معلومة

هل يعمل Sirtuin protein family Sir2 في نظام غذائي منخفض السعرات الحرارية في الغالب؟

هل يعمل Sirtuin protein family Sir2 في نظام غذائي منخفض السعرات الحرارية في الغالب؟


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

أنا أقرأ عن عائلة البروتين فيما يتعلق بإطالة عمر الخلية. ومن المعروف أن

لقد تورطت السرتوين في التأثير على مجموعة واسعة من العمليات الخلوية مثل الشيخوخة والنسخ والاستماتة والالتهاب ومقاومة الإجهاد ، فضلاً عن كفاءة الطاقة واليقظة أثناء المواقف منخفضة السعرات الحرارية.

ومع ذلك ، لست متأكدًا مما إذا كانت هذه العمليات الفسيولوجية تتم فقط أثناء المواقف منخفضة السعرات الحرارية. اليقظة على الأقل.

تقول في الورقة الأصلية فقط ذلك

تشير نتائجنا إلى أنه في منطقة ما تحت المهاد ، يعمل SIRT1 كوسيط رئيسي للاستجابة المركزية لتوافر التغذية المنخفضة ، مما يوفر نظرة ثاقبة لدور الوطاء في تنظيم التمثيل الغذائي والشيخوخة في الثدييات.

ومع ذلك ، فإنه لا يحدد كيفية عمل Sir2 مع نظام غذائي عالي السعرات الحرارية. لذلك سألت في الغالب. متى تنشط عائلة البروتين؟

هل تعمل عائلة بروتين Sirtuin غالبًا أثناء اتباع نظام غذائي منخفض السعرات الحرارية؟


هل يعمل sirtuin 1 (SIRT1 / SIR1) للتوسط في تأثيرات نظام غذائي منخفض السعرات الحرارية؟ ربما ، لكنه في الحقيقة غير واضح. هل وظيفة SIRT1 في الأساس هي التوسط في استجابة منخفضة السعرات الحرارية؟ بالطبع لا. ماذا يعني ذلك بالنسبة إلى SIRT2 / SIR2 - ربما لا يرتبط ارتباطًا وثيقًا بإشارات تقييد السعرات الحرارية ، على الرغم من أنه قد يكون متصلاً بطريقة غامضة مماثلة ... ولكن انظر أدناه.

أولاً ، ثبت أيضًا أن SIRT1 له العديد من التأثيرات في العديد من الدراسات المتعلقة بحالات مثل الزهايمر والقلق والوظائف العصبية الأخرى. يعدل SIRT1 p53 - عنق الزجاجة في التكاثر الخلوي والمنظم الرئيسي في الوقاية من السرطان ، ولكنه أيضًا جانب مهم لسبب نشاطه في ظروف تقييد السعرات الحرارية.

عند قراءة مرجع مثل المرجع الذي لديك هنا ، من المهم أن تتذكر أن الارتباط ليس سببية. عدد قليل جدًا من الجينات في الحيوانات يعمل فقط عند تجربة سلوك أو ظروف معينة ، خاصةً الجينات المؤشرة.

عند فحص تقرير OMIM (انظر الرابط أعلاه) ، كان هناك فحص دقيق للدور المحتمل لـ SIRT1 في تقييد السعرات الحرارية منذ أوائل العقد الأول من القرن الحادي والعشرين في فئران خروج المغلوب.

يبدو أن SIRT1 يلعب دورًا مهمًا في التطور الجنيني على سبيل المثال - نمو الخلايا مهم جدًا في تلك المرحلة ويموت 80٪ من الفئران المتماثلة اللواقح SIRT1 (- / -) بالضربة القاضية قبل ولادتها ويموت عدد أكبر في بداية الولادة فترة. تعاني الفئران التي نجت من مشاكل في تكوين خلايا الدم الحمراء وهي حالة مهمة أخرى للتكاثر الخلوي.

ومع ذلك ، فقد تمت مناقشة علاقة الفئران بالضربة القاضية بتقييد السعرات الحرارية - فقد كان من الصعب تفسير النشاط وفقدان الوزن أو اكتساب الفئران بالضربة القاضية مقارنة بالفئران البرية نظرًا لأن SIRT1 بالضربة القاضية أصغر. قد يكون لديهم أيضًا سمات وراثية تعوض غياب SIRT1 من أجل البقاء على قيد الحياة.

في الآونة الأخيرة ، تم إنتاج الفئران التي تم فيها إنتاج تعبير SIRT1 في الدماغ ، ولكن النتيجة كانت القلق أو القلق بدلاً من اتباع نظام غذائي محدد لتقييد السعرات الحرارية.

هذا يذكرني بقصة اللبتين ، في أوائل التسعينيات وجدوا أن الفئران التي تعاني من نقص هرمون اللبتين أصبحت سمينًا جدًا ، ولكن على الرغم من هذا الارتباط الواضح بالسمنة ، تبين أن اللبتين يتوسط في الكثير من العوامل النفسية الأخرى أيضًا - فقد تسبب في السمنة فقط عندما تم حظر وظيفتها. لم يتضح أنه إشارة للشهية.

يبدو أن SIRT2 له دور مماثل في تقييد السعرات الحرارية.

وجد روجينا وآخرون (2002) أنه في ظل ظرفين لإطالة العمر ، فإن طفرات Rpd3 (601241) تغذي طعامًا طبيعيًا وذباب من النوع البري يتغذى على طعام منخفض السعرات الحرارية ، ويزيد تعبير Sir2 مرتين.

ولكن لها أيضًا علاقات مماثلة لمرض الزهايمر. لم تتم متابعة SIRT2 بقدر متابعة SIRT1. قد لا يكون هذا الارتباط سببيًا أو يجب أن يكون دقيقًا بطريقة مماثلة.


هل يعمل Sirtuin protein family Sir2 في نظام غذائي منخفض السعرات الحرارية في الغالب؟ - مادة الاحياء

بروتينات منظم المعلومات الصامت 2 (Sir2) ، أو sirtuins ، هي بروتينات ديسيتيلازات البروتين / أحادي-ADP-ribosyltransferases الموجودة في الكائنات الحية التي تتراوح من البكتيريا إلى البشر. يربط اعتمادهم على نيكوتيناميد الأدينين ثنائي النوكليوتيد (NAD +) نشاطهم بالحالة الأيضية الخلوية. في البكتيريا ، ينظم sirtuin CobB إنزيم الأسيتيل الإنزيم المساعد A (acetyl-CoA) synthetase. لذلك ربما كانت أول وظيفة للسيرتوين هي تنظيم التمثيل الغذائي الخلوي استجابة لتوافر المغذيات. تدعم النتائج الحديثة فكرة أن السرتوينات تلعب دورًا محوريًا في التحكم في التمثيل الغذائي في الكائنات الحية الأعلى ، بما في ذلك الثدييات. تقوم هذه المراجعة بمسح الأدلة على الدور الناشئ للسرتوينات كمنظمين لعملية التمثيل الغذائي في الثدييات.

العنوان الحالي: معهد هوارد هيوز الطبي ، مستشفى الأطفال & # x27s بوسطن ، معهد أمراض المناعة ، وقسم الوراثة ، كلية الطب بجامعة هارفارد ، بوسطن ، ماساتشوستس 02115 ، الولايات المتحدة الأمريكية.


النقاط الرئيسية

تربط السرتوينات انقسام NAD + بخلع البروتينات المستهدفة المهمة في عملية التمثيل الغذائي

ينظم SIRT1 العوامل الرئيسية التي تؤثر على الكربوهيدرات في الكبد والتمثيل الغذائي للدهون

يبطل SIRT1 العمليات التي تؤدي إلى أمراض القلب والأوعية الدموية ومتلازمة التمثيل الغذائي

ينظم SIRT3 التمثيل الغذائي المؤكسد ويثبط إنتاج وتأثيرات أنواع الأكسجين التفاعلية

ينظم SIRT6 توازن الجلوكوز

يمكن تنشيط السرتوينات دوائياً للحماية من الأمراض الأيضية والأمراض المرتبطة بالعمر


خيارات الوصول

احصل على الوصول الكامل إلى دفتر اليومية لمدة عام واحد

جميع الأسعار أسعار صافي.
سيتم إضافة ضريبة القيمة المضافة في وقت لاحق عند الخروج.
سيتم الانتهاء من حساب الضريبة أثناء الخروج.

