały nazwane fragmentami Okazaki. Co ciekawe, liniowe końce chromosomów przy każdej rundzie replikacji ulegają niewielkiemu skróceniu, które jest wynikiem różnic w syntezie nici prowadzącej i opóźnionej. Takie skracanie materiału genetycznego prowadzi ostatecznie do ograniczenia możliwości replikacji starzejących się komórek. W 1962 roku Leonard Hyflick zaobserwował, że komórka przechodzi jedynie ograniczoną ilość podziałów, po czym traci tę zdolność – punkt, w którym komórki tracą możliwość dalszych podziałów nazywany jest limitem Hyflicka. Obecnie uważa się, że zatrzymanie podziałów związane jest bezpośrednio ze skracaniem się chromosomów w trakcie kolejnych rund replikacji i zabezpiecza organizm przed niebezpieczną utratą materiału genetycznego. W trakcie ewolucji komórki wypracowały jednak mechanizm przeciwdziałania skracaniu się chromosomów poprzez dodawanie do ich końców tzw. telomerów, które są zbudowane z wielu powtórzeń stałej sekwencji kilku nukleotydów – sekwencja ta została zakonserwowana ewolucyjnie od drożdży, poprzez orzęski, po rośliny wyższe i ssaki. Telomery człowieka są dobudowywane przez kompleks rybonukleoproteinowy (składa się z białka oraz kwasu rybonukleinowego) nazywany telomerazą i składają się z kilku tysięcy powtórzeń sekwencji GGTTAG. Telomeraza znalazła się w szczególnym polu uwagi biologów molekularnych z racji tego, że zaburzenia jej funkcjonowania mają swoje implikacje w procesach starzenia oraz w nowotworzeniu. Większość somatycznych komórek człowieka wytwarza zbyt mało telomerazy, aby utrzymać prawidłową długość telomerów po wielu cyklach replikacji chromosomów, a utrata telomerów może doprowadzać do niebezpiecznej fuzji końców chromosomów, wzmaga procesy związane ze zmiennością rekombinacyjną i prowadzi do uruchomienia apoptozy czyli programowanej śmierci komórki. Z kolei komórki nowotworowe charakteryzują się wzmożoną aktywnością telomerazy, co w połączeniu z deregulacją cyklu komórkowego, pozwala im na niekontrolowaną proliferację.
Podczas starzenia się organizmu dochodzi w komórkach do zmian struktury oraz do zaburzeń funkcji telomerów człowieka, co ma z kolei istotne implikacje dla stanu zdrowia, a właściwie do jego osłabienia. Niestabilność genomu spowodowana skracaniem się sekwencji telomerowych, z których w każdej rundzie replikacji znika około 50 – 150 pz, przyczynia się częstszego występowania nowotworów. Dyskeratoza wrodzona recesywna, związana z chromosomem X oraz dyskeratoza wrodzona, dominująca, autosomalna to znane medycynie zespoły przedwczesnego starzenia mające podłoże genetyczne. Zmniejszona aktywność telomerazy u pacjentów dotkniętych tymi chorobami wywołuje uszkodzenia wielonarządowe, takie jak, marskość wątroby, fibroza płuc, hipogonadyzm, postępująca niewydolność szpiku kostnego, a dodatkowo objawia się nadmiernym rogowaceniem i zanikiem skóry dłoni i stóp, zaburzeniami budowy płytek paznokciowych oraz przebarwieniami błon śluzowych i leukoplakią. Dyskeratoza jest bardzo rzadką chorobą, występującą u jednej osoby na milion, manifestującą się zazwyczaj przed 50-tym rokiem życia. Jak najpełniejsze zrozumienie roli telomerazy w patogenezie molekularnej chorób ma zatem zasadnicze znaczenie dla diagnostyki, poradnictwa genetycznego oraz dla postępowania z osobami chorymi. Na całym świecie prowadzone są obecnie badania kliniczne będące w różnych fazach zaawansowania prac zmierzających do stworzenia nowoczesnych leków działających w mechanizmach molekularnych związanych z funkcjonowaniem ludzkiej telomerazy. Na stronie internetowej clinicaltrials.gov, pod egidą National Institute of Health, można znaleźć informacje na temat ponad 60 badań klinicznych w tym obszarze, a spektrum wskazań i obszarów terapeutycznych jest imponujące. Włóknienie płuc, ostra białaczka mieloblastyczna, choroba Alzhmimera, czerniak, rak płuca, rak pęcherza to tylko wybrane przykłady chorób, które niebawem będą leczone przy użyciu nowych terapii, których mechanizmy działania są oparte na wiedzy dotyczącej funkcjonowania telomerazy. Przykładem jest telomelizyna, adenowirus onkolityczny posiadający zdolność do replikacji jedynie w komórkach nowotworowych i prowadzący do ich lizy. Selektywność działania powoduje, że leczenie wirusami onkolitycznymi jest korzystniejsze niż inne metody stosowane w kuracji onkologicznej, a zwłaszcza mało selektywna konwencjonalna terapia przeciwnowotworowa. Telomelizyna, opracowana przez firmę Oncolys BioPharma, jest onkolitycznym adenowirusem serotypu 5 ze zmodyfikowanym materiałem genetycznym, który selektywnie replikuje się w komórkach nowotworowych poprzez wprowadzenie do wirusa sekwencji promotora genu ludzkiej odwrotnej transkryptazy wchodzącej w skład telomerazy (hTERT). Podczas aktywacji promotora (hTERT) cały aparat komórkowy zmuszony jest do syntezy przede wszystkim białek wirusowych, co prowadzi do onkolitycznej śmierci komórek. Adenowirus onkolityczny ma duży potencjał w immunoterapii raka, ponieważ jego replikacja jest wysoce immunogenna, a onkoliza indukowana przez taki wirus uwalnia antygen nowotworowy i dostarcza układowi odpornościowemu stymulujących sygnałów o niebezpieczeństwie. Wiedza na temat funkcjonowania ludzkiej telomerazy znajduje również zastosowanie w opracowywaniu nowatorskich metod diagnostyki onkologicznej. OBP-401 lub TelomeScan to genetycznie zmodyfikowany adenowirus typu 5 do wykrywania komórek nowotworowych. TelomeScan ma sekwencję promotora ludzkiego genu odwrotnej transkryptazy telomerazy (hTERT) w regionie powyżej genu wirusa E1, który jest odpowiedzialny za replikację adenowirusa, oraz gen zielonego białka fluorescencyjnego (GFP) w regionie E3 pod kontrolą promotora cytomegalowirusa. hTERT jest krytycznym składnikiem białkowym kompleksu enzymatycznego telomerazy, a jego ekspresja jest normalnie ograniczona w komórkach linii zarodkowej lub kilku komórkach macierzystych, w tym hematopoetycznych komórkach macierzystych. Komórki rakowe mają zasadniczo unieśmiertelniony charakter i wykazują silną aktywność telomerazy. Zatem OBP-401 może replikować się tylko w komórkach wykazujących aktywność telomerazy, takich jak komórki rakowe, poprzez zależną od aktywności promotora hTERT ekspresję genu E1/E2, ale nie w normalnych komórkach ujemnych pod względem aktywności telomerazy. Wraz ze wzrostem replikacji wirusa, jednocześnie wyrażany GFP gromadzi się w komórkach hTERT-dodatnich. Wykorzystując OBP-401 ex vivo, można wykryć żywe krążące komórki nowotworowe (CTC) we krwi pacjentów z rakiem z wysoką czułością i swoistością. Wykrywanie CTC byłoby w stanie zaoferować narzędzie do wczesnego wykrywania raka, monitorowania skuteczności terapeutycznej, monitorowania nawrotów guza i doboru odpowiedniej terapii dla pacjentów.
