DSpace Collection:https://hdl.handle.net/10316/173772024-03-29T07:32:28Z2024-03-29T07:32:28ZUnderstanding the underlying mechanisms regulating aging and longevityAmorim, João Filipe Alveshttps://hdl.handle.net/10316/887472021-12-12T06:10:29Z2019-12-11T00:00:00ZTitle: Understanding the underlying mechanisms regulating aging and longevity
Authors: Amorim, João Filipe Alves
Abstract: O envelhecimento é caracterizado por uma perda progressiva da função dos vários
órgãos, resultando num maior risco de morte devido a várias doenças. Doenças crónicas
relacionadas com a idade, como diabetes mellitus tipo II, doenças neurodegenerativas,
cancro e doenças cardiovasculares, estão entre as principais causas de morbidade e morte
no mundo. Nas últimas décadas foram alcançados importantes avanços na área, em
particular com a descoberta de que o ritmo de envelhecimento é coordenado, pelo menos em
parte, por vias genéticas e processos bioquímicos conservados.
Estudos em leveduras levaram à descoberta de uma dessas vias, uma família de enzimas
conservadas, conhecidas como as sirtuínas. As sirtuínas (SIRT1-7) são uma família de
deacetilases dependentes do dinucleótido de nicotinamida e adenina (NAD+
) com
capacidades extraordinárias para prevenir doenças e até mesmo reverter alguns aspectos do
envelhecimento. Em particular a SIRT1, a sirtuína mais estudada da família, demonstrou ter
um papel fundamental na regulação do metabolismo, reparação do DNA, inflamação,
estrutura da cromatina assim como o envelhecimento em mamíferos.
A descoberta de que o resveratrol e outras moléculas derivadas de plantas, conhecidas
como STACs (compostos de ativação de SIRT1), tinham a capacidade de ativar a SIRT1 in
vitro e in vivo, proporcionaram uma procura de ativadores desta enzima, com o objetivo de
estudar os seus benefícios para a saúde. No entanto, continua por desvendar se as STACs
como o resveratrol e o SRT1720 medeiam os seus benefícios através da ativação direta da
SIRT1. Com o objetivo de abordar esta questão, produzimos um modelo animal, um mutante
homozigoto para E222K (SIRT1-E222K), com uma ativação defectiva na SIRT1, que não
responde à ativação de STACs in vitro. Deste modo, este modelo animal permitiu-nos
determinar quais dos efeitos benéficos do resveratrol são devidos à direta ativação da SIRT1.
Neste trabalho demonstramos que o resveratrol, adicionado à dieta dos animais, aumentou
significativamente a sobrevivência de WT, mas não dos animais portadores da mutação
E222K, quando estes foram alimentados com uma dieta rica em gordura. A adição de
resveratrol à dieta do animal resultou numa melhoria geral da sua saúde levando a uma maior
longevidade. Igualmente verificámos uma redução da patologia hepática, um aumento da
sensibilidade à insulina, uma maior resistência e atividade locomotora, assim como uma
normalização dos indicadores de inflamação.
Para além das STACs tradicionais, uma nova classe de compostos começou a ser
recentemente explorada. Estudos em leveduras mostraram que estes compostos aumentam
a via de reciclagem de NAD, que recicla NAD+ a nicotinamida (NAM), prolongando a
longevidade e mimetizando os benefícios de restrição calórica. Esta descoberta levou os
investigadores a testar moléculas capazes de restabelecer os níveis de NAD+
. Este trabalho
teve como objetivo explorar a possibilidade de testar várias intervenções genéticas através
de estratégias sinérgicas para assim estudar doenças relacionadas com a idade e o
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envelhecimento. Depois de aumentar a expressão génica e a atividade das sirtuínas,
observámos que o tratamento com mononucleotídeo de nicotinamida (NMN) evitou a perda
de peso dos animais relacionada com a idade, com um aumento não significativo na
longevidade (p=0,15).
O trabalho realizado com as sirtuínas, através do aumento da sua atividade ou da sua
expressão génica, demonstrou ser fundamental para se perceber como tratar de uma só vez
todas as doenças associadas com a idade, e assim ajudar a aumentar o tempo de vida e a
saúde dos idosos. A complexidade das doenças, a necessidade de compreender como
retardar o processo de envelhecimento e de descubrir novas terapias, faz com que seja
fundamental o desenvolvimento de modelos animais que melhor mimetizem doenças
relacionadas com a idade. Estudos anteriores demonstraram que “RCM” (relocalização de
modificadores de cromatina), é uma causa importante para o envelhecimento em mamíferos.
Neste trabalho desenvolvemos um novo modelo animal, “ICE” (para mudanças indizíveis no
epigenoma), que nos permitiu induzir cortes no DNA, em regiões não-codificadoras do
genoma dos animais. De acordo com a hipótese RCM, o rato ICE exibiu fenótipos
relacionados com uma idade avançada, assim como doenças relacionadas com a mesma.
Estes resultados demonstraram que mudanças epigenéticas, associadas ao processo de
reparação do DNA, são a causa do envelhecimento em mamíferos.