احصل على وصول محدود أو كامل للمقالات على ReadCube.

جميع الأسعار أسعار صافي.


دور السرتوين في تضخم القلب

بشكل عام ، يعتبر تضخم القلب هو الاستجابة الأولية للقلب للحمل الزائد في الدورة الدموية ، مثل الضغط أو الحمل الزائد ، ويتميز بتخليق البروتين المحسن وإعادة تنظيم القسيم العضلي ، مما يؤدي إلى زيادة حجم خلايا عضلة القلب. يقلل النمو الضخامي في البداية من إجهاد الجدار ، ويحافظ على وظيفة القلب ، ويعمل بمثابة استجابة تعويضية للمنبهات الضخامية ، ولكنه في النهاية يبدأ في تطوير إعادة تشكيل القلب وفشل القلب. يُعترف بالتضخم المرضي كعامل مستقل قوي في قصور القلب. ينظم التعديل القابل للانعكاس لحالة الأسيتيل للبروتينات بواسطة هيستون أسيتيل ترانسفيرازات و HDACs بشكل حاسم نشاط جزيئات الإشارة التي تتوسط تضخم القلب (34). الفئة الأولى HDACs ، بما في ذلك HDAC1 و 2 و 3 و 8 ، تنظم تضخم القلب بشكل إيجابي ، في حين أن الفئة الثانية HDACs ، بما في ذلك HDAC4 و 5 و 7 و 9 ، تنظم بشكل سلبي تضخم القلب (152). يتم التعبير عن الفئة II HDACs فقط في الخلايا غير التكاثرية ، بما في ذلك خلايا عضلة القلب. يؤدي تصدير الفئة II HDACs من النواة إلى العصارة الخلوية في القلب مباشرة إلى نسخ العامل النووي للخلية التائية المنشطة و MEF2 ، وهما المنظمان الإيجابي الرئيسي لتضخم القلب (9). يتم تنظيم الفئة II HDACs من خلال عدة أشكال من التعديل بعد الترجمة ، بما في ذلك الفسفرة ، والتواجد في كل مكان ، والتجمع (9 ، 52 ، 108). في الآونة الأخيرة ، تبين أن Trx1 ينظم النقل المكوكي النووي الخلوي لـ HDAC4 من خلال آلية تعتمد على الأكسدة والاختزال (3). من خلال تكوين مركب متعدد البروتينات مع بروتين 2 و DnaJb5 المرتبط بـ Trx1 ، يقلل Trx1 من HDAC4 في C667 و C669 ، والتي تتأكسد بسهولة لتشكيل رابطة ثاني كبريتيد استجابةً للمنبهات الضخامية. تلعب حالة الأكسدة والاختزال لهذه السيستين دورًا مهمًا في توطين HDAC4 ، وبالتالي تنظيم تضخم القلب (3).

ثبت أن السرتوينات متورطة في تضخم القلب ، على الرغم من أن تأثيراتها تختلف باختلاف الظروف التجريبية. يخفف ريسفيراترول الاستجابة الضخامية التي يسببها الفينيليفرين في خلايا عضلة القلب وتضخم القلب الناجم عن الضغط الزائد. ينخفض ​​التثبيط الدوائي لـ Sirt1 (مع NAM أو sirtinol) ، في حين أن الإفراط في التعبير عن Sirt1 يزيد من حجم خلايا عضلة القلب (6). يخفف الإفراط في التعبير عن Sirt1 من تضخم عضلة القلب الناجم عن البطانة 1 في المختبر عن طريق تدهور H2A.z. يتم منع زيادة وتفعيل Sirt1 الناجم عن فينيليفرين (ناهض ألفا الأدريناليين) عن طريق تثبيط أو تقليل تنظيم AMPK ، مما يؤدي إلى تضخم القلب الموهن. يتم تخفيف التضخم الناجم عن الفينيليفرين في خلايا عضلة القلب عن طريق ريسفيراترول والإفراط في التعبير عن Sirt1. يتم إلغاء هذا التأثير الخافض للضخامة عن طريق تقليل تنظيم PPAR-α. من ناحية أخرى ، يقترن الضغط الزائد مع Sirt1 و PPAR-α في القلب ، والذي يقوم بشكل متناسق بقمع الجينات التي تنظمها ERR ، مما يؤدي إلى تطور تضخم القلب وفشل القلب (الشكل 1) (97). الأهم من ذلك ، أن عدم كفاية الفرد من PPAR-α و Sirt1 يخفف من تضخم القلب استجابةً للحمل الزائد للضغط (97). ومن المثير للاهتمام ، على الرغم من أن المستويات المنخفضة (2.5 ضعفًا) إلى المعتدلة (7.5 أضعاف) من الإفراط في التعبير عن Sirt1 في القلب تخفف من تضخم القلب المرتبط بالعمر ، إلا أن المستوى المرتفع (12.5 ضعفًا) من Sirt1 يزيده (5). وبالتالي فإن تأثير Sirt1 على تضخم القلب قد يتأثر بتوازن التفاعل مع عوامل أخرى ، مثل PPAR-α ، أو شدة الضغط ونوعه. بالإضافة إلى ذلك ، فإن تضخم القلب هو مرض متعدد العوامل ويمكن أن يتأثر أيضًا بتكوين الأوعية ، وموت الخلايا المبرمج ، والتليف. Akt هو أحد الجزيئات الرئيسية التي تنظم تضخم القلب. أظهرت دراسة حديثة أن Sirt1 ينظم بشكل حاسم تنشيط Akt عن طريق نزع الأسيتيل في بقايا اللايسين في مجالات التماثل البليكسترين في Akt. أسيتيل Akt والبروتين كيناز 1 المعتمد على الفوسفوينوزيتيد (PDK1) يعيق ربط Akt و PDK1 بـ PIP3. يعزز Deacetylation لـ Akt بواسطة Sirt1 ارتباط Akt و PDK1 بـ PIP3 ويعزز تنشيطهما ، مما يؤدي إلى تضخم القلب (الشكل 1) (125). من ناحية أخرى ، فإن فئران Sirt1 لديها قلوب أصغر من الفئران من النوع البري وتظهر مقاومة لتطور تضخم القلب استجابة لمحفزات تضخم. بشكل عام ، تؤدي هذه النتائج إلى تكهنات بأن دور Sirt1 كعامل نمو أو عامل مضاد للنمو لخلايا عضلة القلب يتم التحكم فيه بإحكام من خلال حجم تعبير Sirt1.

كما ثبت أن Sirt3 يمنح مقاومة لتضخم القلب. يتم تنظيم Sirt3 أثناء تضخم القلب الخفيف ، بينما ينخفض ​​في تضخم القلب الشديد (126). يؤدي الإفراط في التعبير عن Sirt3 إلى قمع تضخم القلب الناجم عن ناهض. على العكس من ذلك ، تظهر الفئران Sirt3 بالضربة القاضية تفاقم الاستجابة الضخامية. يتم التوسط في التأثيرات المفيدة لـ Sirt3 عن طريق تنشيط النسخ المعتمد على FoxO3 من الكاتلاز و MnSOD ، وقمع نشاط Ras الناجم عن ROS ، وإشارات MAPK / ERF ، وإشارات Akt / PI3K (الشكل 2) (124). يحجب علاج NAD + الخارجي إشارات كيناز الكبد B1-AMPK المضاد للتضخم ، والذي يصاحبه تنشيط Sirt3 ولكن ليس Sirt1 (103) ، مما يشير إلى الدور الحاسم لـ Sirt3 في تضخم القلب والتكرار في أهداف Sirt1.

الصورة 2.مسارات إشارات Sirt3 في القلب. ينظم Sirt3 فتح مسام انتقال نفاذية الميتوكوندريا (mPTP) ، وموت الخلايا المبرمج ، وبقاء الخلية ، بشكل أساسي من خلال نزع أسيتيل بروتينات الميتوكوندريا ، بما في ذلك السيكلوفيلين D (CypD) ، Ku70 ، والمركب I ، بشكل مستقل عن النسخ. يقوم Sirt3 أيضًا بإزالة الأسيتيل من FoxO ، مما يؤدي إلى زيادة تنظيم النسخ من MnSOD والكتلاز وتثبيط تضخم القلب.