Już na początku XX wieku, za sprawą odkryć Franza Hofmeistera i Emila Fishera, wiadomym było, że białka są zbudowane z aminokwasów ułożonych w sekwencję o charakterze liniowym. Pytaniem otwartym przez wiele lat pozostawała kwestia mechanizmu molekularnego, który pozwala na syntezę białek w komórkach. Odkrycie struktury DNA oraz wiedza o chemicznej jego naturze w połączeniu z informacją, że kwas nukleinowy jest polimerem o konkretnej sekwencji wyznaczanej poprzez nukleotydy zbliżała świat nauki do wyjaśnienia jednej z największych tajemnic dotyczących życia. Francis Crick szybko uzmysłowił sobie, że sekwencja DNA najprawdopodobniej zawiera zakodowaną informację na temat składu aminokwasowego białek syntetyzowanych w komórkach żywych organizmów, a kod genetyczny DNA stanowi zbiór reguł umożliwiających tłumaczenie języka genów na język białek. Już w roku 1954 fizyk George Gamow założył elitarne towarzystwo naukowe zrzeszające w swych szeregach samych geniuszy, którzy za cel postawili sobie pełną rekonstrukcję kodu genetycznego. Towarzystwo składało się z dwudziestu osób i zostało nazwane „RNA Tie Club” – każdy z członków nosił krawat symbolizujący jeden z aminokwasów białkowych. W tamtym czasie rola cząsteczek RNA w biochemicznej zagadce życia nie była jeszcze całkiem jasna. Przypuszczano, że informacja genetyczna zawarta w DNA ulega przepisywaniu na komplementarne sekwencje w postaci kwasu rybonukleinowego, RNA, stanowiącego swoisty łącznik pomiędzy DNA i ostatecznym produktem białkowym. Bardzo istotnym było odkrycie Mahlona Hoaglanda i Paula Zamecnika, którzy w 1958 roku wykazali eksperymentalnie, że aminokwasy znakowane radioaktywnie wiążą się z RNA przed ich włączeniem do łańcuchów białkowych, co sugerowało, że RNA jest w jakiś sposób zaangażowany w transfer aminokwasów. Dla badaczy była to niebywale istotna wskazówka, pokazująca że kluczowych odpowiedzi w obszarze pytań dotyczących syntezy białek należy faktycznie poszukiwać w świecie RNA. Już w roku 1961 dwójka badaczy, Francis Jacob i Jacques Monod, udowodniła poprzez prace zmierzające do charakterystyki funkcjonalnej operonu laktozowego bakterii Escherichia coli, że w DNA istnieją specyficzne włączniki transkrypcji, które prowadzą do uruchomienia syntezy cząsteczek RNA będących pośrednikami w produkcji białek. Eksperymenty przeprowadzane w laboratoriach badawczych Francis Jacoba, Jamesa Watsona, Sydneya Brennera, Charlesa Kurlanda i Francoisa Grosa wykazały ostatecznie rolę informacyjnej cząsteczki RNA (ang. mRNA – messanger RNA) w procesie biosyntezy białek, a niedługo potem biochemik Robert Holley zidentyfikował tajemniczą cząsteczkę RNA, która swoim kształtem przypominała liść koniczyny i uczestniczyła w tłumaczeniu informacji zawartej w mRNA na sekwencję aminokwasową białek. Cząsteczkę RNA odkrytą przez Holley’a nazwano transferowym albo transportującym RNA (ang. tRNA – transfer RNA) albowiem faktycznie brała ona udział w transferze aminokwasów białkowych niezbędnych do syntezy peptydów w procesie nazywanym translacją.
Literatura:
James D. Watson, DNA tajemnica życia, Wydawnictwo CiS, Wydawnictwo W.A.B., Warszawa 2005
Hiperbaryczna terapia tlenowa (HBOT) otwiera przed nami fascynujący rozdział w medycynie wspomagając drogę do długowieczności. Ta innowacyjna metoda, szeroko stosowana w różnych wskazaniach medycznych (stopa cukrzycowa, uszkodzenia radiacyjne, oparzenia, trudno gojące się rany, zgorzel gazowa, wsparcie po zabiegach stomatologicznych i chirurgicznych, COVID-19 i inne), potwierdzona przez liczne badania na całym świecie, polega na dostarczaniu tlenu pod wysokim ciśnieniem, w specjalnie zaprojektowanej komorze hiperbarycznej, w której panują warunki powyżej dwóch atmosfer – 2 ATA (aby zastosowanie HBOT było rzeczywistą procedurą medyczną jest to warunek niezbędny). Podczas terapii HBOT, tlen transportowany jest w płynach ciała, docierając nawet do tych komórek, dla których jego podaż w naturalnych warunkach jest ograniczona. To otwiera nowe pole możliwości w regeneracji całego organizmu. Dzięki HBOT, możemy obserwować nie tylko szybszą regenerację tkanek po urazach czy operacjach, ale także znaczące postępy w leczeniu przewlekłych stanów, takich jak trudno gojące się rany, czy nawet w walce z niektórymi chorobami neurologicznymi. To, co kiedyś wydawało się niemożliwe, teraz staje się osiągalne dla niemal każdego, kto świadomie dba o zdrowie. HBOT to terapia, która już teraz zmienia oblicze medycyny regeneracyjnej. W ostatnim czasie narosło wiele nadziei wokół hiperbarycznej terapii tlenowej (HBOT) jako nowatorskiego sposobu na spowolnienie procesu starzenia. Mimo że przez lata panowało przekonanie, iż nadmiar tlenu może przyspieszać starzenie, najnowsze badania pokazują, że odpowiednio stosowana HBOT, z dala od progu toksyczności, otwiera nowe horyzonty w walce z upływem czasu. Nasze głębsze, mechanistyczne zrozumienie tej terapii, rozwijane przez lata badań, rzuca światło na jej zdumiewający potencjał w odmładzaniu organizmu.
