Vilniaus universiteto Medicinos fakulteto Žmogaus ir medicininės genetikos katedra

1. GENETINIAI ILGAAMŽIŠKUMO ASPEKTAI Prof. Vaidutis KUČINSKAS Vilniaus universiteto Medicinos fakulteto Žmogaus ir medicininės genetikos katedra Vilnius, 2005–04–28

2. Žmogaus gyvenimo ciklas Senėjimas Augimas Mirtis Apvaisinimas

3. Vidutinė gyvenimo trukmė Maksimali gyvenimo trukmė Ankstyva senatvė / Ankstyva mirtis Ilgaamžiškumas Žmogaus ilgaamžiškumas Patikimų žmogaus biologinio ilgaamžiškumo žymenųdar nenustatyta Chronologinis žymuo = individogyvenimo trukmė

4. ILGAAMŽIŠKUMAS SENATVĖ Gyvybės mokslai, genomika ir biotechnologija sveikatai: • Kova su pagrindinėmis ligomis • Žmogaus raidos ir senėjimo proceso tyrimai Žmogaus ilgaamžiškumas Norint ištirti ilgaamžiškumą, būtina tirti senėjimo priežastis, mechanizmus ir kovos su juo biologinius pagrindus Viena iš EK FP6 prioritetinių krypčių:

5. Senėjimas Senėjimas yra palaipsnis progresuojantis organizmo funkcijų ir struktūrų silpnėjimas. • Tai pats sudėtingiausias žmogaus fenotipas, nes: • pasireiškia visuose organuose ir audiniuose, • paveikia visą organizmo fiziologiją, • įtakoja funkciją visuose lygmenyse.

6. „Vienkartinio naudojimo somos” Neuroendokrininė Uždegiminė Mitochondrijų Paveldimumo Somatinių mutacijų Biologinio laikrodžio … Laisvųjų radikalų „Senelės” Antagonistinės pleotropijos Susidėvėjimo … Baltymų agregacijos Nefermentinio glikozilinimo (baltymų ir DNR) Cheminių pažaidų Imunologinė DNR pažaidų … Senėjimo teorijos Šiuo metu žinoma >300 senėjimo teorijų: … Pagrindinės senėjimo teorijų grupės: užprogramuotas senėjimas senėjimas dėl pažeidimų / klaidų

7. Ilgaamžiškumas / senėjimas ir genai Genai, jų raiška ir jos pokyčiai yra visų organizmo būklių pagrindas Ar genai atsakingi už ilgaamžiškumą? Ar senėjimas yra genetiškai užprogramuotas? Ar yra jaunystės / senatvės / mirties genai? Ar genai kontroliuoja senėjimo pradžią ir / arba greitį?

8. Ilgaamžiškumas / senėjimas ir genai 1. Biologinių rūšių gyvenimo trukmė skirtinga. 2. Akivaizdūs vienos biologinės rūšies (pvz., pelių, žiurkių) įvaisinių linijų gyvenimo trukmės skirtumai. 3. Žmonės : - ilgaamžiai kai kurių šeimų kartose, - monozigotinių dvynių gyvenimo trukmė artimesnė nei neidentiškų sibsų. 4. Tiriant mažiau sudėtingus organizmus (pvz., nematodas, vaisines museles) nustatyta daugelis genų mutacijų, žymiai keičiančių individo gyvenimo trukmę. Paveldėjamumas (= genetinis pagrindas) ilgaamžiškume siekia 25–30%. Maksimali gyvenimo trukmė yra labiausiai genetiškai determinuota. Vidutinė gyvenimo trukmė labiausiai priklauso nuo negenetinių veiksnių(sveikatos apsaugos, higienos, mitybos, gyvenimo būdo ir kt.)

9. Senėjimas ir žmogaus ilgaamžiškumas Maksimali patvirtinta gyvenimo trukmė http://www.ucl.ac.uk/~ucbtdag/Images/Calment.jpg Prancūzė Jeanne Louise Calment: gyveno 122 metus ir 164 dienas. Tėvas mirė būdamas 94-erių, motina – 86-erių.

