Biogerontologia Sperimentale

Le cellule senescenti non sono tutte uguali

2026-06-26T06:19:28.388-07:00

Per molti anni, la senescenza cellulare è stata descritta in modo relativamente semplice: una cellula sottoposta a stress smette stabilmente di proliferare, cambia morfologia, attiva vie di risposta al danno e spesso produce molecole infiammatorie e rimodellanti note nel loro insieme come SASP, dall’inglese “senescence-associated secretory phenotype” (in italiano: fenotipo secretorio associato alla senescenza). Questa descrizione resta utile, ma oggi appare insufficiente e non più aderente all’evoluzione che sta mostrando questo settore di ricerca.

Il punto centrale è che non esiste una sola senescenza cellulare. Esistono invece stati senescenti diversi, che dipendono dal tipo cellulare, dal tessuto, dallo stimolo che li ha indotti, dall’età dell’organismo, dalla presenza di malattia e dal microambiente in cui le cellule si trovano. Una cellula senescente nella cute, nel fegato, nel sistema immunitario o nel cervello può condividere alcuni tratti generali con altre cellule senescenti, ma non necessariamente gli stessi marker, la stessa funzione o la stessa rilevanza patologica (Figura 1).

Figura 1. Eterogeneità della senescenza cellulare. Le cellule senescenti possono assumere stati diversi a seconda del tessuto, del microambiente e dello stimolo che le induce. La loro posizione e il loro ruolo funzionale possono quindi variare tra organi e condizioni biologiche differenti.

Questa idea nasce già nel 2019, con un lavoro promosso nell’ambito dell’International Cell Senescence Association (ICSA - https://www.cellsenescence.info/ ) e pubblicato su Cell (1). Questo lavoro evidenziava che lo stato di senescenza è difficile da definire in modo univoco e proponeva di utilizzare combinazioni di caratteristiche cellulari e molecolari, piuttosto che un singolo indicatore isolato.

Il problema è diventato ancora più evidente negli studi in vivo. Le linee guida MICSE, pubblicate su Cell nel 2024 (2), partono proprio da questa difficoltà: molti marker identificati e validati in coltura cellulare non funzionano necessariamente allo stesso modo nei tessuti naturali. Le linee guida sottolineano quindi che non esiste un singolo biomarcatore universale di senescenza e raccomandano l’uso simultaneo di più indicatori, adattati al tipo di campione e al contesto sperimentale.

Dal marker singolo alla mappa

Nel 2026 il tema è tornato al centro dell’attenzione grazie ai lavori del programma NIH Cellular Senescence Network, o SenNet (https://sennetconsortium.org/ ). SenNet è stato creato per identificare e caratterizzare le differenze tra cellule senescenti nei diversi organi, negli stati di salute e malattia e lungo il corso della vita. L’obiettivo dichiarato è produrre atlanti pubblicamente accessibili delle cellule senescenti, delle loro differenze e delle molecole che secernono, utilizzando dati da tessuti umani e organismi modello.

Il comunicato NIH del giugno 2026 (https://www.nih.gov/news-events/news-releases/nih-research-establishes-new-framework-role-senescence-aging ) ha presentato questi lavori come un passo verso un primo atlante su larga scala delle cellule senescenti nel corpo umano. In questo contesto viene introdotto o enfatizzato il concetto di “senotypes” (in italiano: senotipi), cioè stati senescenti classificabili in base alla sede anatomica e alle condizioni biologiche circostanti. Il messaggio importante non è che sia comparsa improvvisamente una nuova categoria cellulare, ma che la senescenza viene trattata sempre più come un insieme di stati biologici contestuali e non come un fenomeno uniforme.

Va detto chiaramente che al momento non siamo di fronte a una tassonomia definitiva dei senotipi, pronta per essere applicata automaticamente a ogni studio su uomo, topo o altri modelli. Siamo piuttosto davanti a un cambio di scala metodologico con l’uso di tecnologie “single-cell”, spaziali (in riferimento alla posizione nel tessuto), proteomiche, trascrittomiche, e di “imaging” avanzato assistite da strumenti computazionali per descrivere dove si trovano le cellule senescenti, quali programmi molecolari esprimono e in che relazione sono con il tessuto circostante.

Tra le risorse più concrete emerse nel 2026 c’è SenCat (3), un catalogo multi-omico della senescenza. In questo lavoro sono stati profilati trascrittoma e proteoma di 14 tipi cellulari primari umani sottoposti a oltre 30 paradigmi di senescenza. In questo lavoro, si conferma che le cellule senescenti non condividono un unico marker universale. Al contrario, emergono firme molecolari combinate, alcune delle quali possono essere utilizzate con approcci di machine learning per riconoscere e quantificare la senescenza in contesti e risorse diverse, inclusi “dataset” umani e murini.

Quindi, se una cellula senescente non può essere identificata in modo affidabile con un singolo marcatore, la strategia più robusta è quella di costruire pannelli, firme e criteri contestuali. In altre parole, bisogna chiedersi: quale tipo cellulare sto osservando? In quale tessuto? In quale specie? In quale condizione fisiologica o patologica? Con quale tecnologia sto misurando la senescenza?

Il problema della standardizzazione

In questo scenario, il ruolo di ICSA e delle linee guida MICSE è complementare a quello di SenNet. SenNet produce mappe, dati, tecnologie e classificazioni operative; ICSA e MICSE contribuiscono invece a costruire un linguaggio comune e criteri minimi per non chiamare “senescente” una cellula sulla base di evidenze troppo deboli.