Interesujące jest to, że cele terapeutyczne HBOT zaskakująco dobrze korelują z wyzwaniami, jakie niesie ze sobą starzenie się i choroby wieku podeszłego. To, co kiedyś wydawało się niemożliwe, dziś staje się rzeczywistością dzięki postępom w medycynie. Zarówno wstępne badania przedkliniczne, jak i pilotażowe badania kliniczne na ograniczonych grupach pacjentów, dostarczyły obiecujących dowodów na to, że HBOT może być skutecznym narzędziem w naszym arsenale przeciwko oznakom starzenia. Ta perspektywa otwiera przed nami ekscytujące możliwości – wyobraź sobie świat, w którym możemy zachować młodość i witalność na dłużej, dzięki bezpiecznemu i skutecznemu wykorzystaniu tlenu. Terapia HBOT, stosowana z rozwagą i według ścisłych protokołów, może nie tylko odmłodzić nasze ciała, ale także znacząco poprawić jakość życia w starszym wieku. Szczególnie w kontekście funkcji seksualnych u starzejących się mężczyzn – HBOT była z powodzeniem zastosowana w leczeniu zaburzeń erekcji. HBOT może indukować angiogenezę i poprawiać funkcje seksualne u mężczyzn cierpiących na zaburzenia wzwodu. HBOT odwraca zmiany miażdżycowe i zmniejszone ukrwienie prącia, odpowiedzialne za większość przypadków dysfunkcji erekcyjnej. U pacjentów poddawanych HBOT stwierdzono ponadto zwiększoną mobilizację progenitorowych komórek macierzystych (SPCs – stem progenitor cells). Najnowsze badania kliniczne dotyczące ofiar udaru i urazów mózgu (TBI) cierpiących na przewlekłe uszkodzenia neurologiczne przedstawiają dowody na to, że hiperbaryczna terapia tlenowa (HBOT) może indukować neuroplastyczność. Klinicznie, HBOT spowodowała znaczącą poprawę w pamięci, szybkości przetwarzania informacji oraz ogólnych wyników poznawczych. Encefalopatia występująca z opóźnieniem (DE – delayed encephalopathy) jest najcięższym powikłaniem po ostrym zatruciu tlenkiem węgla (CO), które poważnie wpływa na wynik leczenia pacjentów i prowadzi do wysokiej stopy niepełnosprawności. Zastosowanie HBOT ma istotne i udowodnione znaczenie w poprawie funkcji poznawczych pacjentów z opóźnioną encefalopatią – odbywa się to na drodze nasilonej mobilizacji krążących komórek macierzystych. Wykazano, że komórki CD34+/CD90+ i CD34+/CD133+ są mobilizowane przez ekspozycję na HBOT i odgrywają pozytywną rolę w poprawie funkcji poznawczych pacjentów poprzez nasiloną ekspresję neurotroficznego czynnika mózgowego (BDNF), nestyny i SYP (synaptofizna). Rośnie także liczba dowodów naukowych wspierających ideę stosowania zabiegów tlenoterapii hiperbarycznej przez sportowców w celu szybszej regeneracji oraz poprawy osiąganych wyników – warto też wspomnieć, że Światowa Organizacja Antydopingowa (WADA) dopuszcza stosowanie takich interwencji wśród zawodowych sportowców.
Zanurz się w świecie hiperbarycznej terapii tlenowej (HBOT) – przełomowej metody, która przenosi Cię w przestrzeń, gdzie czysty tlen otula Twoje ciało, działając bardzo korzystnie w regeneracji i leczeniu organizmu. Wyobraź sobie, że wdychasz życiodajną energię w komorze pełnej czystego tlenu pod zwiększonym ciśnieniem, by stawić czoła wyzwaniom zdrowotnym takim jak regeneracja organizmu, poprawa nastroju czy poprawa działania metabolicznego.
Przedstawiam pięć kroków ku pełnej regeneracji z użyciem HBOT:
Dialog z ekspertem: Nim zaczniesz przygodę z HBOT porozmawiaj z lekarzem, by upewnić się, że ta podróż jest dla Ciebie. Nie każdy może się w nią udać – kluczem jest indywidualne dopasowanie terapii do Twoich potrzeb zdrowotnych.
Wybór bazy tlenowej: Znajdź centrum terapii HBOT, które nie tylko posiada odpowiednie certyfikaty, ale także zna się na rzeczy jak nikt inny. Sprawdź, czy ich ekipa ma doświadczenie w podobnych misjach zdrowotnych i czy ich sprzęt jest na najwyższym poziomie bezpieczeństwa i skuteczności. Warto zapoznać się z opiniami klientów. Pamiętaj, że warunki panujące w komorze mają znaczenie. Zastosowanie HBOT w warunkach 2ATA i przy użyciu 100% (certyfikowany gaz medyczny) zwiększa rozpuszczalność tlenu w osoczu aż 14 razy (komory miękkie, operujące w warunkach 1.3-1.5 ATA nie dają takich możliwości). Odwiedź stronę kliniki BAROMEDICAL: https://baromedical.pl/ .
Przygotowanie do startu: Zanim zanurzysz się w terapii tlenowej, zrezygnuj z alkoholu i nikotyny, które mogą zakłócić Twoją misję. Upewnij się, że jesteś wypoczęty i zrelaksowany – Twój umysł i ciało powinny być gotowe na przyjęcie tlenowej esencji.
Misja obserwacyjna: Podczas Twojej tlenowej podróży śledź, jak reaguje Twoje ciało. W razie potrzeby, zgłoś swoje odczucia załodze – mogą oni dostosować dawkę tlenu lub czas trwania sesji, by zapewnić Ci jak najlepsze warunki do regeneracji.
Podtrzymanie kursu: Nie zapominaj o zdrowym trybie życia. Zbilansowana dieta, regularna aktywność fizyczna i odpowiednia ilość snu to Twój codzienny zestaw narzędzi do budowania silniejszego, zdrowszego Ja. Korzystaj z terapii tlenowej z rozwagą i powtarzaj sesje w sposób regularny.
Pamiętaj, hiperbaryczna terapia tlenowa to tylko jeden z elementów na mapie Twojego zdrowia. W tandemie z tradycyjnymi metodami leczenia i pod bacznym okiem specjalistów, HBOT może być Twoim sprzymierzeńcem w dążeniu do pełni zdrowia, witalności i długowieczności.
Literatura:
Hyperbaric oxygen therapy for healthy aging: From mechanisms to therapeutics. Redox Biol. 2022 Jul:53:102352. doi: 10.1016/j.redox.2022.102352
Hyperbaric oxygen therapy induces transcriptome changes inelderly: a prospective trial. Aging (Albany NY) 2021 Nov 24;13(22):24511-24523. doi: 10.18632/aging.203709
Hyperbaric oxygen therapy mobilized circulating stem cells and improved delayed encephalopathy after acute carbon monoxide poisoning with up-regulation of brain-derived neurotrophic factor. Am J Emerg Med. 2021 Apr:42:95-100. doi: 10.1016/j.ajem.2021.01.021
Hyperbaric air mobilizes stem cells in humans; a new perspective on the hormetic dose curve. Front Neurol. 2023 Jun 20:14:1192793. doi: 10.3389/fneur.2023.1192793
Hyperbaric Oxygen Therapy Can Induce Angiogenesis and Regeneration of Nerve Fibers in Traumatic Brain Injury Patients. Front Hum Neurosci. 2017 Oct 19:11:508. doi: 10.3389/fnhum.2017.00508
Hyperbaric oxygen can induce angiogenesis and recover erectile function. Int J Impot Res. 2018 Nov;30(6):292-299. doi: 10.1038/s41443-018-0023-9
Wydłużenie czasu życia związane jest w dużej mierze z rozwojem nowoczesnych metod leczenia. Rozwój innowacyjnych terapii nie byłby możliwy do osiągnięcia bez rozwoju metod eksperymentalnej oceny bezpieczeństwa i skuteczności leków czyli bez rozwoju badań klinicznych. Widoczny rozwój badań klinicznych przyszedł z początkiem Medycyny Opartej na Dowodach Naukowych (ang. EBM – Evidence Dased Medicine), która stoi na przeciwległym biegunie w stosunku do podejścia stosowanego wcześniej – Medycyny Opartej na Autorytetach (ang. Eminence Based Medicine). Rozkwit badań klinicznych wiązał się z powszechnym wprowadzeniem metod statystycznych, ustaleniem standardów terapii i oceną wiarygodności danych. W kontekście historycznym to perski lekarz Avicenna, który prowadził działalność na obszarze Azji Mniejszej, ustanowił i wprowadził jako pierwszy zasady eksperymentalnego stosowania leków – był rok 1020, co ciekawe, do dziś, choć w zmodyfikowanej formie, są one podstawą współczesnych badań klinicznych. Pierwszy zachowany opis eksperymentalnego porównania skuteczności leczenia pochodzi z roku 1537, kiedy Ambroise Pare porównał dwie metody leczenia otwartych ran. Dotychczas stosowna metoda polegała na polewaniu ran wrzącym olejem. Pare porównał tę niezbyt humanitarną metodę leczenia z terapią przy zastosowaniu mieszaniny olejku różanego, żółtka jaja kurzego i terpentyny, a zastosowana metoda okazała się przynosić lepsze rezultaty w porównaniu z przerażającym polewaniem pacjenta wrzącym olejem – rany goiły się lepiej.