10. Genai, kurių produktai dalyvauja įvairiuose ląstelės / organizmo gyvybingumui svarbiuose procesuose (genai kandidatai) Genai, kurių produktai tiesiogiai susiję su senėjimu per se Ilgaamžiškumo genai Senatvės genai (gyvybingumą stiprinantys / gyvenimą prailginantys genų aleliai) (gyvybingumą silpninantys / senėjimą skatinantys genų aleliai) Genai žmogaus ilgaamžiškume Genų variantų (alelių) koduojami pakitę produktai keičia organizmo gyvybingumui svarbius procesus.

11. Ilgaamžiškumas / senėjimas ir genai ŽMOGAUS GENOMAS

12. ~3,2 × 109 np(viengubasis rinkinys) 16569 np(viena molekulė) ~25 000–35 000 genų 37genai Koduojančioji dalis – ~1,5 % Koduojančioji dalis – ~93 % DNR molekulės linijinės DNR molekulės žiedinės 1 ląstelėje yra 24 poros (dvigubasis rinkinys) skirtingų DNR molekulių 1 ląstelėje yra ~1000–10 000 vienodų DNR molekulių Palikuonims perduoda tik motina (per kiaušialąstės citoplazmą) Palikuonims perduoda tėvas ir motina (po vieną viengubąjį rinkinį) Žmogaus genomas VISA GENETINĖ INFORMACIJA BRANDUOLIO GENOMAS MITOCHONDRIJŲ GENOMAS

13. DNR Nukleosoma Chromatino kilpos Chromosoma (labiausiai sutankėjusi) Ląstelės branduolyje linijinės DNR molekulės organizuotos į chromosomas

14. Žmogaus chromosomos Žmogaus ląstelių dvigubajame chromosomų rinkinyje yra 46 chromosomos: 22 poros autosomų + 1 pora lytinių chromosomų (XY arba XX) 46, XY Normalus vyriškos lyties individo kariotipas

15. OS PS Thr Phe D kilpa 16S rRNR CYB Val 23SrRNR Pro Glu ND6 Leu ND5 ND1 Ile Leu Gln Baltymus koduojantys genai (13): Ser Met His OL Ala ND2 Asn Cys ND4 ATP sintazės genai Tyr Trp ND4L Ser Arg NADH dehidroge- nazės genai RNR genai(24): ND3 Gly CO1 Citochromo coksidazės genai CO3 rRNR (2) CO2 ATPazė 6 ATPazė 8 Asp Lys Ubichinol:cito-chromo c oksido-reduktazės genas tRNR (22) Žmogaus mitochondrijų genomas PL

16. Organas Molekulė Audinys Ląstelė Organizmas senėja visuose lygmenyse Organizmas Ląstelinio senėjimo teorijos Genetinė informacija yra ląstelėje. Ląstelėje vyksta pagrindiniai genų raiškos etapai.

17. Ilgaamžiškumas / senėjimas ir genai LĄSTELINIS SENĖJIMAS

18. Ląstelinio senėjimo teorijos Ląstelinis senėjimas yra genetiškai užprogramuotas Ląstelė senėja dėl besikaupiančiųgenetinės informacijosir jos realizavimoklaidų / pažeidimų DNR pažaidų teorija Replikatyvinis senėjimas Streso teorija Pomitozinis ląstelių senėjimas Mitochondrinė senėjimo teorija Apoptozė

19. Ląstelinio senėjimo teorijos REPLIKATYVINIS SENĖJIMAS

20. Po kiekvieno dvigubėjimo ciklo dvigrandė DNR molekulė darosi vis trumpesnė Po kiekvieno eukariotinės ląstelės ciklo chromosomų telomeros sutrumpėja 50–200 np Telomerazė DNR dvigubėjimo metu atstato telomerų ilgį Žmogaus ląstelė gali pasidalyti tik ribotą skaičių kartų: 50–80(Hayflick skaičius) Telomerazė aktyvi: - embriogenezės metu, - spermatogonijose, - kamieninėse ląstelėse, - vėžinėse ląstelėse. Replikatyvinis senėjimas Linijinės DNR dvigubėjimo problema Dvigrandės DNR molekulės dvigubėjimo ypatumas: - Žiedinė DNR molekulė padvigubėja visa - Dvigubėjant linijinei DNR molekulei, jos galai padvigubėti negali