تم التحقيق في دور Sirt6 في تضخم القلب باستخدام نماذج فقدان واكتساب الوظيفة (127). أظهرت الفئران Sirt6 خروج المغلوب تضخم القلب وفشل القلب ، في حين أن الإفراط في التعبير عن تضخم القلب الموهن Sirt6 ، مما يشير إلى أن Sirt6 ينظم بشكل سلبي تضخم القلب. بخلاف Sirt1 و Sirt3 ، يعمل Sirt6 للتخفيف مباشرة من عامل النمو الشبيه بالأنسولين (IGF) - إشارات Akt على مستوى الكروماتين (الشكل 3) (127).

تين. 3.مسارات إشارات Sirt6 في القلب. يزيل Sirt6 الهيستونات في Lys9 ، وبالتالي قمع عامل النمو الشبيه بالأنسولين (IGF) - مسار Akt وتضخم القلب. يزيد Sirt6 من مقاومة إصابة القلب بنقص التأكسج عن طريق تحفيز AMPK-α و Bcl2 وتثبيط NK-κB و Akt. pAkt ، acetylated فوسفو-أكت.

في حين أظهرت دراسة حديثة أن Sirt2 مطلوب لتفعيل Akt الأمثل في الخلايا المستجيبة للأنسولين وعامل النمو ، لا يزال دور Sirt2 في تضخم القلب غير واضح. وبالمثل ، على الرغم من أن Sirt4 و Sirt5 و Sirt7 ، مثل Sirt1 و Sirt3 ، يبدو أنها تحمي من الإجهاد في القلب ، لم يكن هناك تقرير حتى الآن بشأن دور هذه البروتينات في تضخم القلب.


مناقشة

لقد ولدت Sirtuins اهتمامًا كبيرًا كلاعب مهم في بيولوجيا الشيخوخة. من المتفق عليه عمومًا أن السرتوينات لها دور في إطالة عمر الكائنات الحية المختبرية من خلال التوسط في التأثيرات المضادة للشيخوخة لنظام غذائي منخفض السعرات الحرارية (تقييد السعرات الحرارية) (Haigis & Guarente ، 2006). في الثدييات ، هناك سبعة متماثلات سيرتوين (SIRT1 إلى SIRT7) ، والتي من المحتمل أن يكون لها دور في التكيف مع الحرمان من الطعام والضغوط البيئية الأخرى. من بين هؤلاء السبعة ، تمت دراسة الأنشطة البيولوجية لـ SIRT1 و SIRT2 جيدًا. SIRT1 هو بروتين نووي في معظم أنواع الخلايا. يزيل الأسيتيل عوامل النسخ والعوامل المساعدة التي تنظم العديد من مسارات التمثيل الغذائي في استقلاب الطاقة (Li وآخرون. ، 2007) والإيقاع اليومي (Nakahata وآخرون، 2008). يُعتقد أن SIRT1 له وظيفة مهمة في توازن الجلوكوز واستقلاب الدهون في الأنسجة المختلفة بما في ذلك الأنسجة الدهنية والكبد والبنكرياس والعضلات الهيكلية (Kume وآخرون، 2010). ترتبط أهداف SIRT1 الأخرى بتحمل الإجهاد وإصلاح الحمض النووي (Nakagawa & Guarente ، 2011) والالتهاب (Yeung وآخرون، 2004). يتوسط Sir2 في إسكات النسخ في مناطق مختارة من جينوم الخميرة ، وقد ثبت أن العمر الافتراضي لخلايا الخميرة الأم مرتبط بزيادة نشاط إسكات Sir2 عند تكرار الحمض النووي الريبوزومي (Kaeberlein وآخرون., 1999 ).

تم نشر العديد من التقارير حول الارتباط بين السرتوينات والحالات المرضية مثل مرض السكري وأمراض التمثيل الغذائي وأمراض القلب والأوعية الدموية وأمراض التنكس العصبي والسرطانات في السنوات الأخيرة في الغالب في نماذج حيوانية (Guarente ، 2014). بالمناسبة ، كل هذه الحالات مرتبطة بعملية الشيخوخة. هناك أدلة قوية على ربط السرتوين بعملية الشيخوخة والأمراض المرتبطة بالعمر والتدخلات المضادة للشيخوخة. في هذه الدراسة ، جرت محاولة لربط السرتوينات بمتلازمة الشيخوخة الرئيسية التي هي هشاشة. كانت سيرتوينات المصل (SIRT1 و 2 و 3) أقل بشكل ملحوظ في حالات الضعف بالمقارنة مع غير الحشائش بعد التعديل للعديد من الإرباكات مثل العمر والجنس وداء السكري وارتفاع ضغط الدم والضعف الإدراكي وعدد الأمراض المصاحبة. انخفضت مستويات SIRT 1 و 3 لدى مرضى السكري وارتفاع ضغط الدم ، لكن المستويات كانت أقل لدى الأفراد الضعفاء والمصابين بالسكري أو ارتفاع ضغط الدم. انخفضت أيضًا مستويات SIRT 1 و 3 مع تقدم العمر وزيادة عدد الأمراض المصاحبة ، لكن الانخفاض كان أكثر في الأشخاص الأكثر ضعفًا مقارنةً بالمسنين غير الحراس. كان مستوى SIRT 2 أيضًا أقل في حالة الضعف مقارنة مع المستوى غير الحرفي الذي وصل إلى مستوى الدلالة الإحصائية.

هذا هو التقرير الأول الذي يربط السرتوين المنخفض بشكل ملحوظ بالضعف. تم التحقق من صحة نتائج تقنية SPR من خلال تحليل لطخة ويسترن التي تعتبر معيارًا ذهبيًا لتحليل البروتينات. قيمت الدراسات السابقة التي أجريت على مجموعة CHAMP تعبير SIRT1 في خلايا SK Hep1 المزروعة في وجود عينات مصل تم الحصول عليها من الأفراد الضعفاء أو غير الفاسدين ووجدت أنه لا يوجد ارتباط بين الضعف والتعبير عن SIRT1 في الخلايا. اقترح التحليل اللاحق أنه قد يكون هناك ارتباط متناقض بين تعبير SIRT1 المنخفض الناجم عن المصل والمتانة (Le Couteur وآخرون. ، 2011). علاوة على ذلك ، وافق مؤلفو دراسة CHAMP على أن نتائجهم كانت غير متوقعة ، نظرًا لأن التعبير النسجي العالي لـ SIRT1 كان يُعتبر مفيدًا بشكل عام ، وقد تم تحريضه بواسطة CR ومن المتوقع أن يكون أعلى في الحيوانات الأصغر سنًا.

هناك بعض العوامل البيولوجية التي تم استخدامها كمؤشرات حيوية للضعف ، وهي الالتهاب (Leng وآخرون. ، 2002 ، 2004 ، 2007 ، 2009) ، السمنة المركزية ، ألبومين المصل ، الإجهاد التأكسدي (وو وآخرون.، 2009) ، فيتامين إي (بل وآخرون، 2006) ، و 25 هيدروكسي فيتامين د (هيراني وآخرون، 2013). ومع ذلك ، فإن هذه المعلمات غير محددة ولا تشير إلى أي مسار ميكانيكي. على الرغم من ارتفاع عدد المرضى الضعفاء في الممارسة السريرية ، حتى الآن ، لم يتم تحديد أي علامة بيولوجية تشخيصية للضعف ، ربما بسبب الانخفاض في الوظائف الفسيولوجية المتعددة. قد يساعد الفهم الأفضل للتأثيرات المضادة للشيخوخة في CR على المستوى الجزيئي في النهاية في تطوير هدف تشخيصي وعلاجي قوي للضعف ، وقد تظهر السرتوينات كجزيئات رئيسية في هذا الصدد.

أظهرت نتائج ROC أن مصل SIRT1 و SIRT3 لهما إمكانات كبيرة ليكونا علامة بروتين تشخيصية للضعف لدقته في مجموعة الدراسة. هذه هي الدراسة الأولى التي تبلغ عن الأهمية التشخيصية سريريًا لـ SIRT1 و SIRT3 كواسم لبروتين المصل للضعف.