Od tego czasu badania kliniczne zmieniły się w sposób diametralny. W roku 1906 uchwalono w USA ustawę, która zobowiązywała firmy wytwarzające leki do przestrzegania standardów stężenia substancji czynnych oraz czystości leku, dodatkowo wprowadzono obowiązek podawania listy składników produktu leczniczego – ustawa, o której mowa to Pure Food and Drugs Act. Potrzeba było kolejnych 6 lat, aby w roku 1912 ustanowić prawny zakaz zamieszczania na opakowaniach nieprawdziwych i wprowadzających w błąd potencjalnego pacjenta wskazań do stosowania leku. Historia rozwoju badań nad lekami w początkach wyglądała na metodę prób i błędów. Producenci leków do 1938 roku nie mieli obowiązku zaprezentowania dowodów wskazujących na bezpieczeństwo nowej substancji przed jej wprowadzeniem na rynek. Sytuacja ta zmieniła się po wprowadzeniu ustawy Food, Drug and Cosmetic Act, która była zapewne następstwem tragicznych wydarzeń z roku 1937, kiedy to wprowadzenie na rynek przez firmę S. E. Massengill pediatrycznej formy leku przeciwbakteryjnego zawierającego sufanilamid rozpuszczony w glikolu etylenowym, który wykazuje silne działanie toksyczne dla organizmu człowieka, skutkowało 105 udokumentowanymi zgonami. Wprowadzając syrop dla dzieci, o smaku uwielbianych przez maluchy malin, producent nie złamał żadnego prawa – nie było wówczas obowiązku udowodnienia bezpieczeństwa leku przed jego zastosowaniem w szerokiej populacji. Historia zna więcej przypadków, w których leki przyniosły tragiczne skutki z ich stosowania. Talidomid, opracowany w 1953 roku w Republice Federalnej Niemiec przez chemików z Chemie Grünenthal, okazał się teratogenem (substancja powodująca deformoacje w rozwoju płodowym) powodował wady rozwoju kończyn (fokomelia) i narządów wewnętrznych u noworodków, których matki stosowały lek aby uniknąć zmian nastroju i porannych wymiotów w czasie ciąży. Talidomid otrzymywano jako mieszaninę zawierającą w równej ilości enancjomery (cząsteczki chemiczne, które stanowią swoje lustrzane odbicie, przez co nie nakładają się na siebie wzajemnie) o konfiguracji R i S (taka mieszanina nazywana jest przez chemików racematem). Na całe nieszczęście tylko talidomid w formie enancjomerycznej o konfiguracji absolutnej R wykazywał działanie lecznicze, lustrzanie odbicie tej cząsteczki było natomiast związkiem teratogennym i przyczyną nieodwracalnych deformacji płodu. Ceriwastatyna wprowadzona na rynek przez koncern Bayer pod nazwami produktowymi Lipobay oraz Baycol została wycofana z użycia z powodu wywoływanej przez lek rabdomiolizy – rozpadu tkanki mięśniowej poprzecznie prążkowanej. Natalizumab, produkowany przez firmę biotechnologiczną Biogen, został wycofany z użycia po tym, jak zaobserwowano, że lek prowadzi do uaktywnienia latentnego zakażenia (uśpionego zakażenia, podczas którego materiał genetyczny wirusa przebywa w komórce, jednak nie dochodzi do składania potomnych cząsteczek wirusa) wirusem JC w ośrodkowym układzie nerwowym – lek, stosowany w leczeniu stwardnienia rozsianego, wywoływał postępującą, wieloogniskową leukoencefalopatię (ang. PML – progressive multifocal leukoencephalopathy, rzadka choroba wirusowa, charakteryzująca się wieloogniskową demielinizacją komórek istoty białej mózgowia, często śmiertelna). Dodam, że natalizumab jest ponownie dostępny na rynku i wskazany w leczeniu stwardnienia rozsianego.
Globalny rynek badań klinicznych wycenia się na około 80 miliardów USD rocznie. Obecnie obowiązujące prawo farmaceutyczne, zasady dobrej Dobrej Praktyki Klinicznej (ang. GCP – good clinical practice), akty prawne obowiązujące na poziomie Wspólnoty Europejskiej, normy ustalone w wyniku prac Międzynarodowej Konferencji Harmonizacji Wymogów Technicznych dla Rejestracji Farmaceutyków, które doprowadziły do powstania w 1996 Trójstronnych Wytycznych Dobrej Praktyki Klinicznej – ICH GCP, działalność organów takich jak FDA (ang. Food and Drug Administration) oraz EMA (ang. European Medicines Agency) mają stanowić sito, które w przyszłości nie pozwoli na zaistnienie tragicznych błędów, które miały miejsce w przeszłości. Czy sito jest szczelne oraz czy uda się takich błędów uniknąć? Pytanie pozostaje otwarte. Pewną alternatywę dla badań na żywym organizmie stanowi technologia organ-on-a-chip (firmy Mimetas), opierająca się o użycie wielokanałowego, trójwymiarowego, mikroprzepływowego chipu dedykowanego do laboratoryjnej hodowli komórek i badania wpływu leków. Technologia ta symuluje mechanikę, biochemię i odpowiedź fizjologiczną całych narządów i układów narządów wystawionych na działanie leku – przyznacie, że to ciekawa opcja.
Pomimo skokowego rozwoju nauk biomedycznych, zaangażowania sztucznej inteligencji i skomplikowanych algorytmów bioinformatycznych w rozwoju precyzyjnej medycyny spersonalizowanej, mimo poświęcenia lekarzy, pracy biologów w laboratoriach na całym świecie, nadal istnieją obszary, z którymi człowiek nie potrafi sobie poradzić w sposób satysfakcjonujący. Przykładem jest brak możliwości syntetycznej produkcji ludzkiej tkanki łącznej, płynnej czyli krwi – substancji cenniejszej od złota i ropy. Na świecie działa blisko 14 000 stacji krwiodawstwa i krwiolecznictwa, są one obecne w 176 krajach rozsianych na całej powierzchni naszego globu i pozyskują około 110 milionów donacji rocznie. W samych tylko Stanach Zjednoczonych pacjenci potrzebujący krwi do ratowania życia otrzymują 16 milionów jednostek w ciągu roku, a według szacunkowych obliczeń co 3 sekundy jakiś człowiek na świecie otrzymuje jednostkę cudzej krwi – prawdziwy honorowy dar prosto z serca dawcy, oddawany przez honorowych krwiodawców za darmo, choć rynek handlu tą bezcenną substancją wyceniany jest na ponad 250 miliardów USD.