21. Regionas Petys Ruožas Telomera 26 25 Ruožas Chromosoma 24.3 24.2 padvigubėjus 2 24.3 DNR 23 22 Chromosoma prieš DNR 21.3 21.3 dvigubėjimą p 21.2 21.1 (trumpasis 14.3 14.2 petys) 14.1 13 12 1 Chromatidės Centro- 11.2 11.1 11.1 mera 11.2 12 1 13.1 13.2 13.3 22 Chromosomos 22 q schema 23 (ilgasis 24 petys) 25.1 Nudažyta 25.2 2 25.3 metafazinė 26.1 26.2 chromosoma 26.3 (3-ji žmogaus 27 chromosoma) 28 29 Telomera Chromosomos ideograma Žmogaus chromosoma

22. 60 m. asmenų grupės leukocitų telomerų tyrimai: 3 × didesnis mirtingumas dėl širdies ligų Trumpesnės telomeros 8,5 × didesnis mirtingumas dėl infekcinių ligų Replikatyvinis ląstelių senėjimas Individualus telomerų ilgis Telomerų ilgio ir jo kitimo ląstelėms senėjant ypatumai yra individualūs: • stresų poveikis(oksidacinis stresas greitina telomerų trumpėjimą), • genetinis reguliavimas (genai dar nenustatyti) Trumpesnės telomeros nustatomos sergant vyresniam amžiui būdingomis ligomis (koronarų ateroskleroze, Alzheimerio liga, kraujagysline demencija, kai kuriomis vėžio formomis)

23. Pelių chromosomų telomeros daug ilgesnėsuž žmonių Pelės tegyvena ~2 metus Replikatyvinis ląstelių senėjimas Kita vertus: Tik kai kurių tipų ląstelės intensyviai dalijasi suaugusio žmogaus organizme. Daugelis galutinai diferencijuotų ląstelių (pvz., raumenų ląst., neuronai ir kt.)nesidalija visą likusį individo gyvenimą. Pomitozinių ląstelių telomeros netrumpėja. Nustojusios dalytis ląstelės kultūroje dar ilgai lieka gyvybingos. Replikatyvinis ląstelių senėjimas nėra pagrindinis senėjimo /ilgaamžiškumo mechanizmas.

24. Ląstelinis senėjimas Apoptozė Apoptozė yra genetiškai užprogramuota ląstelių mirtis nepažeidžiant audinių Sunaikinamos nereikalingos ląstelės embriogenezėje Sunaikinamos ląstelės su dideliais genomo pažeidimais Sunaikinamos ląstelės su kitais pokyčiais (susikaupusių “šiukšlių” pašalinimas) Svarbu efektyviam organizmo funkcionavimui Pagreitėjęs ląstelių žuvimas dėl apoptozės sutrikimų Greičiau sensta audiniai / organai Kai kurios degeneratyvinės ligos

25. Ląstelinio senėjimo teorijos STRESO SUKELTAS LĄSTELINIS SENĖJIMAS

26. Thr Phe 16S rRNR CYB Val 23SrRNR Pro Glu ND6 DEAF 1555G Leu LHON 14484C ND5 MELAS 3243G LHON 14459A ND1 LHON 3460A Ile Leu Gln Baltymus koduojantys genai (13): Ser Met LHON 11778A His Ala ND2 Asn NARP 8993G/C Cys MERRF 8344G ND4 ATP sintazės genai Tyr Trp ND4L Ser Arg NADH dehidroge- nazės genai RNR genai(24): ND3 Gly CO1 Citochromo coksidazės genai CO3 rRNR (2) CO2 ATPazė 6 ATPazė 8 Asp Lys Ubichinol:cito-chromo c oksido-reduktazės genas tRNR (22) Žmogaus mtDNR pažaidos mtDNR