Per esempio, l’espressione di p16 e p21, l’attività di SA-β-gal, i marcatori del danno al DNA o la quantificazione di alcuni componenti del SASP può essere informativa, ma raramente è conclusiva se presa da sola. Alcuni marker sono espressi anche in contesti non senescenti, mentre altri sono assenti in certe forme di senescenza, e altri ancora dipendono fortemente dal tessuto o dalla metodica utilizzata. Le linee guida MICSE nascono proprio per affrontare questi limiti in modo sistematico.

Dalla mappa alla clinica: il problema dei biomarcatori

Un’altra iniziativa rilevante del 2026 è il Senotherapeutics Biomarker Consortium (https://www.phaedon.institute/sbc/ ), presentato e discusso in un lavoro pubblicato su Nature Aging (4). Il punto di partenza del consorzio è molto pratico: il campo dei senoterapeutici sta avanzando rapidamente, ma la traduzione clinica resta limitata dalla difficoltà di misurare, confrontare e monitorare la senescenza nell’uomo in modo robusto. Questo viene quindi suggerito come il collo di bottiglia più rilevate per poter sviluppare farmaci o interventi che eliminino, modulino o prevengano gli effetti dannosi delle cellule senescenti. In effetti, è più che ragionevole che per poter sviluppare questi interventi bisogna sapere prima quali cellule senescenti sono presenti, dove sono, quanto sono abbondanti, se sono dannose o potenzialmente utili, e se cambiano (e come) dopo un intervento.

Senza biomarcatori affidabili, il rischio è duplice. Da un lato non è possibile riconoscere un effetto terapeutico reale, e dall’altro non è possibile attribuire a un trattamento un effetto “anti-senescenza” non dimostrato. La nuova fase del campo richiede quindi non solo farmaci migliori, ma soprattutto misure migliori.

SENESCENCE2030: coordinare ricerca, formazione e impatto sociale

In Europa, un ruolo di coordinamento è svolto dalla COST Action SENESCENCE2030 (https://senescence2030.eu/ ), formalmente denominata “Targeting Cell Senescence to Prevent Age-Related Diseases”. L’azione è iniziata nel 2024 e ha come obiettivo la costruzione di una rete multidisciplinare e intersettoriale di ricercatori, clinici e innovatori per avanzare la conoscenza della senescenza cellulare e della sua relazione con l’invecchiamento, la salute e le malattie età-associate.

La descrizione ufficiale della COST Action mette al centro concetti come healthspan, gerodiagnostica, senoterapie e transizione da un approccio centrato sulla singola malattia a strategie più preventive e personalizzate. È un passaggio importante, perché la senescenza cellulare non riguarda una sola patologia: è stata associata a processi molto diversi, dalle malattie metaboliche e cardiovascolari alla neurodegenerazione, al cancro e alla fragilità.

Conclusioni

Il termine “senotipi” non può essere associato ad una nuova scoperta ma piuttosto va considerato come un utile formalizzazione di una realtà già nota, ovvero che la senescenza è eterogenea, plastica, dipendente dal contesto e difficile da misurare con un solo marker. La novità non sta tanto nell’aver scoperto che le cellule senescenti sono diverse tra loro. Questo era già evidente da molti anni. La novità sta nel fatto che oggi iniziano a convergere tre elementi:

1. Atlanti e dataset multi-tessuto e multi-specie, come quelli prodotti da SenNet;

2. Cataloghi multi-omici e firme computazionali, come SenCat;

3. Linee guida e consorzi internazionali, come ICSA, MICSE, SENESCENCE2030 e il Senotherapeutics Biomarker Consortium.

Questa convergenza può aiutare a rendere il campo più riproducibile, più comparabile e più traducibile.

In futuro, uno studio sulla senescenza dovrebbe poter specificare non solo “abbiamo trovato cellule senescenti”, ma quale tipo di senescenza è stato osservato, in quale tessuto, con quali marker, con quale firma molecolare e con quale significato funzionale.

Per quanto riguarda la medicina traslazionale, è altresì importante che lo sviluppo di senolitici, senomorfici o interventi capaci di modulare la senescenza, cerchi di evitare approcci troppo grossolani. Alcune cellule senescenti possono contribuire a tumori, fibrosi, infiammazione cronica, disfunzione tissutale e fragilità, mentre altre possono avere ruoli utili nella riparazione, nella difesa antitumorale o nella risposta a danni acuti. Colpire “tutte le cellule senescenti” potrebbe quindi non essere sempre desiderabile.

Per quanto riguarda l’invecchiamento umano, l’acquisizione di questa nuova conoscenza, potrebbe aiutare a identificare stati precoci di disfunzione tissutale, monitorare il carico di cellule senescenti in specifici organi o sistemi, e aiutare a confrontare meglio uomo e modelli animali per progettare studi clinici più rigorosi.

Il messaggio finale è quindi prudente ma importante: il progresso non consiste nell’aver trovato un nuovo nome per vecchi concetti, ma nel trasformare concetti frammentati in mappe, criteri e strumenti condivisi. Solo così la senescenza cellulare potrà diventare non solo un affascinante meccanismo dell’invecchiamento, ma anche un bersaglio misurabile, interpretabile e potenzialmente utile per migliorare la salute nelle età avanzate.

Referenze

1. Gorgoulis V, Adams PD, Alimonti A, Bennett DC, Bischof O, Bishop C, Campisi J, Collado M, Evangelou K, Ferbeyre G, Gil J, Hara E, Krizhanovsky V, Jurk D, Maier AB, Narita M, Niedernhofer L, Passos JF, Robbins PD, Schmitt CA, Sedivy J, Vougas K, von Zglinicki T, Zhou D, Serrano M, Demaria M. Cellular Senescence: Defining a Path Forward. Cell. 2019 Oct 31;179(4):813-827. doi: 10.1016/j.cell.2019.10.005. PMID: 31675495.