Literatura:
Badania kliniczne, wydawnictwo CeDeWu Sp. z o. o. 2016
A high-throughput gut-on-chip platform to study the epithelial responses to enterotoxins, Scientific Reports 2024, DOI: 10.1038/s41598-024-56520-5
Development of a cancer metastasis-on-chip assay for high throughput drug screening, Frontiers in Oncology 2024, DOI: 10.3389/fonc.2023.1269376
Zapewne zaskoczeniem będzie dla Ciebie informacja, że czynniki kluczowe dla życia na Ziemi (woda, tlen i światło słoneczne) mają największy wpływ na uszkodzenia w cząsteczkach białek w starzejącym się organizmie człowieka. W zasadzie cząsteczki wody mają słabe właściwości nukleofilowe, mimo tego zdolne są do reakcji hydrolitycznych prowadzących do poważnych zaburzeń w strukturze białek organizmu. Najczęściej atakowane są wiązania o charakterze amidowym, zlokalizowane w bocznych łańcuchach glutaminy oraz asparaginy. Hydroliza wiązań amidowych w tych dwóch ważnych aminokwasach prowadzi do powstawania grup karboksylowych – asparagina przekształca się wówczas w kwas asparaginowy, natomiast glutamina zostaje zamieniona na kwas glutaminowy. Taka biochemiczna wymiana aminokwasów wprowadza dodatkowy ładunek o charakterze ujemnym i zaburza konformację białka. W młodym organizmie zazwyczaj nie odczuwamy żadnych niepokojących efektów, gdyż białka są stale syntetyzowane, a te które są hydrolitycznie uszkodzone mogą zostać błyskawicznie wymienione na ich prawidłową wersję – kiedy jednak procesy kataboliczne przeważają, wówczas organizm nie jest w stanie nadążyć z syntezą nowych łańcuchów białkowych. Szkodliwe dla ludzkiego organizmu są również reakcje hydrolityczna, które zachodzą z udziałem zasad azotowych wchodzących w skład cząsteczek DNA. Na atak o charakterze hydrolitycznym szczególnie narażone są adenina, guanina i cytozyna. W przypadku tych zasad azotowych uszkodzenia hydrolityczne prowadzą do przekształcenia grup aminowych w grupy karbonylowe – cytozyna zostaje przekształcona do uracylu, adenina przechodzi do formy hipoksantynowej, natomiast guanina staje się ksantyną. W naturalnych warunkach działają odpowiednie mechanizmy naprawcze, które potrafią usunąć błędne zasady azotowe, jednak w starzejących się komórkach, uszkodzenia hydrolityczne stanowią duży problem i przyczyniają się do częstszych mutacji DNA. Dodatkowym punktem w cząsteczkach kwasów nukleinowych, który jest wrażliwy na reakcje hydrolityczne, jest wiązanie pomiędzy zasadą azotową i cukrem deoksyrybozą. Cięcie hydrolityczne może w takiej sytuacji spowodować usunięcie zasady azotowej i doprowadzić przykładowo do mutacji, którą nazywa się zmianą ramki odczytu.
Promieniowanie ultrafioletowe (UV) jest formą promieniowania elektromagnetycznego, które leży poza spektrum światła widzialnego. Ludzkie oko nie widzi tych długości fali jednak są one absorbowane przez związki chemiczne wchodzące w skład ludzkiego organizmu. Promieniowanie UV ma zarówno pozytywne, jak i negatywne skutki dla zdrowia. Jest niezbędne do rozpoczęcia szlaku biosyntezy witaminy D w skórze (biosynteza jest kontynuowana w wątrobie, a następnie w nerkach), ale zbyt duża ekspozycja na promieniowanie UV może prowadzić do raka skóry, uszkodzeń oczu i przyspieszenia starzenia się skóry. Z tego powodu ważne jest stosowanie ochrony przeciwsłonecznej, aby ograniczyć szkodliwe skutki ekspozycji na promieniowanie UV. Związki chemiczne, które w swojej strukturze zawierają pierścienie aromatyczne oraz te zawierające wielokrotnie sprzężone wiązania podwójne najsilniej absorbują promieniowanie ultrafioletowe. Z tego powodu promienie UV mogą uszkadzać zasady azotowe budujące cząsteczki DNA i RNA, uszkadzają również fenyloalaninę, tryptofan oraz tyrozynę czyli aminokwasy, które są obecne w białkach naszego organizmu. Warto w tym momencie podkreślić, że promieniowanie UV jest silnym czynnikiem mutagennym, który w cząsteczkach DNA inicjuje powstawanie dimerów tymidynowych poprzez wytworzenie pierścienia cyklobutanowego. W zdrowym, młodym organizmie integralność DNA jest utrzymywana dzięki istniejącym mechanizmom naprawczym i sprawdzającym, które potrafią reagować na błędy w genomowym DNA na wielu poziomach: znane są mechanizmy molekularne odpowiedzialne za naprawę niesparowanych zasad azotowych, mechanizmy naprawy przez wycięcie zasady lun nukleotydu oraz mechanizmy pełniące rolę w naprawie dwuniciowych pęknięć w obrębie DNA. Teoria starzenia się człowieka związana z mutacjami w komórkach somatycznych sprowadza się do tego, że akumulacja mutacji w czasie napędza postępujące i nieodwracalne procesy starzenia spowodowane nieprawidłowościami w funkcjonowaniu komórek ludzkiego organizmu.
Przyczyną postępujących procesów starzenia oraz wielu chorób człowieka są zmiany zachodzące w DNA, które nazywane są ogólnie mutacjami. Szacuje się obecnie, że w pojedynczej komórce człowieka zachodzi od 104 do 106 mutacji każdej doby. Dodajmy do tego informację, że do wystąpienia większości nowotworów wystarczy od 5 do 7 tzw. mutacji kierujących (ang. drive mutations, w odróżnieniu od mutacji towarzyszących, ang. passenger mutations, których skutki są mniej drastyczne), które umiejscowione są w sekwencjach nukleotydowych (litery kodu DNA) genów związanych z nowotworami – tak niewielka liczba mutacji nadaje już komórkom rakowym przewagę wzrostową nad komórkami zdrowymi i w odpowiednich warunkach umożliwia niekontrolowane podziały komórkowe, które ostatecznie prowadzą do rozwoju choroby. Warto w tym miejscu wspomnieć, że w genomie człowieka występują rejony szczególnie podatne na mutacje, te niewielkie fragmenty DNA, w których obserwowane są hipermutacje, określane są mianem kataegis, co w języku greckim oznacza „burza”. (Nik-Zainl, 2012). Stephens i współautorzy wykazali w 2012 roku, że kancerogenezę może zapoczątkować także jednorazowe i nagłe poszatkowanie chromosomów, a następnie ponowne ich złożenie, które jak łatwo się domyślić prowadzi do niezliczonych rearanżacji w DNA komórki – takie zdarzenie nazywane jest chromotrypsją. Zjawisko to jest sprzeczne z wcześniejszą teorią, według której nowotwór pojawia się w następstwie stopniowych zmian i nabywania mutacji w komórkach somatycznych. Mutacje w obrębie genomowego DNA mają istotny wpływ na proces starzenia się człowieka. Wykazano, że genetyka odgrywa znaczącą rolę w starzeniu się, a konkretne mutacje genetyczne mogą przyspieszać lub spowalniać ten proces. W miarę starzenia się organizmu, naturalnie dochodzi do akumulacji zmian w sekwencjach nukleotydowych genomowego DNA. Te zmiany mogą prowadzić do uszkodzenia komórek i napędzać postęp procesu starzenia. Dziś już wiadomo, że istnieją specyficzne geny bądź ich warianty, które są w sposób bezpośredni związane z przyspieszonymi procesami starzenia, takie jak: geny regulujące procesy naprawy uszkodzeń w cząsteczkach DNA, odpowiedź na stres, zapalenie i metabolizm komórkowy. Mutacje w tych genach mogą mieć znaczący wpływ na tempo procesów anabolicznych. Istnieją również rzadkie choroby o podłożu genetycznym, takie jak progeria (zespół Hutchinsona-Gilforda), które powodują bardzo szybkie i postępujące starzenie się całego organizmu. Są one spowodowane specyficznymi mutacjami genetycznymi i dają wgląd w mechanizmy molekularne procesów starzenia.