الأيض الخلوي الآثار الأساسية لل IF

بالإضافة إلى دوره كناقل للطاقة ، فإن بيتا هيدروكسي بوتيرات (& # x003b2OHB) يرتبط بالمستقبلات خارج الخلية ويثبط إنزيمات أسيتيل هيستون من الصنف الأول ، والتي قد تعزز مقاومة الإجهاد التأكسدي [57،58]. وبالتالي ، من المحتمل أن تكون التعديلات اللاجينية مدفوعة بالارتفاعات التي يسببها الصيام & # x003b2OHB. الزيادات في & # x003b2OHB تغير التعبير الجيني في المسارات الحساسة للمغذيات المتورطة في طول العمر. & # x003b2OHB أيضًا يعزز التأثيرات المضادة للالتهابات عن طريق منع تنشيط الجسيم الملتهب NLRP3 [59] وتفعيل مجموعة فرعية واقية من الضامة في دماغ الفأر [60]. بالإضافة إلى الارتباط بين IF والمقاومة العصبية ، وجدت الدراسات التي أجريت على الحيوانات أن IF يمكن أن يؤثر على الإجهاد التأكسدي.

الاكسدة

يقلل CR من الإجهاد التأكسدي عن طريق الحد من توليد الميتوكوندريا لـ ROS وزيادة نشاط مضادات الأكسدة الذاتية مما يؤدي إلى تقليل الضرر التأكسدي للبروتينات الخلوية والدهون والأحماض النووية [61،62]. ومع ذلك ، فإن IF له تأثيرات مختلطة على الإجهاد التأكسدي في النماذج الحيوانية [63]. من الناحية النظرية ، قد تحفز IF الهرمونات ، مما يؤدي إلى تغييرات تكيفية مفيدة تشمل تنشيط بروتين كيناز المنشط بـ AMP ، وشبكة الميتوكوندريا وإعادة تشكيل البيروكسيسوم ، وزيادة إنتاج إنزيمات مضادات الأكسدة [42،64،65].

في الفئران البالغة من العمر 8 أشهر والمعرضة لخطر الإصابة بسرطان الغدد الليمفاوية ، ارتبط ADF بانخفاض كبير في سرطان الغدد الليمفاوية (0 ٪ مقابل 33 ٪ من الضوابط) ، وانخفاض إنتاج ROS في الطحال ، وزيادة نشاط ديسموتاز الفائق المضاد للأكسدة [66]. ومع ذلك ، أبلغت Cerqueria عن زيادة الإجهاد التأكسدي في جرذان Sprague-Dawley البالغة من العمر 8 أسابيع والتي خضعت لـ 32 أسبوعًا من ADF [67]. كانت مجموعة ADF قد ساءت من تحمل الجلوكوز ، وخفضت الأديبونكتين ، وزادت نترات مستقبلات الأنسولين وإطلاق ROS في AT داخل البطن والعضلات [67]. ومن ثم ، على عكس CR طويل الأجل ، قد يترافق ADF طويل الأجل مع زيادة Si والضغط التأكسدي. أبلغت دراسة أخرى هذه النتائج المختلطة. كان لشهر واحد من ADF في جرذان Sprague-Dawley البالغة من العمر 8 أسابيع تأثيرات معقدة خاصة بالأنسجة على توازن أنواع الأكسجين التفاعلية في الفئران [68]. على سبيل المثال ، زادت المؤشرات الحيوية للضرر التأكسدي في الكبد والدماغ ولكنها انخفضت في القلب [68]. ومن ثم ، فإن تأثيرات IF تعتمد على نموذج الحيوان ، والعمر عند البدء ، وعينات الأنسجة.

الالتهام الذاتي هو عملية تقويضية لإعادة تدوير المغذيات وهو أمر ضروري للدفاع ضد الإجهاد التأكسدي. تحفز مسارات استشعار المغذيات الالتهام الذاتي [69]. إذا ثبت أنه يستعيد وظيفة البلعمة الذاتية ، وبالتالي يحافظ على جودة العضية. هذه الوظيفة التصالحية تضعف بسبب مقاومة الأنسولين [70] ومرض السكري الناجم عن السمنة في الفئران التي تغذت على نظام غذائي غني بالدهون [71]. ومع ذلك ، فإن البيانات المتعلقة بآليات IF في البشر محدودة. اتبعت 23 امرأة في فترة ما قبل انقطاع الطمث (مؤشر كتلة الجسم 25 & # x0201329.9 كجم / م 2) حمية ICR (يومين في الأسبوع بنسبة 65٪ CR) لدورة شهرية واحدة [72]. بعد التدخل ، زاد 196 مستقلبًا (بما في ذلك & # x003b2OHB و acylcarnitine) وانخفضت بشكل ملحوظ 331 مستقلبًا (بما في ذلك حمض السكسينيك والألانين وحمض الجلوتاميك والتيروزين). قارنت هذه المجموعة أيضًا تأثيرات بروتوكول ICR على المستقلب في مجموعة أخرى من النساء في فترة ما قبل انقطاع الطمث ووجدت العديد من الاتجاهات المماثلة [73].

التأثيرات الالتهابية

يرتبط الإجهاد التأكسدي ارتباطًا وثيقًا بالالتهاب. عشرة أشخاص يعانون من السمنة والربو اتبعوا بروتوكول ADF لمدة شهرين [36]. انخفض وزن الجسم بمعدل 8 ٪ وزادت ذروة تدفق الزفير ونوعية الربو من درجات الحياة [36]. ارتبط هذا التدخل بتخفيضات كبيرة في الواسمات الالتهابية ، بما في ذلك TNF - & # x003b1 والسيراميد ، وعلامات الإجهاد التأكسدي ، بما في ذلك بروتين كاربونيل و 8-isoprostane.

في الفئران ، يزيد IF عامل نمو البطانة الوعائية (VEGF) في WAT ، مع تنشيط الضامة البديل وتكوين WAT [74]. يرتبط التعبير الجيني لـ VEGF ، وتفعيل البلاعم البديل ، والبروتينات المرتبطة بالخلايا الشحمية البيج بشكل إيجابي في AT البشري. يشير هذا إلى أن IF قد تنظم نفس المسار.

يرتبط الصيام بارتفاعات في أجسام الأحماض الدهنية والكيتونية ، بما في ذلك & # x003b2OHB ، والتي قد يكون لها تأثيرات معاكسة على الالتهاب. قد يؤدي ارتفاع FFA أثناء الصيام إلى تنشيط المسارات الالتهابية [75] وتقليل Si [76] ، بينما قد تؤدي الارتفاعات في & # x003b2OHB إلى تنشيط المسارات المضادة للالتهابات وتغيير استقلاب الوقود كما هو موضح أعلاه. تجري مجموعتنا حاليًا تجربة سريرية تجريبية حول تأثيرات المكملات الغذائية للدهون الثلاثية متوسطة السلسلة (MCT) ، والتي يتم استقلابها في & # x003b2OHB (<"type": "Clinical-trial"، "attrs": <"text" : "NCT02783703" ، "term_id": "NCT02783703" >> NCT02783703). مكملات MCT قد تنشط مسارات مضادة للالتهابات من خلال & # x003b2OHB دون الإضرار بارتفاع الأحماض الدهنية الأحيائية.

قد يلعب FFA المنطلق من تحلل الدهون في الخلايا البدينة دورًا مهمًا في إطلاق eicosanoid والتحكم في تنشيط المناعة [77]. تحفز الأحماض الدهنية المشبعة استجابة التهابية في الضامة بينما الأحماض الدهنية الأحيائية غير المشبعة لا تحفز [78]. وبالتالي ، يلعب FFA المنطلق من تحلل الدهون دورًا مهمًا في التهاب AT الناجم عن السمنة [79] ، وتنظيم المناعة [80] ، وتحفيز إنتاج VLDL الكبدي [81].