2. Ogrodnik M, Carlos Acosta J, Adams PD, d'Adda di Fagagna F, Baker DJ, Bishop CL, Chandra T, Collado M, Gil J, Gorgoulis V, Gruber F, Hara E, Jansen-Dürr P, Jurk D, Khosla S, Kirkland JL, Krizhanovsky V, Minamino T, Niedernhofer LJ, Passos JF, Ring NAR, Redl H, Robbins PD, Rodier F, Scharffetter-Kochanek K, Sedivy JM, Sikora E, Witwer K, von Zglinicki T, Yun MH, Grillari J, Demaria M. Guidelines for minimal information on cellular senescence experimentation in vivo. Cell. 2024 Aug 8;187(16):4150-4175. doi: 10.1016/j.cell.2024.05.059. PMID: 39121846; PMCID: PMC11790242.

3. Anerillas C, Altés G, Gresova K, Tsitsipatis D, Mazan-Mamczarz K, Banarjee R, Cunningham ASG, Salamini-Montemurri M, Yang JH, Munk R, Rossi M, Piao Y, Olinger B, Strassheim Q, Martindale JL, Fan J, Cui CY, De S, Rutherford DV, Hao Y, Li Z, Roberts J, Qi YA, Abdelmohsen K, de Cabo R, Herman AB, Maragkakis M, Basisty N, Gorospe M. SenCat: Cataloging human cell senescence through multi-omic profiling of multiple senescent primary cell types. Mol Cell. 2026 Jun 11:S1097-2765(26)00323-0. doi: 10.1016/j.molcel.2026.05.017. PMID: 42276073; PMCID: PMC13267859.

4. Quarta M, Neretti N, Jasper H, Demaria M. Advancing senescence translation through the Senotherapeutics Biomarker Consortium. Nat Aging. 2026 Apr;6(4):739-741. doi: 10.1038/s43587-026-01097-z. PMID: 41776308.

La perdita di informazioni epigenetiche è causa dell'invecchiamento?

2023-01-22T14:42:00.003-08:00

Il post di questo mese è dedicato ad una scoperta recente del team di ricerca guidato dal Prof. David Sinclair della Harvard Medical School pubblicata sulla rivista Cell (1). La pubblicazione, dal titolo “Loss of epigenetic information as a cause of mammalian aging” (in Italiano: “Perdita di informazioni epigenetiche come causa dell'invecchiamento nei mammiferi”), fornisce un solido supporto ad una teoria secondo cui la perdita di informazioni epigenetiche, risultante dai meccanismi di riparazione del DNA, può essere una delle cause principali dell'invecchiamento. Studi effettuati precedentemente su organismi unicellulari eucariotici, avevano già dimostrato che la rilocalizzazione di specifici regolatori epigenetici era una possibile causa dell'invecchiamento. Notoriamente, anche in organismi multicellulari (inclusi i mammiferi) sono stati osservati cambiamenti epigenetici associati all'invecchiamento, inclusi modificazioni degli istoni e cambiamenti nella metilazione del DNA di cui abbiamo ampiamente discusso in precedenti post.

Per capire meglio questo concetto, immaginiamo il DNA come una serie di libri di ricette, dove ciascuna ricetta corrisponde a una differente cellula del nostro corpo. Questi libri sono scritti in modo tale che ciascuna ricetta sia divisa in tante piccole parti sparse in diversi capitoli o addirittura in diversi libri. La produzione di queste ricette dipende quindi dalla sequenza esatta con cui vengono lette le frasi e i capitoli nei diversi libri. Per aiutarci in questo difficile compito esistono tanti segnalibri che, nel loro insieme, corrispondono all'epigenoma. Seguendo i segnalibri, siamo quindi in grado di produrre tutte le ricette esattamente come dovrebbero essere fatte. Tuttavia, la nostra libreria è immensa ed è spesso soggetta a furti e incendi. Questi furti e incendi corrispondono ai fenomeni che causano un danno alla doppia catena del DNA e che avvengono ad un tasso di 10-50 per DNA cellulare al giorno. A seguito di questi furti e incendi alcuni libri vanno persi, ma siamo generalmente in grado di ripararli o riacquistarli e rimetterli in ordine nella libreria. Il problema sono però i segnalibri, poiché non ci ricordiamo mai esattamente come erano posizionati e col passare del tempo rischiamo di produrre ricette sbagliate o di perderne alcune. Ecco, questo è quello che viene definita come perdita di informazioni epigenetiche. Una rappresentazione di questa metafora la troverete in Figura 1, mentre una rappresentazione schematica e più scientifica del fenomeno la potete trovare in Figura 2.

Figura 1. Rappresentazione metaforica della perdita di informazioni epigenetiche.

Figura 2. Rappresentazione schematica della perdita di informazioni epigenetiche

Perché il lavoro in questione è particolarmente innovativo nel portare supporto a questa teoria?