Literatura:
1. The mechanisms of UV mutagenesis. J Radiat Res 2011, 52(2):115-25 2. Skin cancer and solar UV radiation. Eur J Cancer 1999, 35: 2003–2009. 3. Photocarcinogenesis: UVA vs UVB. Methods Enzymol 2000, 319: 359–366. 4. Absorption of UV radiation by DNA: spatial and temporal features. Mutat Res 2010, 704: 21–28 5. The role of DNA polymerase ι in UV mutational spectra. Mutat Res 2006, 599: 58–65. 6. 129-derivied strains of mice are deficient in DNA polymerase ι and have normal immunoglobulin hypermutation. J Exp Med 2006, 198: 635–653. 7. UV-B radiation induces epidermal tumors in mice lacking DNA polymerase η and mesenchymal tumors in mice deficient for DNA polymerase ι. Mol Cell Biol 2006, 26: 7696–7706. 8. Mitochondrial DNA mutations in aging. Prog Mol Biol Transl Sci 2014, 127:29-62
Od momentu pierwszych odkryć dotyczących mechanizmu replikacji DNA biologowie poczynili wiele starań zmierzających do szczegółowego opisania tego fenomenu. Obecnie znanych jest przynajmniej 13 różnych polimeraz DNA, które są wyspecjalizowane w wybranych aspektach syntezy i naprawy DNA. Oprócz białek o aktywności helikazy i topoizomerazy odkryto dodatkowe elementy maszynerii replikacyjnej takie jak: prymaza, która jest odpowiedzialna za syntezę krótkich fragmentów kwasu nukleinowego na początku replikacji, białko SSB stabilizujące strukturę DNA w tym procesie, ligaza, która łączy zreplikowane fragmenty DNA. Zwróć uwagę, że DNA ma strukturę antyrównoległą, natomiast polimeraza DNA ma zdolność syntezy tylko w jednym kierunku od końca 5’ do końca 3’. W obecnym modelu replikacji jedną z nici określa się mianem nici prowadzącej, druga z nici nazywana jest nicią opóźnioną. Antyrównoległość helisy wymusza istotne różnice w procesie syntezy nowego DNA na każdej z tych nici. Replikacja na nici prowadzącej przebiega w sposób ciągły, natomiast druga nić kopiowana jest krótkimi fragmentami, które od nazwiska japońskiego odkrywcy tego skokowego mechanizmu syntezy zostały nazwane fragmentami Okazaki. Co ciekawe, liniowe końce chromosomów przy każdej rundzie replikacji ulegają niewielkiemu skróceniu, które jest wynikiem różnic w syntezie nici prowadzącej i opóźnionej. Takie skracanie materiału genetycznego prowadzi ostatecznie do ograniczenia możliwości replikacji starzejących się komórek. W 1962 roku Leonard Hyflick zaobserwował, że komórka przechodzi jedynie ograniczoną ilość podziałów, po czym traci tę zdolność – punkt, w którym komórki tracą możliwość dalszych podziałów nazywany jest limitem Hyflicka.
Obecnie uważa się, że zatrzymanie podziałów związane jest bezpośrednio ze skracaniem się chromosomów w trakcie kolejnych rund replikacji i zabezpiecza organizm przed niebezpieczną utratą materiału genetycznego. W trakcie ewolucji komórki wypracowały jednak mechanizm przeciwdziałania skracaniu się chromosomów poprzez dodawanie do ich końców tzw. telomerów, które są zbudowane z wielu powtórzeń stałej sekwencji kilku nukleotydów – sekwencja ta została zakonserwowana ewolucyjnie od drożdży, poprzez orzęski, po rośliny wyższe i ssaki. Telomery człowieka są dobudowywane przez kompleks rybonukleoproteinowy (składa się z białka oraz kwasu rybonukleinowego) nazywany telomerazą i składają się z kilku tysięcy powtórzeń sekwencji TTAGGG. Telomeraza znalazła się w szczególnym polu uwagi biologów molekularnych z racji tego, że zaburzenia jej funkcjonowania mają swoje implikacje w procesach starzenia oraz w nowotworzeniu. Większość somatycznych komórek człowieka wytwarza zbyt mało telomerazy, aby utrzymać prawidłową długość telomerów po wielu cyklach replikacji chromosomów, a utrata telomerów może doprowadzać do niebezpiecznej fuzji końców chromosomów, wzmaga procesy związane ze zmiennością rekombinacyjną i prowadzi do uruchomienia apoptozy czyli programowanej śmierci komórki.
Z kolei komórki nowotworowe charakteryzują się wzmożoną aktywnością telomerazy, co w połączeniu z deregulacją cyklu komórkowego, pozwala im na niekontrolowaną proliferację. Podczas starzenia się organizmu dochodzi w komórkach do zmian struktury oraz do zaburzeń funkcji telomerów człowieka, co ma z kolei istotne implikacje dla stanu zdrowia. Niestabilność genomu spowodowana skracaniem się sekwencji telomerowych, z których w każdej rundzie replikacji znika około 50 – 150 pz, przyczynia się częstszego występowania nowotworów.
Dyskeratoza wrodzona recesywna, związana z chromosomem X oraz dyskeratoza wrodzona, dominująca, autosomalna to znane medycynie zespoły przedwczesnego starzenia mające podłoże genetyczne. Zmniejszona aktywność telomerazy u pacjentów dotkniętych tymi chorobami wywołuje uszkodzenia wielonarządowe, takie jak, marskość wątroby, fibroza płuc, hipogonadyzm, postępująca niewydolność szpiku kostnego, a dodatkowo objawia się nadmiernym rogowaceniem i zanikiem skóry dłoni i stóp, zaburzeniami budowy płytek paznokciowych oraz przebarwieniami błon śluzowych i leukoplakią. Dyskeratoza jest bardzo rzadką chorobą, występującą u jednej osoby na milion, manifestującą się zazwyczaj przed 50-tym rokiem życia. Jak najpełniejsze zrozumienie roli telomerazy w patogenezie molekularnej chorób ma zatem zasadnicze znaczenie dla diagnostyki, poradnictwa genetycznego oraz dla postępowania z osobami chorymi.