27. Genetiniai ilgaamžiškumo aspektai ILGAAMŽIŠKUMAS IR GENAI

28. LMNA genas Alternatyvus sukirpimas Prolaminas A Su branduolio vidine membrana susiję baltymai Laminas A Laminas C Sukirpimo mutacija Kitos mutacijos Pakitęs prolaminas A Emery-Dreifuss muscular dystrophy (AD, AR) John Tacket. Gyveno 16 metų; mirė 2004 m. Cardiomyopathy, dilated, 1A Lipodystrophy, familial partial, type 2 Nėra veiklaus lamino A Muscular dystrophy, limb-girdle, type 1B Charcot-Marie-Tooth disease, axonal, type 2B1 Hutchinson–Guilford sindromas (AD) Mandibuloacral dysplasia with type A Lipodystrophy Werner syndrome, atypical Patologinio senėjimo genai Hutchinson–Guilford sindromas (progerija) Prasideda vaikystėje ~10 kartų pagreitėja senėjimas LMNA geno mutacijos: Ligos dažnis 1 : 4–8 mln.

29. Mutacija RECQL2gene Nėra geno produkto (dauguma mutacijų: nonsens, rėmelio poslinkio) Pakitęs geno produktas(K577M mutacija) Werner sindromas (AR) Patologinio senėjimo genai Werner sindromas (progeroidinis) RECQL2genas(90% atvejų) Prasideda pasibaigus brendimui DNR helikazė Viena iš 5 žinomų žmogaus DNR helikazių, išvyniojančių DNR dvigubą spiralę Ligos dažnis 1 : 1 mln.

30. 18 metų 26 metai Patologinio senėjimo genai Werner sindromas

31. 52 Italijos šimtamečiai • 117 asmenų iki 99 m. Leukocitų mtDNR tyrimas mtDNR reguliacinės srities nukleotidų sekos variantas C150T ~17%99-106 m. amžiaus grupėje ~3,4 %jaunesnio amžiaus grupėje Su žmogaus ilgaamžiškumu susiję genai Ilgaamžiškumo fenotipą formuoja daugelis genų ir daugelis aplinkos veiksnių Sunkumai tiriant

32. Genetiniai ilgaamžiškumo aspektai BIOLOGINIAI MODELIAI

33. Mielės Sacharomyces cerevisiae Nematoda Caenorhabditis elegans Vaisinė muselė Drosophila melanogaster Pelė Mus musculus Kiti žinduoliai Primatai Biologiniai ilgaamžiškumo / senėjimo modeliai Pagrindinių gyvybės mechanizmų evoliucinis konservatyvumas Sunkumai tiriant žmogų Modelių būtinumas Galimybė ekstrapoliuoti

34. Biologiniai ilgaamžiškumo / senėjimo modeliai daf-2 genas  mutacija  6× ilgesnis gyvenimas Caenorhabditis elegans Homologiniai genaikituose organizmuose+mutacijos, prailginančios individų gyvenimą GH / IGF1 ašis, susijusi su senėjimu ir gyvenimo trukme Tačiau: • Geno alelio fenotipinis poveikis gali būti specifinis rūšiai, lyčiai, t.t. aplinkos sąlygoms ir pan. C.elegans daf-2 mutantai ilgiau gyvena laboratorijos sąlygose, bet trumpiau – gamtinėse sąlygose. • Aukštesniuose organizmuosegali pasireikšti antagonistinė pleotropija

35. Eksperimentas su beždžionėmis (vyksta >14 metų): Vidutinė gyvenimo trukmė yra 25 m. Vyriausia 36 m. beždžionė vis dar stipri Dieta Biologiniai ilgaamžiškumo / senėjimo modeliai KALORIJŲ APRIBOJIMAS Kalorijų apribojimas ~30% + pakankamas visų maisto medžiagų kiekis Ilgesnis mielių, kirmėlių, žuvų, žiurkių, pelių gyvenimas. Kalorijų apribojimas gali turėti įtakos įvairiemssu senėjimu siejamiems biocheminiams keliams Teigiamas poveikis daugumai procesų, ilginančių gyvenimo trukmę: Kalorijų apribojimas sukelia psichologinį stresą Biocheminiai pokyčiai • Pokyčiai energijos apykaitoje • Sumažėja nefermentinis glikozilinimas • Padidėja jautrumas insulinui • Pokyčiai neuroendokrininėje sist. , … • Oksidacinis stresas ir kt. gyvenimą trumpinantys veiksniai • Sumažėjęs fertilumas ir kt.