Ebbene, gli autori hanno creato un topo transgenico che con opportuno stimolo riesce a produrre dei tagli alla doppia catena del DNA in 20 regioni inattive del genoma, che non dovrebbero quindi causare alcun danno alle informazioni genomiche necessarie per la funzione cellulare. Il risultato sembra essere un invecchiamento accelerato, che si verifica attraverso il meccanismo di perdita di informazioni epigenetiche sopra menzionate. I ricercatori hanno anche testato l’effetto della riprogrammazione parziale come mezzo per invertire questo cambiamento epigenetico e comprendere meglio come avviene questa inversione. Dopo 5 settimane di somministrazione di virus adeno-associati (AAV) codificanti per i fattori OSK (OCT4, SOX2 e KLF4), gli stessi con cui erano riusciti a far tornare la vista a topi anziani in un precedente lavoro (2), i livelli di questa perdita di informazioni epigenetiche nei reni e nei muscoli veniva corretta fino a somigliare ai controlli negativi.

Sebbene i risultati appaiano straordinari, è importante far comprendere le criticità che restano ancora da affrontare. In primis, è ancora troppo presto per capire se questo modello di topo transgenico rappresenti fedelmente un processo di invecchiamento accelerato. Qualsiasi forma di danno biologico, come avviene ad esempio nei modelli di progeria, può produrre risultati che somigliano molto all'invecchiamento normale accelerato, ma che non lo sono. Questo è molto importante per le deduzioni e le conclusioni finalizzate a comprendere e contrastare l'invecchiamento. Inoltre, è importante rimarcare che il paper in oggetto non ha effettuato uno studio di longevità né su questi animali né su animali normali trattati con i fattori OSK. I trattamenti con questi fattori di trascrizione (generalmente con l’aggiunta di altri fattori, tra cui il più noto è cMYC) vengono usati per produrre cellule staminali “in vitro” e sono estremamente difficili da maneggiare e controllare “in vivo”. La loro somministrazione per lungo tempo o con scarso controllo porta ad una estrema riprogrammazione con conseguente perdita di identità cellulare, senescenza cellulare e formazione di teratomi (3).

Parallelamente, però è interessante notare che è stato depositato un lavoro su Bioarxiv (4) (non ancora sottoposto quindi a peer review) in cui dei topi trasgenici in età geriatrica (di oltre 30 mesi di età) sono stati fatti vivere più a lungo dei controlli (circa 4 mesi contro i 2 normalmente aspettati) e mantenendo un ottimo stato di salute clinica attraverso l’induzione genica cliclica e a basso livello dei fattori OSKM (OCT4, SOX2, KLF4 e cMYC).

Ci aspettiamo quindi grandi sviluppi e un importante incremento di conoscenze in questo settore nei mesi e negli anni a seguire.

Referenze:

1) Yang JH, Hayano M, Griffin PT, Amorim JA, Bonkowski MS, Apostolides JK, Salfati EL, Blanchette M, Munding EM, Bhakta M, Chew YC, Guo W, Yang X, Maybury-Lewis S, Tian X, Ross JM, Coppotelli G, Meer MV, Rogers-Hammond R, Vera DL, Lu YR, Pippin JW, Creswell ML, Dou Z, Xu C, Mitchell SJ, Das A, O'Connell BL, Thakur S, Kane AE, Su Q, Mohri Y, Nishimura EK, Schaevitz L, Garg N, Balta AM, Rego MA, Gregory-Ksander M, Jakobs TC, Zhong L, Wakimoto H, El Andari J, Grimm D, Mostoslavsky R, Wagers AJ, Tsubota K, Bonasera SJ, Palmeira CM, Seidman JG, Seidman CE, Wolf NS, Kreiling JA, Sedivy JM, Murphy GF, Green RE, Garcia BA, Berger SL, Oberdoerffer P, Shankland SJ, Gladyshev VN, Ksander BR, Pfenning AR, Rajman LA, Sinclair DA. Loss of epigenetic information as a cause of mammalian aging. Cell. 2023 Jan 19;186(2):305-326.e27. doi: 10.1016/j.cell.2022.12.027. Epub 2023 Jan 12. PMID: 36638792.

2) Lu Y, Brommer B, Tian X, Krishnan A, Meer M, Wang C, Vera DL, Zeng Q, Yu D, Bonkowski MS, Yang JH, Zhou S, Hoffmann EM, Karg MM, Schultz MB, Kane AE, Davidsohn N, Korobkina E, Chwalek K, Rajman LA, Church GM, Hochedlinger K, Gladyshev VN, Horvath S, Levine ME, Gregory-Ksander MS, Ksander BR, He Z, Sinclair DA. Reprogramming to recover youthful epigenetic information and restore vision. Nature. 2020 Dec;588(7836):124-129. doi: 10.1038/s41586-020-2975-4. Epub 2020 Dec 2. PMID: 33268865; PMCID: PMC7752134.

3) Mosteiro L, Pantoja C, Alcazar N, Marión RM, Chondronasiou D, Rovira M, Fernandez-Marcos PJ, Muñoz-Martin M, Blanco-Aparicio C, Pastor J, Gómez-López G, De Martino A, Blasco MA, Abad M, Serrano M. Tissue damage and senescence provide critical signals for cellular reprogramming in vivo. Science. 2016 Nov 25;354(6315):aaf4445. doi: 10.1126/science.aaf4445. PMID: 27884981.

4) https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2023.01.04.522507v1

Prospettive e aggiornamenti su orologi mitotici, orologi epigenetici, invecchiamento e cancro

2022-12-29T04:30:00.000-08:00

La rilevanza dei cambiamenti epigenetici per l’invecchiamento e il cancro è ormai nota a tutti. I meccanismi e il ruolo funzionale di questi cambiamenti sono attualmente oggetto di studi da parte di numerosi gruppi di ricerca.