Estes resultados criam uma melhor compreensão sobre os mecanismos fundamentais de
ativação alostérica de enzimas complexas, assim como os meios para testar múltiplas
intervenções genéticas para promover a saúde e a longevidade. Desta forma, estamos mais
perto de determinar quais as doenças que as STACs poderão tratar em humanos e como
poderemos melhorar a sua potência. Finalmente, acreditamos que o modelo ICE será uma
ferramenta importante para estudar doenças humanas e avaliar se o processo de
envelhecimento pode ser retardado ou revertido usando novos ou conhecidos compostos.; Aging is accompanied by a progressive loss of healthy function in multiple organ systems,
leading to impaired function and increased vulnerability to death from multiple diseases.
Chronic, age-related diseases, such as type II diabetes mellitus, neurodegenerative diseases,
cancers, and cardiovascular diseases are already among the leading causes of morbidity and
death in the world. Unprecedented advances have been achieved in the aging field in the last
decades, particularly with the discovery that the rate of aging is coordinated, at least in part,
by genetic pathways and conserved biochemical processes. Historically, however,
researchers have focused their attention on investigating individual pathways in isolated
organs as a strategy to unravel the root cause of aging, with the ultimate goal of designing
better drugs. Studies in yeast led the discovery of one of these pathways, a family of
conserved enzymes, known as the sirtuins. The sirtuins (SIRT1-7) are a family nicotinamide
adenine mononucleotide (NAD+
)-dependent deacetylases with extraordinary abilities to
prevent diseases and even revert some aspects of aging. Importantly, SIRT1, which is the
most studied sirtuin of the family, has been shown to play a key role in the regulation of
metabolism, DNA repair, inflammation, chromatin structure, and aging in mammals.
The discovery that resveratrol and other plant-derived molecules, known as STACs (for
SIRT1 activating compounds), could activate SIRT1 in vitro and in vivo led the field to seek
for SIRT1 activators and study their potential health benefits. However, whether STACs such
as resveratrol and SRT1720 mediate their health benefits via direct SIRT1 activation remains
an unsolved question in the field. In order to address this major question, we have generated
a knock-in mouse model that is a homozygous mutant for E222K (SIRT1-E222K), an
activating-defective mutant, shown not to respond to STACs activation in vitro, and we used
it to precisely determine which of the biological effects of resveratrol are due to SIRT1
activation. Here, we show that resveratrol significantly increased survival of wild-type (WT)
mice, but not of mice carrying the E222K mutation when fed a high-fat diet. Resveratrol
produced changes associated with longer lifespan, reduced liver pathology, increased insulin
sensitivity, enhanced endurance and locomotor activity, as well as normalized markers of
inflammation (Baur et al., 2006).
In addition to traditional STACs, a newer class of compounds is gaining attention in the
field. Up-regulation of the NAD salvage pathway, which recycles NAD+ from nicotinamide
(NAM), was shown to extend lifespan and mimic caloric restriction (CR) in yeast. This
discovery drove the field to test molecules that restore NAD+ levels in elderly individuals.
Herein, we tested if synergistic strategies accelerate the ability to test multiple genetic
interventions, to study aging and age-related diseases. We tested the effects of boosting gene
expression and activity of the entire sirtuin gene family and observed that (nicotinamide
mononucleotide) NMN supplementation protected against age-related decreases in body
weight, with a non-significant increase in longevity (p=0.15).
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Prior research in the sirtuin field was critical to understanding how treating all ageassociated diseases at once, whether by boosting sirtuin activity or their expression, could
help increase lifespan and healthspan of the elderly. However, in order to fully understand the
best approaches to slow down the aging process and develop therapies for age-related
diseases, there has been need to develop mouse models that better recapitulate human-like
age-related diseases (Justice and Dhillon, 2016). Accumulating evidence shows that an
epigenetically-driven process, called “RCM” (relocalization of chromatin factors), is an
important cause of aging in mammals (Vijg and Hasty, 2006). Here, we have developed a
novel animal model called the “ICE mouse” (for inducible changes in epigenome) that has
allowed us to induce a few DNA cuts in non-coding regions of the mouse genome across all
tissues and monitor the effects on key tissues and age-related physiology. In agreement with
the RCM hypothesis, the ICE mouse exhibited early onset of age-related phenotypes, as well
as of age-related diseases. These results are consistent with the epigenetic shift driven by the
DNA repair process as being an upstream cause of aging in mammals.
Together, the results presented herein provide insights into the fundamental mechanisms
of allosteric activation of complex enzymes and the means to test multiple genetic
interventions to promote healthspan and longevity. In this way, we are closer to determine
which diseases STACs could treat in humans and how they can be improved to increase their
potency. Finally, we envision that the ICE model will be a novel tool used to model human
diseases and assess whether the aging process can be slowed down or reverted using known
and novel agents.
Description: Tese de Doutoramento apresentada ao Instituto de Investigação Interdisciplinar da
Universidade de Coimbra (IIIUC) para prestação de provas necessárias à obtenção
do grau de Doutor em Biologia Experimental e Biomedicina (ramo Biologia Molecular,
Celular e do Desenvolvimento)2019-12-11T00:00:00Z