Przez wiele lat sądzono, że sekwencje telomerowe u organizmów eukariotycznych nie podlegają procesowi transkrypcji. W ciągu ostatniej dekady badania wykazały jednak, że telomery są transkrybowane, a w tym procesie powstaje cząsteczka RNA bogata w reszty guaniny określana jako TERRA RNA. Transkrypt ten jest następnie wykorzystywany w procesie translacji i umożliwia generowanie dwóch białek zbudowanych z powtarzających się dipeptydów, bogatych w walinę–argininę i glicynę–leucynę. Autorzy publikacji sugerują, że te białka dipeptydowe są wytwarzane w większych ilościach, gdy komórki przechodzą kryzys telomerowy. Ich obfitość mogłaby zmieniać metabolizm kwasów nukleinowych i ogólną syntezę białek oraz wywoływać odpowiedzi zapalne w starzejących się komórkach. Badania nad TERRA RNA i jego funkcjami w ludzkich komórkach są ważne dla zrozumienia mechanizmów starzenia się komórek i chorób związanych z długością telomerów, takich jak niektóre formy raka i choroby genetyczne związane z defektami telomerów.
Na całym świecie prowadzone są obecnie badania kliniczne będące w różnych fazach zaawansowania prac zmierzających do stworzenia nowoczesnych leków działających w mechanizmach molekularnych związanych z funkcjonowaniem ludzkiej telomerazy. Na stronie internetowej clinicaltrials.gov, pod egidą National Institute of Health, można znaleźć informacje na temat ponad 60 badań klinicznych w tym obszarze, a spektrum wskazań i obszarów terapeutycznych jest imponujące. Włóknienie płuc, ostra białaczka mieloblastyczna, choroba Alzhmimera, czerniak, rak płuca, rak pęcherza to tylko wybrane przykłady chorób, które niebawem będą leczone przy użyciu nowych terapii, których mechanizmy działania są oparte na wiedzy dotyczącej funkcjonowania telomerazy. Przykładem jest telomelizyna, adenowirus onkolityczny posiadający zdolność do replikacji jedynie w komórkach nowotworowych i prowadzący do ich lizy. Selektywność działania powoduje, że leczenie wirusami onkolitycznymi jest korzystniejsze niż inne metody stosowane w kuracji onkologicznej, a zwłaszcza mało selektywna konwencjonalna terapia przeciwnowotworowa. Telomelizyna, opracowana przez firmę Oncolys BioPharma, jest onkolitycznym adenowirusem serotypu 5 ze zmodyfikowanym materiałem genetycznym, który selektywnie replikuje się w komórkach nowotworowych poprzez wprowadzenie do wirusa sekwencji promotora genu ludzkiej odwrotnej transkryptazy wchodzącej w skład telomerazy (hTERT). Podczas aktywacji promotora (hTERT) cały aparat komórkowy zmuszony jest do syntezy przede wszystkim białek wirusowych, co prowadzi do onkolitycznej śmierci komórek. Adenowirus onkolityczny ma duży potencjał w immunoterapii raka, ponieważ jego replikacja jest wysoce immunogenna, a onkoliza indukowana przez taki wirus uwalnia antygen nowotworowy i dostarcza układowi odpornościowemu stymulujących sygnałów o niebezpieczeństwie.
Literatura:
B. McClintock, The stability of broken ends of chromosomes in Zea mays. Genetics 26, 234–282 (1941).
J. Meyne, R. L. Ratliff, R. K. Moyzis, Conservation of the human telomere sequence (TTAGGG)(n) among vertebrates. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 86, 7049–7053 (1989).
T. de Lange, Shelterin-mediated telomere protection. Annu. Rev. Genet 52, 223–247 (2018).
J. D. Griffith et al., Mammalian telomeres end in a large duplex loop. Cell 97, 503–514 (1999).
Mammalian telomeric RNA (TERRA) can be translated to produce valine–arginine and glycine–leucine dipeptide repeat proteins. PNAS. https://doi.org/10.1073/pnas.2221529120 (2023)
C. M. Azzalin, J. Lingner, Telomere functions grounding on TERRA firma. Trends Cell Biol. 25, 29–36 (2015).
Z. Wang et al., Telomeric repeat-containing RNA (TERRA) constitutes a nucleoprotein component of extracellular inflammatory exosomes. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 112, E6293–E6300 (2015).
C. A. Perez-Romero, M. Lalonde, P. Chartrand, E. Cusanelli, Induction and relocalization of telomeric repeat-containing RNAs during diauxic shift in budding yeast. Curr. Genet. 64, 1117–1127 (2018).
A. Porro, S. Feuerhahn, P. Reichenbach, J. Lingner, Molecular dissection of telomeric repeatcontaining RNA biogenesis unveils the presence of distinct and multiple regulatory pathways. Mol. Cell Biol. 30, 4808–4817 (2010).
Z. Deng, J. Norseen, A. Wiedmer, H. Riethman, P. M. Lieberman, TERRA RNA binding to TRF2 facilitates heterochromatin formation and ORC recruitment at telomeres. Mol. Cell 35, 403–413 (2009).
P. N. Le, D. G. Maranon, N. H. Altina, C. L. R. Battaglia, S. M. Bailey, TERRA, hnRNP A1, and DNA-PKcs interactions at human telomeres. Front Oncol. 3, 91 (2013).
R. Arora, C. M. Azzalin, Telomere elongation chooses TERRA ALTernatives. RNA Biol. 12, 938–941 (2015)
W ludzkim organizmie przebiega szereg reakcji, które odbywają się przy udziale enzymów utleniających. Często w procesach utleniania powstają silnie reaktywne półprodukty, które nazywane są reaktywnymi formami tlenu – RFT. Do takich cząsteczek możemy zaliczyć nadtlenek wodoru, anionorodnik ponadtlenkowy oraz rodnik tlenku azotu. Reaktywne formy tlenu stanowią poważne zagrożenie z tego powodu, że wchodzą one w reakcje z białkami, lipidami oraz kwasami nukleinowymi. Przykładowo reakcja peroksydacji lipidów prowadzi do wytworzenia tzw. adduktów, które powstają przez połączenie dwóch cząsteczek o charakterze lipidowym (czasem jest to połączenie białka z lipidem). Wytworzenie adduktów lipidowych albo lipidowo-białkowych wpływa bezpośrednio na błony komórkowe – ograniczając ich płynność. Jeśli ograniczenie płynności błony dotyczy błon mitochondrialnych, to może doprowadzić do zaburzeń w funkcjonowaniu łańcucha oddechowego, który jest z kolei zaangażowany w syntezę cząsteczek ATP – głównego nośnika energii w komórce. Tworzenie adduktów może również uszkadzać integralność błon mitochondrialnych, co dla komórki jest z kolei sygnałem do rozpoczęcia procesu programowanej śmierci komórki czyli apoptozy.