Questo post non è dedicato ad una nuova scoperta nel settore, ma piuttosto ad un "perspective article" appena pubblicato sulla rivista Science (1). Questo tipo di articoli, che in italiano possono essere tradotti come "articoli di prospettiva" o "articoli di opinione”, forniscono una riflessione su un argomento specifico all'interno del campo di studio, spesso offrendo una visione personale o una prospettiva unica sulla materia. Gli articoli di prospettiva sono solitamente più brevi rispetto agli articoli di ricerca e possono essere utilizzati per offrire una panoramica di un argomento o per stimolare il dibattito su un tema specifico.

L’articolo in oggetto ha il merito di aver messo in luce il ruolo dell’orologio di “ipometilazione mitotica” quale componente importante, ma funzionalmente distinta, dei classici orologi epigenetici di invecchiamento (per maggiori dettagli su epigenetica e orologi epigenetici, riferirsi ad un precedente post).

Cancro e invecchiamento sono accompagnati da cambiamenti importanti nell’epigenoma che includono la perdita progressiva di metilazione del DNA, soprattutto a carico delle regioni “povere” in geni funzionali (queste regioni sono estremamente abbondanti, parliamo di oltre il 50% del nostro genoma). Si ritiene che questa ipometilazione globale rappresenti un “orologio mitotico” che tenga conto del numero di divisioni cellulari e che giochi una funzione biologica importante nel limitare la progressione del cancro e la diffusione di cellule che possono aver accumulato vari tipi di danno col procedere delle proliferazioni.

L’altro tipologia di orologi epigenetici sono quelli sviluppati sempre a partire dai cambiamenti di metilazione del DNA ma che sono in grado di predire l’età cronologica (o anche l’età funzionale) degli organismi. Quest’ultimo tipo di orologi sono influenzati da diversi fattori, inclusi il tipo di cellule in cui viene misurato, l’ambiente extracellulare e anche dall’orologio mitotico stesso. Non a caso, l'ipometilazione (e quindi l’orologio mitotico) è più pronunciata nei tessuti epiteliali proliferativi rispetto al tessuto cerebrale e ad altri compartimenti che sono principalmente costituiti da cellule post-mitotiche. Andare a comprendere meglio le relazioni tra queste due tipologie di orologi epigenetici e le loro interazioni può contribuire allo sviluppo di nuove terapie per il cancro e per le patologie associate all’invecchiamento.

L’ipometilazione è normalmente studiato in quanto processo potenzialmente oncogenico, mentre in questo articolo prospettico viene posto in rilevanza un suo ruolo biologico funzionale. Infatti, l’ipometilazione delle regioni povere di geni determina l’attivazione di elementi retrotrasponibili (estremamente abbondanti e presenti in numerose copie in queste regioni del nostro genoma) quali i retrovirus endogeni (ERVs, dall’inglese endogenous retroviruses) e gli elementi nucleari interspersi lunghi (LINEs, dall’inglese long interspersed nuclear elements). L’attivazione di questi elementi trasponibili, pur essendo potenzialmente oncogenici, determinano un meccanismo di risposta cellulare simile a quello che avviene in presenza di un infezione virale. Per cui, viene innescato un meccanismo di risposta da interferone di tipo 1 che dovrebbe favorire la rimozione di queste cellule attraverso l’immunità innata. Il trattamento con inibitori degli agenti metilanti (in particolare inibitori della DNA metil-transferasi) attiva gli elementi retrotrasponibili nelle cellule cancerose favorendo l’infiltrazione immunitaria e la sensibilità del tumore all’immunoterapia (2).

Tuttavia, questo stesso meccanismo può innescare senescenza cellulare (fenomeno da non confondere con l’invecchiamento delle cellule) ed è tra le caratteristiche attribuite alle cellule senescenti. Poiché le cellule senescenti si accumulano con l’invecchiamento (a seguito di processi ancora non del tutto chiari), questa risposta da interferone di tipo 1 mediata da elementi retrotrasponibili contribuisce all’infiammazione cronica associata all’invecchiamento e a numerose patologie associate all’invecchiamento (3).

L’articolo si conclude suggerendo che le prospettive terapeutiche fornite da queste conoscenze devono essere sfruttate in modo “bilanciato” per migliorare la funzionalità dei tessuti invecchiati senza aumentare il rischio di tumori. Da una parte, infatti, sarebbe importante capire come sfruttare terapeuticamente il fenomeno dell’ipometilazione per favorire la rimozione delle cellule disfunzionali e/o tumorali. Dall’altra però, potrebbe essere utile riuscire ad invertire alcuni processi di ipometilazione (in modo altamente mirato) per ridurre l’infiammazione cronica o altre disfunzioni associate all’invecchiamento.

Un alternativa terapeutica che meriterebbe di essere discussa riguarda la mancata rimozione delle cellule senescenti dopo la risposta da interferone di tipo I e se questo meccanismo in analogia a quanto proposto per i tumori potrebbe essere sfruttato in chiave terapeutica anche per l’eliminazione quantomeno di alcuni tipi di cellule senescenti.

Personalmente trovo questi argomenti estremamente interessanti, ed ho allegato in modo molto schematico una figura rappresentative del ruolo fisiologico attribuito all’orologio mitotico e alle criticità che dovrebbero essere considerate in ottica di prospettive terapeutiche nei tumori e nelle patologie associate all’invecchiamento (Figura 1).

Figura 1. Rappresentazione schematica del putativo ruolo fisiologico dell’ipometilazione e delle criticità di cui dovrebbero tenere conto gli sviluppi terapeutici in quest’ambito.

Referenze

1. Johnstone SE, Gladyshev VN, Aryee MJ, Bernstein BE. Epigenetic clocks, aging, and cancer. Science. 2022 Dec 23;378(6626):1276-1277. doi: 10.1126/science.abn4009.