يرتبط الصيام المستمر بالتنكس الدهني الحاد وزيادة مقاومة الأنسولين [82]. الأشخاص ذوو الوزن الطبيعي الذين صاموا لمدة 72 و 120 ساعة زادوا من الدهون العضلية (IMCL) [83،84]. ارتبط الصيام لمدة 60 ساعة في الذكور الأصحاء بارتفاع مستوى IMCL ، وزيادة مقاومة الأنسولين ، وارتفاع تسعة أضعاف في FFA [83]. الارتفاعات المطولة في FFA ، جنبًا إلى جنب مع متلازمة التمثيل الغذائي ومقاومة الأنسولين ، تساهم في زيادة IMCL الكبدي والسمية الدهنية ، مما يؤدي إلى التهاب الكبد الدهني غير الكحولي [84]. ومع ذلك ، فقد ثبت أن ADF في الفئران يحفز التغيرات الأيضية التي تحمي من تنكس دهني [85]. تحمي الزيادات في تكوين الكيتون أثناء الصيام من التهاب الكبد الدهني في الفئران [86] وبالتالي ، قد يكون لها نفس التأثيرات الوقائية عند البشر.

تمت دراسة تأثيرات IF على الالتهاب في الحد الأدنى عند البشر. بينما تم تقييم آليات المستوى الخلوي في النماذج الحيوانية ، إلا أن التطبيق في النماذج البشرية نادر. يقترح التحليل الخلوي والنماذج الحيوانية تأثيرًا متعارضًا على الالتهاب. على الرغم من فهم هذه الآليات الخلوية ، فمن غير الواضح ما إذا كان IF له تأثيرات مفيدة على الإجهاد التأكسدي والالتهاب لدى الإنسان.


الاستنتاجات والتوجهات المستقبلية

النظام الغذائي والتمارين الرياضية والجوانب الأخرى لتفاعلنا اليومي مع البيئة لديها القدرة على تغيير صحة الدماغ والوظيفة العقلية. نحن نعلم الآن أن مغذيات معينة تؤثر على الإدراك من خلال العمل على الأنظمة الجزيئية أو العمليات الخلوية التي تعتبر حيوية للحفاظ على الوظيفة الإدراكية. يثير هذا الاحتمال المثير في أن التلاعب في النظام الغذائي هو استراتيجية قابلة للتطبيق لتعزيز القدرات المعرفية وحماية الدماغ من التلف ، وتعزيز الإصلاح ومواجهة آثار الشيخوخة. تشير الأبحاث الناشئة إلى أن تأثيرات النظام الغذائي على الدماغ تتكامل مع إجراءات أنماط الحياة الأخرى ، مثل التمارين (انظر الإطار 2) والنوم 131 ، 132. إن العمل المشترك لأنظمة غذائية معينة وممارسة الرياضة على تنشيط الأنظمة الجزيئية التي تشارك في اللدونة المشبكية له آثار قوية على الصحة العامة وتصميم التدخلات العلاجية. نظرًا للنتائج المشجعة للدراسات السريرية وما قبل السريرية التي أظهرت الآثار المفيدة للأطعمة على الدماغ ، فقد جذب هذا الموضوع اهتمامًا كبيرًا من وسائل الإعلام. بعض المعلومات التي تم نقلها كانت ضبابية أو مبالغ فيها ، وساهمت في تخوف الناس من الاستفادة من التقدم العلمي. كما تمت مناقشته ، وُجد أن العديد من المكونات الغذائية لها تأثيرات إيجابية على الإدراك ، ومع ذلك ، يجب توخي الحذر ، لأن النظام الغذائي المتوازن لا يزال حجر الأساس لأي مكملات غذائية. وعلى نفس المنوال ، فإن الوصفات الغذائية الشائعة التي قد تساعد في إنقاص الوزن لا تفيد بالضرورة فسيولوجيا الجسم أو العقل.

ترتبط شبكات الدماغ المرتبطة بالتحكم في التغذية ارتباطًا وثيقًا بتلك التي تشارك في معالجة العواطف والمكافأة والإدراك. من المحتمل أن ينتج عن فهم أفضل لكيفية تفاعل هذه الشبكات معلومات أساسية لتطوير استراتيجيات للحد من إدمان الطعام والسمنة ، وهو عبء اجتماعي واقتصادي كبير في المجتمع الغربي. من المشجع أن الطب النفسي الحديث قد بدأ في تقييم تنفيذ بعض هذه المفاهيم لعلاج الاضطرابات النفسية المختلفة. على سبيل المثال ، قدم تقرير إجماع من الجمعية الأمريكية للطب النفسي ولجنة أبحاث العلاج النفسي # x02019s مبادئ توجيهية عامة لاستخدام أحماض أوميغا 3 الدهنية لعلاج اضطرابات المزاج 80.

حقيقة أن العوامل الغذائية والجوانب الأخرى من نمط الحياة لها تأثير على الجدول الزمني طويل المدى يساهم في التقليل من أهميتها للصحة العامة. وفقًا لذلك ، فإن التدهور المعرفي البطيء وغير المحسوس الذي يميز الشيخوخة الطبيعية يقع ضمن نطاق عمل أغذية الدماغ ، مثل أن الشيخوخة الناجحة هي هدف يمكن تحقيقه للعلاجات الغذائية. قد يكون لقدرة النظام الغذائي على تعديل القدرات المعرفية آثار طويلة المدى في ضوء الدراسات الحديثة التي تشير إلى أن التأثيرات الغذائية قد تنتقل عبر الأجيال من خلال التأثير على الأحداث اللاجينية. تشير الأبحاث التي تشير إلى أن الإفراط في تناول السعرات الحرارية قد يبطل الآثار الإيجابية لبعض الأنظمة الغذائية إلى وجود خط غير محدد بين وفرة الأطعمة والصحة العصبية. ومن المفارقات ، إذا حكمنا من خلال المعدل المتزايد للسمنة في الدول الغربية ، والذي يؤثر على صحة الأفراد والاقتصاد ككل ، فإن تناول الطعام المفرط في هذه الدول الغنية يبدو ضارًا مثل نقصه في البلدان الفقيرة. من المثير للاهتمام أن العديد من البلدان ذات الموارد المحدودة ، مثل الهند ، لديها معدل انتشار منخفض للاضطرابات العصبية المرتبطة بالنظام الغذائي ، مثل مرض الزهايمر ومرض # x02019. وهذا يثير القلق بشأن ما إذا كانت المجتمعات الصناعية تستهلك نظامًا غذائيًا متوازنًا يأخذ في الاعتبار الأعداد المناسبة من السعرات الحرارية بالإضافة إلى العناصر الغذائية المناسبة والمستويات الكافية من التمارين. لا تزال العديد من الأسئلة العملية المتعلقة بتصميم النظم الغذائية لتحسين وظائف الدماغ على وجه التحديد ، مثل نوع وتكرار وكمية العناصر الغذائية التي تشكل غذاء دماغًا صحيًا ، بحاجة إلى إجابة ، لكننا بدأنا في الكشف عن المبادئ الأساسية التي تشارك في إجراءات الأطعمة على الدماغ. قد يكون دمج هذه المعرفة في تصميم علاجات جديدة أمرًا حيويًا لمكافحة الأمراض العقلية والضعف العصبي.


محولات المسارات اللاجينية

يشير مصطلح علم التخلق إلى التغيرات المظهرية الموروثة الناتجة عن التعديلات اللاحقة للكروماتين ، بدلاً من التغيرات الجينية التقليدية القائمة على الطفرات. مثل هذه التعديلات التساهمية وغير التساهمية للحمض النووي والبروتينات (على سبيل المثال ، الهستونات) تغير حالة التشكل الكروماتين وتسبب التغييرات المقابلة في نشاط النسخ (Jaenisch & # x00026 Bird ، 2003 Goldberg وآخرون & # x000a0al. ، 2007 بيكر وآخرون & # x000a0al، 2008). يمكن استنباط التأثيرات اللاجينية بثلاث وسائل رئيسية متميزة: (1) مثيلة الحمض النووي (2) تعديلات هيستون بعد الترجمة و (3) تدخل الحمض النووي الريبي غير المشفر (غولدبرغ وآخرون & # x000a0al. ، 2007 بيكر وآخرون & # x000a0al، 2008). تشير الدراسات التوأم إلى أن الجينات عند الولادة تحدد 25 ٪ فقط من العمر ، لذلك يُقترح أن العوامل اللاجينية تساهم أيضًا في الشيخوخة. من المحتمل أن تتأثر هذه العوامل اللاجينية بنمط الحياة والنظام الغذائي والضغط الخارجي ، مما يزيد من احتمالية تطوير استراتيجيات لتخفيف الخلل الخلوي المرتبط بالعمر (Imai). وآخرون & # x000a0al. ، 2000 لونغو ، 2009).