Wolnorodnikowe uszkodzenia mitochondriów oraz spadek wydajności syntezy cząsteczek ATP są częstymi zjawiskami biochemicznymi, obserwowanymi w starzejących się komórkach człowieka. Starzejące się komórki, skierowywane są na szlak apoptozy – dzięki temu są one niszczone i zastępowane nowymi komórkami. Dziś już doskonale wiemy o tym, że mitochondria ogrywają bardzo istotną rolę w procesie indukowania szlaków apoptotycznych. Proces apoptozy może zostać wywołany różnymi stresorami, które gromadzą się w starzejących się komórkach – czynniki te prowadzą do powstania kanałów w zewnętrznej błonie mitochondrialnej, przez które do cytoplazmy uwalniany jest cytochrom c. Komórki w fazie starzenia się napędzają dysfunkcję tkankową związaną z wiekiem częściowo poprzez indukcję przewlekłego fenotypu sekrecji związanego ze starzeniem (SASP). Istotą SASP jest wydzielanie cytokin prozapalnych, chemokin, czynników wzrostu, proteaz oraz bioaktywnych lipidów. Mitochondria są głównymi regulatorami SASP; jednak mechanizmy tego procesu nie zostały jeszcze wyjaśnione. Podczas programowanej śmierci komórki, nieodwracalna i rozległa permabilizacja zewnętrznej błony mitochondrialnej (MOMP) skazuje komórkę na śmierć i jest to moment krytyczny procesu apoptozy. MOMP jest kontrolowana przez białka apoptotyczne BID i BAX, które wbudowują się w wewnętrzną błonę mitochondrialną i tworzą w niej pory, przez które następnie następuje przeciek protonów do wnętrza mitochondriów. Za powiększanie porów odpowiedzialne jest białko BAK. Ostatecznie procesy te doprowadzają do obniżenia potencjału błony mitochondrialnej, i uszkodzenia łańcucha oddechowego, co prowadzi do uwolnienia białek mitochondrialnych, z których najistotniejszy jest cytochrom c. Ponadto cytochrom c wspólnie z czynnikiem Apaf1 i kaspazą 9 wchodzą w skład kompleksu apoptosomu, który aktywuje kaspazy wykonawcze CASP3/6/7. Odkryto, że MOMP występujący w podzbiorze mitochondriów jest cechą komórkowego procesu starzenia się – jest to tzw. MOMP mniejszościowy (miMOMP) prowadzący do uwolnienia mitochondrialnego DNA (mtDNA) do cytozolu.
Cytozolowy mtDNA z kolei aktywuje ścieżkę cGAS–STING, głównego regulatora SASP. Odkryto, że inhibicja miMOMP in vivo obniża poziom markerów zapalnych i poprawia stan zdrowia u starych myszy. Wyniki sugerują, że apoptoza i starzenie się są regulowane przez podobne mechanizmy zależne od mitochondriów i że podletalny stres apoptotyczny mitochondrialny jest głównym napędzającym SASP. Wykazano, że inhibicja sterylnego stanu zapalnego związanego ze starzeniem wywołanego przez miMOMP może być terapeutyczną drogą do poprawy zdrowia poprzez łagodzenie stanów zapalnych. Białka kaspazowe (proteazy cysteinowe) obecne w apoptosomie inicjują procesy proteolitycznej degradacji białek w komórce, co ostatecznie prowadzi do jej śmierci i usunięcia poprzez komórki fagocytujące. Zgodnie z mitochondrialną teorią starzenia się organizmu ciągłe, akumulujące się i niemożliwe do powstrzymania reakcje wolnych rodników tlenowych prowadzą do postępujących procesów starzenia się człowieka.
Tlen jest niezbędny do życia organizmu i z tego powodu w trakcie ewolucji powstały białka zaangażowane w mechanizmy pozbywania się RFT z komórki, co prowadzi do niwelowania szkodliwego wpływu związków o charakterze rodnikowym. W organizmie człowieka występują enzymy, które stanowią naturalne zabezpieczenie przed szkodliwymi rodnikami tlenowymi. Dysmutaza ponadtlenkowa to enzym z grupy oksydoreduktaz katalizujący dysmutację anionorodnika ponadtlenkowego. Dysmutaza ponadtlenkowa przekształca anionorodnik ponadtlenkowy w tlen i nadtlenek wodoru (H2O2), zmniejszając tym samym szkodliwość reaktywnych form tlenu. Katalaza natomiast rozkłada nadtlenek wodoru na wodę i tlen, zapobiegając gromadzeniu się H2O2, który może być szkodliwy dla komórki.
Przed RFT i uszkodzeniami w mitochondriach organizm może się wydajnie bronić jeśli wesprzemy jego działanie dietą i dostarczając odpowiednich suplementów diety. Przykładowo urolityna A (UA) indukuje w komórkach mitofagię – dzięki temu uszkodzone mitochondria są usuwane. Urolityna A łagodzi stany zapalne poprzez atenuację szlaku cGAS/STING. Urolityna poprawia też funkcje neurologiczne. Urolityna A jest związkiem, który powstaje w wyniku metabolizmu elagotanin przez bakterie jelitowe. Źródłami elagotanin są: orzechy oraz niektóre owoce jagodowe: maliny, truskawki, jeżyny, granat. Doustne suplementowanie urolityną A, prowadzi do aktywacji mitofagii.
Coraz większym zainteresowaniem w kontekście długowieczności cieszy się w ostatnim czasie cząsteczka ergotioneiny. Ergotioneina ma działanie antyoksydacyjne i przeciwzapalne. Dodatkowo udowodniono, że jest ona modulatorem kilku ważnych szlaków biochemicznych w komórce: wpływa na szlak sirtuinowy, szlak mTOR, szlak insulinopodobnego czynnika wzrostu (IGF1) oraz reguluje działanie czynnika transkrypcyjnego FOXO. Ergotioneina coraz częściej nazywana jest „cząsteczką długowieczności”. Całkiem spore ilości tego związku są zawarte w grzybach, a szczególnie bogate w ergotioneinę są pieczarki oraz boczniak szary.
Bardzo bogatym źródłem polifenolowych związków o charakterze antyoksydacyjnym i przeciwzapalnym jest olej z nasion dzikiej róży. Zawiera on bowiem cenne przeciwutleniacze lipofilowe zaliczane do tokoferoli, a ponadto likopen i β-karoten. Olej z nasion dzikiej róży zawiera też niezbędne nienasycone kwasy tłuszczowe – w tym kwasy omega-3. Warto w kontekście przeciwutleniaczy korzystać też z oleju z pestek czarnej porzeczki – olej ten zawiera bogactwo fitosteroli, flawonoidów, kwasów fenolowych oraz karotenoidów. Oprócz wymienionych związków w oleju z pestek czarnej porzeczki znajdują się również: kwas gamma-linolenowy (GLA), kwas alfa-linolenowy (ALA) oraz kwas stearydynowy, który rzadko jest spotykany w źródłach roślinnych. Dodatkową zaletą oleju z pestek czarnej porzeczki jest wysoka zawartość witaminy E – która ma istotne znaczenie w antyoksydacyjnej ochronie organizmu i dodatkowo wspiera prawidłowe funkcjonowanie wątroby. Urozmaicona dieta, bogata w fitozwiązki oraz w substancje zawarte w grzybach przyczyni się do poprawy zdrowia i samopoczucia.
Literatura:
Gorgoulis, V. et al. Cellular senescence: defining a path forward. Cell 179, 813–827 (2019).
Correia-Melo, C. et al. Mitochondria are required for pro-ageing
features of the senescent phenotype. EMBO J. 35, 724–742 (2016).
Bock, F. J. & Tait, S. W. G. Mitochondria as multifaceted regulators
of cell death. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 21, 85–100 (2020).
Pignolo, R. J., Passos, J. F., Khosla, S., Tchkonia, T. & Kirkland,
J. L. Reducing senescent cell burden in aging and disease. Trends Mol.
Med. 26, 630–638 (2020).
Apoptotic stress causes mtDNA release during senescence and drives the
SASP. Nature. https://doi.org/10.1038/s41586-023-06621-4 (2023)
Mitophagy curtails cytosolic mtDNA dependent activation of cGAS/STING
inflammation during aging. Nature Communications.
https://doi.org/10.1038/s41467-024-45044-1 (2024)