2. Jones PA, Ohtani H, Chakravarthy A, De Carvalho DD. Epigenetic therapy in immune-oncology. Nat Rev Cancer. 2019 Mar;19(3):151-161. doi: 10.1038/s41568-019-0109-9.

3. Gorbunova V, Seluanov A, Mita P, McKerrow W, Fenyö D, Boeke JD, Linker SB, Gage FH, Kreiling JA, Petrashen AP, Woodham TA, Taylor JR, Helfand SL, Sedivy JM. The role of retrotransposable elements in ageing and age-associated diseases. Nature. 2021 Aug;596(7870):43-53. doi: 10.1038/s41586-021-03542-y.

Ringiovanimento epigenetico e trial clinici con senolitici sull’uomo. Il punto della situazione.

2019-10-11T16:07:00.001-07:00

Di particolare interesse, non solo per chi si interessa di biogerontologia, sono i risultati di due studi recentemente effettuati sull’uomo. Prima di approfondire questo argomento va rimarcato che stiamo parlando di studi clinici preliminari e che quindi i trattamenti di cui mi appresto a parlare possono avere effetti collaterali seri che in larga parte non si possono ancora conoscere. Pertanto, invito tutti i lettori a non pensare neanche lontanamente di fare una sperimentazione su sé stessi. I pericoli ci sono, e questi trattamenti non vanno affrontati al di fuori di trial clinici rigorosamente controllati ed approvati.

Il primo studio riguarda un intervento che sembra essere stato in grado di far tornare indietro le lancette dell’orologio epigenetico nell’uomo (1).

Il secondo riguarda la prima prova di concetto sulla rimozione delle cellule senescenti attraverso un trattamento con un senolitico nell’uomo (2).

In questo post cercherò di descrivere i risultati e i dettagli metodologici rilevanti di questi studi e proverò anche ad evidenziare quelli che secondo me sono i limiti e le cose che necessitano approfondimenti. Poiché il post è un po' più lungo del solito, ho cercato di suddividerlo in brevi capitoli in modo che il lettore possa soffermarsi su ciò che ritiene più interessante.

1. Il TRIMM study e la prima dimostrazione di un ringiovanimento epigenetico sull’uomo.

Lo studio in cui si è evidenziato che le lancette dell’orologio epigenetico possono tornare indietro nell’uomo (per un approfondimento dell’orologio epigenetico vedere il mio post qui) è stato in origine disegnato per cercare di recuperare la funzionalità del timo.

1.1. Breve parentesi sull’involuzione timica nell’invecchiamento

La perdita della funzionalità del timo (involuzione timica) è una delle alterazioni più caratteristiche dell’invecchiamento ed è strettamente associata al declino del sistema immunitario e al rischio di malattie età associate. Già intorno ai 30 anni si osserva una riduzione del peso dell’organo di circa il 30% e intorno ai 60 anni la massa del timo è all’incirca dimezzata. Il timo è l’organo dove vengono fatti maturare i linfociti T e dove imparano a distinguere ciò che fa parte del nostro corpo da ciò che è estraneo. Esperimenti effettuati in topi di laboratorio hanno dimostrato che il trapianto di timo neonatale in topi vecchi può risultare in un modesto ma significativo aumento della lunghezza della vita (3). Sono inoltre stati evidenziati da numerosi studi alcuni fattori ormonali e non ormonali che sembrerebbero influire positivamente sul timo e su una sua potenziale “ricrescita” funzionale (4-6).

1.2. Il cocktail di ormoni, farmaci e integratori utilizzato nello studio

Il trial (“TRIIM study”) è stato condotto utilizzando un cocktail contenente un fattore di crescita (l’ormone della crescita, GH, noto anche come somatotropina – dose 0.015 mg/kg a partire dalla prima settimana), un ormone steroideo (il 5-deidroepiandrosterone, DHEA – dose 50 mg a partire dalla seconda settimana), un farmaco antidiabetico (metformina – dose 500 mg a partire dalla terza settimana) e due micronutrienti (Zinco e Vitamina D). Il GH, secondo l’ipotesi iniziale dello studio è il principale fattore che dovrebbe aiutare a recuperare la funzionalità timica (7-8). La metformina è stata aggiunta per contrastare l’eventuale effetto pro-diabetico del GH e per i suoi potenziali effetti sulla longevità umana (9). Il DHEA è stato aggiunto perché i suoi livelli diminuiscono con l’invecchiamento e può contribuire alla funzionalità immunitaria e alla produzione di altri fattori di crescita indirettamente coinvolti nell’involuzione timica (10). Infine, lo zinco (50 mg a partire dalla prima settimana) e la vitamina D (dose 3,000 IU a partire dalla prima settimana) sono stati aggiunti per i loro effetti anti-infiammatori (11-12) e per il loro potenziale effetto positivo sull’involuzione timica (5, 13).

Lo studio è stato effettuato su 9 volontari di età compresa tra i 51-65 anni e l’intervento è durato un anno.

1.3. I risultati dello studio

Le indagini condotte con la risonanza magnetica hanno evidenziato che, dopo un anno di intervento, la parte funzionale del timo era ricresciuta, i marcatori infiammatori diminuiti e alcuni parametri immunitari erano cambiati positivamente. Tuttavia, il risultato che ha destato più scalpore riguarda l’analisi dell’orologio epigenetico effettuata con diverse metodiche nel sangue di questi volontari. I risultati di uno degli orologi maggiormente associati al rischio di mortalità e alla lunghezza della vita nell’uomo, il “GrimAge clock” (14), hanno indicato un guadagno di 2 anni sull’aspettativa di vita. Anche le altre metodologie utilizzate per misurare l’orologio epigenetico sono state in accordo con questo potenziale effetto di “ringiovanimento”.