على الرغم من أن التلاعب بالإنزيمات (سيرتوينات ، هيستون أسيتيل ترانسفيرازات ، هيستون ديسيتيلاسز) التي تنظم حالة (دي) أستلة الكروماتين (والأهداف الأخرى) يمكن أن تطيل عمر الخميرة والذباب والديدان ، فإن دور تعديلات الهيستون في تنظيم العمر غير مفهوم جيدًا . تم تقديم نموذج ذبابة مؤخرًا يمكن من خلاله تقييم تأثير طفرات الهيستون على الشيخوخة والعمر (Pengelly وآخرون & # x000a0al., 2013).

مادة البوليامين التي تحدث بشكل طبيعي ، سبيرميدين ، تثبط بشكل مباشر هيستون أسيتيل ترانسفيراز (HATs) ، وبالتالي تحافظ على هيستون H3 في حالة نقص الأسيتيل (أيزنبرغ وآخرون & # x000a0al، 2009). وظيفيًا ، ينتج عن هذا مقاومة أعلى للحرارة والإجهاد التأكسدي بالإضافة إلى انخفاض ملحوظ في معدلات نخر الخلايا أثناء الشيخوخة في خلايا الإنسان وخلايا الخميرة. اللافت للنظر أن هذه الآلية تطيل العمر الزمني عبر الأنواع ، بما في ذلك الذباب والديدان الخيطية والخلايا البشرية. تدعم هذه البيانات المجموعة الحالية من المعرفة المتعلقة باستلة الهيستون في صيانة العمر ، بما في ذلك اكتشاف أن حذف sas2 ، الذي يشفر هيستون أسيتيل ترانسفيراز ، يطيل العمر التكراري في الخميرة (Dang) وآخرون & # x000a0al، 2009). يعادي Sas2 Sir2 ، وهو مادة هيستون ديسيتيلز بارزة تشارك في الشيخوخة ، ويؤدي حذفه إلى استقرار مستويات Sir2 في الخلايا الشيخوخة ، مما يسمح بمستوى قاعدي منخفض من الأسيتيل على بقايا هيستون محددة مرتبطة بتنظيم طول العمر (Raisner & # x00026 Madhani ، 2008). أخيرًا ، تتكون طريقة بسيطة لتغيير أستيل هيستون المرتبط بالعمر من استراتيجيات غذائية تستنفد أسيتيل CoA الخلوي ، المتبرع الوحيد لتفاعلات الأسيتيل. في الواقع ، لقد ثبت مؤخرًا أن استنفاد الأسيتيل CoA كافٍ لتحريض الالتهام الذاتي وإطالة العمر ، على الرغم من أنه من غير المعروف ما إذا كانت هذه التأثيرات تعتمد على التغيرات اللاجينية (Eisenberg وآخرون & # x000a0al. ، 2014 مارينو وآخرون & # x000a0al., 2014).

في البشر ، يجب مراعاة المواد الطبيعية غير السامة فقط ، مثل سبيرميدين أو ريسفيراترول ، والتي تؤدي إلى نزع استيل الكروماتين ، للاختبار السريري (مورسيلي) وآخرون & # x000a0al. ، 2011). As a caveat, mechanistic understanding of this strategy is highly challenging as the drugs could have many off-target effects and even at the epigenetic level, the integrated response of multiple histone sites might be needed to mediate anti-aging effects. However, data from mice and humans indicate that spermidine has the potential to be safe for testing its epigenetic-dependent and independent effects on human healthspan. In one human study, a polyamine-rich traditional Japanese food (fermented soybeans) showed significant enhancement of polyamine concentration in the blood of the participants without obvious adverse effects (Soda وآخرون & # x000a0al., 2009).


Does Sirtuin protein family Sir2 work in low-calorie diet mostly? - مادة الاحياء

Chapter 20 Utilizing Calorie Restriction to Evaluate the Role of Sirtuins in Healthspan and Lifespan of Mice Jessica Curtis and Rafael de Cabo Abstract Calorie restriction is the most powerful method currently known to delay aging-associated disease and extend lifespan. Use of this technique in combination with genetic models has led to identification of key metabolic regulators of lifespan. Limiting energy availability by restricting caloric intake leads to redistribution of energy expenditure and storage. The signaling required for these metabolic changes is mediated in part by the sirtuins at both the posttranslational and transcriptional levels, and consequently, sirtuins are recognized as instigating factors in the regulation of lifespan. This family of class III protein deacetylases is responsible for directing energy regulation based on NAD+ availability. However, there are many effectors of NAD+ availability, and hence sirtuin action, that should be considered when performing experiments using calorie restriction. The methods outlined in this chapter are intended to provide a guide to help the aging community to use and interpret experimental calorie restriction properly. The importance of healthspan and the use of repeated measures to assess metabolic health during lifespan experiments are strongly emphasized. Key words Sirtuins, Calorie restriction, Lifespan, Healthspan

Introduction In most animal models, limiting available energy by reducing caloric intake improves many metabolic health parameters, delaying onset of cancer, diabetes, cataracts, hypertension, and dyslipidemia [1–3]. It also enhances neuroprotection against age-related decline of cognitive function, stroke, and neurodegenerative diseases [4–6]. Consequently, calorie restriction (CR) serves as a strong positive effector on lifespan. As early as the 1930s, laboratory models of CR demonstrated extended lifespan in rodents exposed to a low calorie diet, predominantly due to reduced incidence of cancer [7]. Since then, efforts of CR studies have focused on elucidating the mechanism by which CR enhances lifespan and developing genetic models or pharmaceutical CR mimetics. Several molecular candidates have been implicated as effectors of CR, such as insulin-like growth factor (IGF-1), mammalian

Matthew D. Hirschey (ed.), Sirtuins: Methods and Protocols, Methods in Molecular Biology, vol. 1077, DOI 10.1007/978-1-62703-637-5_20, © Springer Science+Business Media, LLC 2013

Jessica Curtis and Rafael de Cabo

target of rapamycin (mTOR), and silent mating-type information regulator (SIRT1) [8]. The commonality between these molecules is their regulation of bioenergetics. SIRT1 belongs to the sirtuin family of class III protein deacetylases and contributes to the coordination of energy metabolism by directing cellular processes in accordance with the availability of the metabolic currency, NAD+. Low energy conditions like fasting or exercise increase the NAD+/ NADH ratio leading to sirtuin activation and deacetylation of protein targets such as AMPK, PGC-1α, p53, FOXO, and NFκB [9]. Sirtuin-activated signaling promotes energy redistribution in the form of lipolysis in the adipocyte, gluconeogenesis in the liver, and insulin secretion from the pancreas [10–12]. These efforts to maintain bioenergetic homeostasis inherently preserve organismal survival, illuminating an intimate relationship between energy sensing and longevity. The essential role of SIRT1 in mediating the bioenergetic effects of CR is still controversial, which may be due to subtle experimental variations. In lower organisms, such as yeast and worms, the SIRT1 orthologue Sir2 is required for CR to extend lifespan [13, 14]. CR induces SIRT1 expression in a variety of rodent tissues as well as in human cells treated with serum from CR rats [15]. SIRT1 null mice do not have extended lifespan when maintained on a CR diet for 10 months [16]. However, they also present with developmental defects and only survive on an outbred genetic background [17, 18]. These developmental issues may confound the interpretation of lifespan extension. The predominant evolutionary theory for CR-mediated lifespan extension is that survival in times of nutritional stress depended on effective shifts in energetic usage [8]. Therefore, it is easy to envisage that SIRT1 null mice may possess the stress pathways relevant to confer CR benefits but developmental defects inundate these overlapping signals, preventing the manifestation of benefits. Conditional SIRT1 knockout models will provide better evidence for the effects of SIRT1 on CR-mediated longevity by bypassing problems associated with loss of SIRT1 expression during embryonic and adolescent development [17]. Gain-of-function data on the role of SIRT1 in healthspan is notably less deniable. Whole-body SIRT1 transgenic mice exhibit the beneficial qualities invoked by the CR regimen such as lean body composition, reduced blood insulin and glucose levels, reduced levels of DNA damage, and decreased incidence of cancer but not extended lifespan [19, 20]. Furthermore, with the added stressor of a high-fat diet, SIRT1 overexpression protects against diet-induced metabolic damage [21], and activation of SIRT1 by