36. Genai, kurie gali būti susijęsu senėjimu / ilgaamžiškumu Nustatyti genai, susijęsu senėjimu / ilgaamžiškumu GenAge duomenų bazė 2005 m. balandis: 220 genų Su ilgaamžiškumu / senėjimu susiję genai Biologinių modelių tyrimai Žmonių tyrimai

37. SU ŽINDUOLIŲSENĖJIMU SUSIJUSIŲ GENŲ KODUOJAMŲ BALTYMŲ SĄVEIKOS TINKLAS Globalus vaizdasGenAge duomenų bazės 6 v. (2004-05-22 duomenys) Pirminė baltymo funkcija: DNR reparacija ir replikacija DNRkompaktiškumas Augimas ir raida Transkripcijos reguliavimas ir signalo perdavimas Redoks ir oksidacijos regul. Atsakas į stresą Apoptozė Kita / nežinoma funkcija

38. IŠVADOS 1. Žmogus užprogramuotas gyventi. 2. Dar nesukurta vieninga senėjimo teorija, paaiškinanti visus žmogaus senėjimo ir ilgaamžiškumo aspektus. 3.

39. Individuali sveiko gyvenimo programa Visuomeninės programos • Atsisakyti žalingų įpročių • Vengti viršsvorio (kalorijų apribojimas + adekvati mityba) • Vengti hipodinamijos (sakingas fizinis krūvis) • Vengti stresų • Gyventi sveikoje aplinkoje • Sveikatos apsauga (įskaitant transplantologiją, ląstelių terapiją, nanomediciną) • Sanitarija ir higiena • Gyvenimo kokybės gerinimas • Moksliniai senėjimo / ilgaamžiškumo tyrimai Kaip tapti ilgaamžiu? Užsitikrinti geriausius genetinius ilgaamžiškumo pagrindus • Rūpestingai pasirinkti tėvus • Modifikuoti genetinį paveldą Padėti organizmui kuo geriau realizuoti iš tėvų paveldėtą genetinę informaciją

40. Šokolado aromatas stimuliuoja seilių liaukas stimuliuojama imuninė sistema. Resveratrolis Kaip tapti ilgaamžiu? Sveikas gyvenimo būdas dažniausiai asocijuojamas su įvairiais apribojimais – dažniausiai to, kas teikia malonumą. Yra duomenų, kad arbata, raudonas vynas ir šokoladas (tiksliau, juose esantys polifenoliai, ypač resveratrolis) gali blokuoti žalingą laisvųjų radikalų poveikį. Suvalgius šokolado, kai kurie su širdies ligomis siejami veiksniai sumažėja net iki 6 val.

41. Kaip tapti ilgaamžiu? Sveikas gyvenimo būdas dažniausiai asocijuojamas su įvairiais apribojimais – dažniausiai to, kas teikia malonumą. Yra duomenų, kad arbata, raudonas vynas ir šokoladas (tiksliau, juose esantys polifenoliai, ypač resveratrolis) gali blokuoti žalingą laisvųjų radikalų poveikį. Suvalgius šokolado, kai kurie su širdies ligomis siejami veiksniai sumažėja net iki 6 val. Šokolado aromatas stimuliuoja seilių liaukas stimuliuojama imuninė sistema.

42. Maksimali gyvenimo trukmė, būdinga biologinei rūšiai Vidutinė gyvenimo trukmė Gyvenimo trukmė 100% Perspektyva Šiaur. Amerikos gyventojai apie 1850-uosius Dabartis: vidutinė gyvenimo trukmė JAV (~80 m.) Mažų žinduolių išgyvenamumas gamtinėje aplinkoje 50% Išgyvenamumas Eksponentinis mažėjimas Senovės romėnai 0%