1.4. Limiti dello studio

I risultati sono di grande interesse perché non era mai stato comprovato prima sull’uomo un intervento in grado di riportare indietro le lancette dell’orologio epigenetico. Tuttavia, va considerato il fatto che si tratta di uno studio pilota (effettuato su un numero limitatissimo di individui) che non aveva un gruppo di controllo (placebo) e che quindi è soggetto a potenziali bias, primi fra tutti i famigerati “batch effects” (variabilità dei dati dovuta a manipolazioni effettuate in tempi differenti).

1.5. Che significato biologico può avere il ringiovanimento epigenetico che è stato osservato?

Considerando che l’effetto sia veramente reale, ci sono comunque diverse cose da tenere in considerazione. La prima è che ancora non sappiamo bene cosa misurano gli orologi epigenetici. Sono davvero una misura diretta di un orologio biologico che determina l’invecchiamento al pari dello sviluppo e che dopo una certa età innesca una specie di meccanismo di “auto-distruzione” (questo secondo le teorie deterministiche dell’invecchiamento)? Oppure sono una misura indiretta dei danni che si accumulano nelle nostre cellule col passare del tempo (questo secondo le più accreditate teorie non-deterministiche dell’invecchiamento)? Oppure è qualcosa di ancora diverso. Negli studi effettuati sull’uomo, l’orologio epigenetico viene normalmente elaborato da misurazioni effettuate su campioni di sangue. In questo tipo di campioni è ragionevole chiedersi se l’output timico (la produzione di cellule T “naive”) possa avere una qualche influenza sui marcatori epigenetici rilevati nel sangue, soprattutto in considerazione che l’intervento ha dimostrato una ricrescita funzionale del timo.

1.6. Quale componete o sinergia di componenti del cocktail utilizzato potrebbe essere responsabile degli effetti sull’orologio epigenetico?

Per quanto ne sappiamo finora, l’ormone della crescita e il DHEA agiscono stimolando il pathway dell’IGF1 (Fattore di crescita insulino simile 1) che, in base a numerosi studi, sembrerebbe avere un effetto di accelerazione del processo di invecchiamento (15). Tuttavia, ci sono anche argomenti a favore di una terapia basata su questi fattori di crescita nell’invecchiamento (16). Probabilmente ci sono alcune cose da rivedere sperimentalmente su questo argomento. Siamo infatti giunti alla conclusione di un effetto negativo della stimolazione del pathway dell’IGF-1 sull’invecchiamento basandoci prevalentemente sui risultati ottenuti in modelli animali in cui le mutazioni avevano un effetto a partire dallo sviluppo. Non è escluso quindi che i risultati di una stimolazione transiente di tale pathway in organismi adulti o anziani possa avere effetti differenti. Anche la metformina potrebbe contribuire a modulare l’orologio epigenetico poiché sembra avere effetti positivi sulla longevità nei topi di laboratorio e forse anche nell’uomo (6). Però, anche la metformina non è esente da effetti collaterali e non sembra agire su tutti gli individui allo stesso modo. Gli ultimi due componenti del cocktail sono la vitamina D e lo zinco. Anche questi micronutrienti non possono essere esclusi degli effetti osservati sull’orologio epigenetico. Infatti, interventi di supplementazione effettuati nell’uomo e nel topo con ciascuno di questi due micronutrienti hanno dimostrato effetti positivi a carico del sistema immunitario e su alcuni “outcome” di salute negli anziani (11). È interessante adesso cercare di capire, anche attraverso specifici studi pre-clinici, quale combinazione o quale componente può essere responsabile di questo effetto e se i cambiamenti epigenetici rilevati corrispondono ad un incremento della lunghezza della vita, e soprattutto della vita in salute.

2. La combinazione di Dasatinib e quercetina, uno dei più noti senolitici, può ridurre l’accumulo di cellule senescenti nell’uomo.

Anche in questo caso si tratta di uno studio pilota (2). Lo studio è stato effettuato su 9 pazienti affetti da diabete di tipo 2 e con evidenza di disfunzioni renali. Lo studio aveva lo scopo di dimostrare che anche nell’uomo, come evidenziato nel topo, la somministrazione di un senolitico (per saperne di più sui i senolitici rileggete il mio post qui) è in grado di eliminare l’eccessivo carico di cellule senescenti che, probabilmente, contribuisce a questa patologia e a numerose altre patologie associate all’invecchiamento. Oltre a questo, si andava anche a rilevare la sicurezza della somministrazione e gli eventuali benefici nelle condizioni di salute dei pazienti.

2.1. Il design dello studio

Lo studio pilota è stato registrato nel database ClinicalTrials.gov (NCT02848131). Ai 9 pazienti (che presentavano diabete di tipo 2 e disfunzioni renali) sono stati somministrati per 3 giorni 100 mg di Dasatinib e 1000 mg di quercetina (la combinazione di questo farmaco antitumorale e di questo flavonoide ha dimostrato effetti senolitici in numerosi studi pre-clinici). I dosaggi sono volutamente più alti rispetto ai trattamenti effettuati precedentemente con dasatinib nei tumori e alle supplementazioni con quercetina. Infatti, il dosaggio senolitico ha lo scopo di rimuovere l’eccesso di cellule senescenti uccidendole con un composto cui sono particolarmente sensibili minimizzando altri danni all’organismo. Nei modelli preclinici in cui vengono sperimentati i senolitici si somministrano quindi dosi alte per tempi brevissimi. Prima della somministrazione del senolitico e all’11esimo giorno dal termine della somministrazione ai pazienti è stato effettuato un prelievo di sangue e sono state effettuate biopsie del tessuto adiposo e della pelle.