Utilizing Calorie Restriction to Evaluate the Role of Sirtuins in Healthspan…

pharmacological treatments, such as SRT1720, leads to extended healthspan and survival under high-fat diet conditions [22]. The survival effects of CR are not universal. Recently our lab has demonstrated in a longitudinal study that CR in rhesus monkeys does not extend survival [23], contrasting results of a previously published monkey study showing that CR did extend lifespan [24]. This outcome is speculated to arise from differences in diet composition, genetic background, feeding patterns, and statistical analysis. These publications highlight the importance of complete methodological reporting in the literature. There are many factors to consider when interpreting results of a CR experiment including circadian rhythm, diet composition, animal enrichment, and background strain. Many biomarkers of aging have been proposed in the field of aging, but lifespan analysis remains the gold standard. This is an easily measurable parameter and typically is demonstrated by a Kaplan–Meier curve. However, quality of life is as important as length of life, and in rodent models this is more difficult to characterize. Definitions of healthspan vary depending on the focus of each given research project, but generally, healthspan is considered to be the time that passes prior to the onset of age-related diseases. In humans, this can be monitored by parameters such as body-mass index, glucose tolerance, serum triglycerides, blood pressure, pulse wave velocity, bone density, waist:hip ratios, or even visual accommodation and a variety of mild physical stress tests, i.e., progressively inclined treadmill performance. These measures are tracked through the life of a patient and indicate when health issues arrive. Regardless of the parameters selected, in order to properly define healthspan in any particular model, it is crucial to have repeated measures of health parameters to identify the onset of impairments. Healthspan cannot be assessed by endpoint analysis. A longitudinal approach detailing metabolic alterations must be used to monitor metabolic health throughout the lifetime of an organism. No single panel of parameters characterizing healthspan has been defined, and measurements of healthspan are so inconsistent in the literature that meta-analyses and inter-study comparisons are difficult or impossible. Standardization of these measures is needed to ensure congruency between reports concerning healthspan. Our lab has developed a longitudinal approach for lifespan studies that integrates repeated measures to assess healthspan in addition to lifespan (Fig. 1). The methods outlined in this paper can be used to provide a more complete analysis of healthy aging, and specifically, how to properly use the CR paradigm in mice.

Jessica Curtis and Rafael de Cabo

Fig. 1 Testing interventions for longitudinal assessment of healthspan and lifespan. In order to determine the effect of the intervention on healthspan and lifespan, data should be collected at regular intervals throughout the study

1. Scale to weigh food and animals. 2. Mouse housing cages (see Note 1). 3. Purified diet (see Note 2).

Animal care and handling should be performed strictly according to approved institutional animal care protocols. Twelve-month-old C57Bl/6 mice are often the type of animals used in CR studies, but various ages, strain backgrounds, and genetic modification have also been used in published studies (see Notes 3 and 4).

3.1 Monitoring Food Consumption in Ad Libitum Animals

1. Place pre-weighed food in the hopper (see Notes 5 and 6). 2. After 7 days, weigh the food remaining in the hopper and calculate the food consumed per animal per day. 3. Monitor food consumption in AL animals for duration of the study or until the body weights of the CR cohort plateaus for 2–3 weeks. As the AL animals become moribund or die, it is customary to fix the CR intake at the final, accurately measured

Utilizing Calorie Restriction to Evaluate the Role of Sirtuins in Healthspan…

level (Basing the CR intake on that of a small group of moribund AL controls is inappropriate). 3.2 Calorie Restriction

1. Monitor food consumption and body weights weekly in control and experimental mice for at least 2 weeks before starting food restriction (see Note 7). 2. Once food consumption has stabilized, calculate food weights for CR cohort from the weekly food consumption of AL controls. Use a step-down approach for restriction so that animals can adjust to reduced calorie availability. If performing 40 % CR, start with 20 % CR for week one, 30 % CR during week two, and proceed to 40 % CR at week three. If animal health declines, extend step-down time or consider a lower percentage of caloric restriction. 3. Feed CR animals on the floor at the same time each day (see Note 8). Our mice are typically fed at the beginning of the light cycle. 4. Body weight of CR animals should plateau after approximately 10–15 weeks on the diet. Once this plateau is reached, continue feeding the CR animals a constant food allotment for the duration of the study.

3.3 Healthspan Analysis (Fig. 1)

1. Food intake and body weights should be collected biweekly for the duration of the study. The influence of a full stomach should be taken into account, since CR animals tend to gorge when presented with food. 2. Core body temperature can be monitored biweekly for the duration of the study with the use of implantable transponders (such as IPTT-300, BioMedic Data Systems). 3. Oral glucose and insulin tolerance tests should be performed every 6–12 months for the duration of the study [25]. 4. Body composition by NMR or dual-energy X-ray absorptiometry and indirect calorimetry (metabolic cages) should be performed every 6–12 months for the duration of the study [26]. 5. Physical performance assays (homecage activity, treadmill, strength tests) and behavioral testing (rotarod, open field, morris water maze) should be performed every 6–12 months for the duration of the study. 6. In a small subset of animals separate from the lifespan study, perform relevant immunological stress tests, such as the injection of LPS, tumor cells, or cold stress.

3.4 Lifespan Analysis (Fig. 2)

1. Viability should be monitored daily and as the animals advance in age the mice should be examined regularly (1–2 weeks). If an animal appears moribund, it should be euthanized per institutional protocols. Symptoms of moribund mice include lack

Jessica Curtis and Rafael de Cabo

Fig. 2 Interpreting intervention effects with Kaplan–Meier survival analysis. Interventions can have several effects on the shape of the survival curves, plotted as percent survival versus age. Average lifespan (solid black line) and extended lifespan (dashed black line) are depicted, where the shape is similar but the maximal lifespan is increased. Extending the healthspan of a cohort may be independent of lifespan extension and manifest as less early deaths (solid gray line). Animal cohorts with ideal healthspan would experience very few deaths before the maximum survival period (dashed gray line)

of response to touch stimuli, hunched spine, sudden weight loss, matted fur, slowed breathing, and lack of appetite. 2. As animals expire throughout the study, complete a pathological necropsy as soon as possible, recording observations of the external appearance of the animals including hair color and evidence of kyphosis (hunched spine). Preserve the heart, lungs, liver, spleen, kidneys, seminal vesicles, and bladder in 4 % formalin. Take note of enlarged, discolored, or tumorladen tissues. 3. Maximal lifespan is calculated as the mean lifespan of the top 10 % of survivors. 4. Median lifespan is calculated as the age at which 50 % of animals in a cohort survive. 5. Lifespan of control animals should be consistent between studies.

Notes 1. Population density should be considered when designing a CR study. The mouse is a social creature and prefers grouphousing conditions, but this can lead to increased variation in

Utilizing Calorie Restriction to Evaluate the Role of Sirtuins in Healthspan…

body weights and food consumption due to social relationships. It is certainly easier and cheaper for the researcher to use group housing, but it is important to be aware of the effects of housing density. Singly housed, C57Bl/6J male mice eat

15 % more than group housed animals on average due to lack of social conflicts (Dawn Boyer and Rafael de Cabo, unpublished). These results are after 24 weeks on diet, and no significant changes in body weight have been observed yet. The number of mice per cage will depend on the size of the cage, but delivery of food to animals should consider the number of animals in a cage. For example, if there are four animals in the cage, at least four pellets of food should be delivered to help alleviate social behavioral effects of food consumption. Our lab uses Thoren caging model #15 for group housing (four male adult mice preferred) and model #5 for single housing. 2. Using a purified, chemically defined diet is essential for experimental standardization and reproducibility. These diets come as hard packed pellets and nutrient formulation is independent of material sourcing or batch, which can vary in naturally sourced “chow” diets. The American Institute of Nutrition (AIN) provides many open source formulations, such as the AIN-93 series, that are suitable for CR studies. These diets may not provide trace nutrients found in naturally sourced diets. Addition of pharmacological compounds to the food may decrease palatability and inadvertently induce voluntary CR. When testing fooddelivered compounds, it is important to include a control-diet cohort to ensure that food consumption has not changed due to food taste. It is also important to realize that differing body composition between the control and CR animals influences micronutrient utilization and storage, particularly if a study will consider such things as lipid peroxidation (which is influenced by the ratio of adipose tissue to fat-soluble antioxidant intake). 3. The power calculation estimates the sample size needed to obtain significance dependent upon the observed change between variables and standard deviation. For example, 100 animals will provide approximately 100 % statistical power to observe a 10 % change in average lifespan with an assumed 10 % standard deviation, but using 50 animals drops the statistical power to approximately 80 %. Additional mice should be set up in parallel to the lifespan study, typically 6–12 animals, in order to collect tissues at various time points throughout the experiment or perform testing that may interfere with the lifespan study, such as immune challenges or cancer resistance. 4. Longevity effects are proportional to the duration and proportion of CR regardless of when CR was initiated. In a compilation of 24 published survival studies, the increase in survival appears to be inversely proportional to the decrease in calories [27].

Jessica Curtis and Rafael de Cabo

5. The mode of food delivery has an impact on the amount of food consumed. Delivery of food in the wire cage hopper reduces food consumption by more than 10 % (Dawn Boyer and Rafael de Cabo, unpublished). Our CR mice are typically floor fed. 6. The amount of food spilled into bedding does not differ between the CR and AL groups however, the amount of food spilled does increase with age leading to an overestimation of food consumption [28]. Food spillage is also dependent upon the composition of the food and possibly the genetic or strain background of the animal. 7. Genetically modified animals may present with differences in food consumption, possibly due to changes in body weight. It is important to have an AL control for each experimental variable. 8. Gene expression and metabolic regulation are coordinately regulated by circadian rhythm. AL mice tend to eat during periods of darkness, while CR mice will consume their food at the time it is provided. Furthermore, in CR cohorts, the changes between post-prandial and post-absorptive states become exaggerated. Circadian rhythms usually differ between AL and CR groups, and accidental comparisons between fasted, active, and hungry cohorts and somnolent, inactive, just-fed cohorts should be avoided. It is important to be consistent with feeding time in your study and to report the time of sample collection relative to each cohort’s diurnal cycle.

Acknowledgements Dawn Boyer, Dawn Nines, and Justine Lucas for their continuous support and assistance with our animal studies. Dr. Anson for providing helpful feedback on this manuscript. This work was supported by the Intramural Research Program of the National Institute on Aging, NIH. References 1. Reaven E, Wright D, Mondon CE, Solomon R, Ho H, Reaven GM (1983) Effect of age and diet on insulin secretion and insulin action in the rat. Diabetes 32(2):175–180 2. Taylor A, Zuliani AM, Hopkins RE et al (1989) Moderate caloric restriction delays cataract formation in the Emory mouse. FASEB J 3(6):1741–1746 3. Young JB, Mullen D, Landsberg L (1978) Caloric restriction lowers blood pressure in the spontaneously hypertensive rat. Metab Clin Exp 27(12):1711–1714

4. Yu ZF, Mattson MP (1999) Dietary restriction and 2-deoxyglucose administration reduce focal ischemic brain damage and improve behavioral outcome: evidence for a preconditioning mechanism. J Neurosci Res 57(6):830–839 5. Means LW, Higgins JL, Fernandez TJ (1993) Mid-life onset of dietary restriction extends life and prolongs cognitive functioning. Physiol Behav 54(3):503–508 6. Mattson MP (2010) The impact of dietary energy intake on cognitive aging. Front Aging Neurosci 2:5

Utilizing Calorie Restriction to Evaluate the Role of Sirtuins in Healthspan… 7. McCay CM, Crowell MF, Maynard LA (1935) The effect of retarded growth upon the length of life span and upon the ultimate body size. J Nutr 10(1):63–79 8. Spindler SR (2010) Caloric restriction: from soup to nuts. Ageing Res Rev 9(3):324–353 9. Nogueiras R, Habegger KM, Chaudhary N et al (2012) Sirtuin 1 and sirtuin 3: physiological modulators of metabolism. Physiol Rev 92(3):1479–1514 10. Picard F, Kurtev M, Chung N et al (2004) Sirt1 promotes fat mobilization in white adipocytes by repressing PPAR-gamma. Nature 429(6993):771–776 11. Rodgers JT, Lerin C, Haas W, Gygi SP, Spiegelman BM, Puigserver P (2005) Nutrient control of glucose homeostasis through a complex of PGC-1alpha and SIRT1. Nature 434(7029):113–118 12. Moynihan KA, Grimm AA, Plueger MM et al (2005) Increased dosage of mammalian Sir2 in pancreatic beta cells enhances glucosestimulated insulin secretion in mice. Cell Metab 2(2):105–117 13. Lin SJ, Defossez PA, Guarente L (2000) Requirement of NAD and SIR2 for life-span extension by calorie restriction in Saccharomyces cerevisiae. Science 289(5487): 2126–2128 14. Wood JG, Rogina B, Lavu S et al (2004) Sirtuin activators mimic caloric restriction and delay ageing in metazoans. Nature 430(7000): 686–689 15. Cohen HY, Miller C, Bitterman KJ et al (2004) Calorie restriction promotes mammalian cell survival by inducing the SIRT1 deacetylase. Science 305(5682):390–392 16. Boily G, Seifert EL, Bevilacqua L et al (2008) SirT1 regulates energy metabolism and response to caloric restriction in mice. PLoS One 3(3):e1759 17. Cheng H-L, Mostoslavsky R, Saito S et al (2003) Developmental defects and p53 hyperacetylation in Sir2 homolog (SIRT1)-deficient mice. Proc Natl Acad Sci U S A 100(19): 10794–10799

18. McBurney MW, Yang X, Jardine K et al (2003) The mammalian SIR2alpha protein has a role in embryogenesis and gametogenesis. Mol Cell Biol 23(1):38–54 19. Bordone L, Cohen D, Robinson A et al (2007) SIRT1 transgenic mice show phenotypes resembling calorie restriction. Aging Cell 6(6): 759–767 20. Herranz D, Muñoz-Martin M, Cañamero M et al (2010) Sirt1 improves healthy ageing and protects from metabolic syndrome-associated cancer. Nat Commun 1:3 21. Pfluger PT, Herranz D, Velasco-Miguel S, Serrano M, Tschöp MH (2008) Sirt1 protects against high-fat diet-induced metabolic damage. Proc Natl Acad Sci USA 105(28): 9793–9798 22. Minor RK, Baur JA, Gomes AP et al (2011) SRT1720 improves survival and healthspan of obese mice. Sci Rep 1:70 23. Mattison JA, Roth GS, Beasley TM et al (2012) Impact of caloric restriction on health and survival in rhesus monkeys from the NIA study. Nature 489(7415):318–321 24. Colman RJ, Anderson RM, Johnson SC et al (2009) Caloric restriction delays disease onset and mortality in rhesus monkeys. Science 325(5937):201–204 25. Ayala JE, Samuel VT, Morton GJ et al (2010) Standard operating procedures for describing and performing metabolic tests of glucose homeostasis in mice. Dis Model Mech 3(9–10):525–534 26. Tschöp MH, Speakman JR, Arch JRS et al (2012) A guide to analysis of mouse energy metabolism. Nat Methods 9(1):57–63 27. Merry BJ (2002) Molecular mechanisms linking calorie restriction and longevity. Int J Biochem Cell Biol 34(11):1340–1354 28. Starr ME, Saito H (2012) Age-related increase in food spilling by laboratory mice may lead to significant overestimation of actual food consumption: implications for studies on dietary restriction, metabolism, and dose calculations. J Gerontol A Biol Sci Med Sci 67(10): 1043–1048


شاهد الفيديو: Sirtuin and How it Effects the Aging Process (شهر فبراير 2023).