2.2. I risultati dello studio

Purtroppo non sono stati ancora riportati i risultati degli outcome clinici (ad esempio, i cambiamenti nella funzionalità renale e negli indici di fragilità dei pazienti), ma è ragionevole aspettarsi che lo saranno a breve. Tuttavia è stata riportata una diminuzione significativa di molteplici marcatori associati alla senescenza cellulare sia nel tessuto adiposo (diminuzione di cellule che esprimono p16 e p21, diminuzione di cellule con alta attività di beta-galattosidasi, diminuzione di cellule progenitrici degli adipociti con limitata capacità proliferativa) che nella pelle (diminuzione dell’espressione di p16 e p21) compatibili con l’interpretazione di una diminuzione del numero di cellule senescenti. Tale diminuzione è stata osservata anche in fattori circolanti (IL-6, MMP-9 e MMP12) che possono in parte essere originati dalle secrezioni prodotte dalle cellule senescenti.

È altresì importante rilevare che non sono stati registrati eventi avversi di seria entità e che tutti i pazienti hanno completato lo studio.

2.3. Limiti dello studio

Anche in questo caso si tratta di uno studio pilota (effettuato su un numero limitatissimo di individui) che non aveva un gruppo assegnato al placebo. Non è inoltre possibile escludere che le analisi possano avere subito l’influenza di “batch effects”. Un altro trial clinico pilota effettuato con Dasatinib + quercetina in pazienti con fibrosi polmonare idiopatica ha fornito risultati positivi (miglioramento delle performance fisiche) ma non entusiasmanti (nessun cambiamento nella funzionalità polmonare) (17). Questo suggerisce che la strada verso l’ottimizzazione dei dosaggi e verso un’evidenza che tali farmaci abbiano un’utilità clinica superiore alle terapie convenzionali è ancora molto lunga e non priva di imprevisti.

2.4. Rilevanza e implicazioni dei risultati dello studio

Gli interventi con senolitici fanno parte di una nuova generazione di trattamenti che cerca di intervenire sui processi fondamentali dell’invecchiamento, quali la senescenza cellulare, con lo scopo di ritardare, prevenire o alleviare le sofferenze dovute a malattie associate all’invecchiamento. I risultati pre-clinici finora ottenuti con i senolitici sui topi sembrano confermare che questa idea può aprire nuove strade terapeutiche in molteplici patologie. Tuttavia, l’ipotesi che i senolitici agiscano effettivamente attraverso la rimozione delle cellule senescenti nell’uomo è difficile da confermare per una serie di limitazioni che non mi dilungo ad elencare. Questo studio, sebbene anch’esso con numerose limitazioni, sembra confermare che quanto osservato nel topo potrebbe avvenire anche nell’uomo. Il passaggio dalla sperimentazione sul topo alla conclusione dei primi trial effettuati sull’uomo è stato rapidissimo (meno di 4 anni), e stando ai primi risultati è possibile che ci troviamo di fronte ad uno dei migliori esempi di efficienza di ricerca traslazionale. Resta tuttavia ancora molto lavoro da fare per verificare l’efficacia di tali farmaci, per ottimizzare i dosaggi nell’uomo e per chiarire quali siano i possibili rischi dovuti ad effetti avversi. Resta inoltre ancora irrisolto il problema della specificità dei senolitici (che attualmente sono solo selettivi) ma si stanno già programmando ulteriori studi pre-clinici destinati ad affrontare questo problema attraverso l’ausilio di innovative tecnologie biomediche.

Referenze

1. Fahy GM, Brooke RT, Watson JP, Good Z, Vasanawala SS, Maecker H, Leipold MD, Lin DTS, Kobor MS, Horvath S. Reversal of epigenetic aging and immunosenescent trends in humans. Aging Cell. 2019 Sep 8:e13028. doi: 10.1111/acel.13028

2. Hickson LJ, Langhi Prata LGP, Bobart SA, Evans TK, Giorgadze N, Hashmi SK, Herrmann SM, Jensen MD, Jia Q, Jordan KL, Kellogg TA, Khosla S, Koerber DM, Lagnado AB, Lawson DK, LeBrasseur NK, Lerman LO, McDonald KM, McKenzie TJ, Passos JF, Pignolo RJ, Pirtskhalava T, Saadiq IM, Schaefer KK, Textor SC, Victorelli SG, Volkman TL, Xue A, Wentworth MA, Wissler Gerdes EO, Zhu Y, Tchkonia T, Kirkland JL. Senolytics decrease senescent cells in humans: Preliminary report from a clinical trial of Dasatinib plus Quercetin in individuals with diabetic kidney disease. EBioMedicine. 2019 Sep;47:446-456. doi: 10.1016/j.ebiom.2019.08.069

3. Basso A, Malavolta M, Piacenza F, Santarelli L, Marcellini F, Papa R, Mocchegiani E. Noninvasive neonatal thymus graft into the axillary cavity extends the lifespan of old mice. Rejuvenation Res. 2010 Apr-Jun;13(2-3):288-91. doi: 10.1089/rej.2009.0936

4. Chidgey A. Effects of growth hormone in enhancing thymic regrowth and T-cell reconstitution. Expert Rev Clin Immunol. 2008 Jul;4(4):433-9. doi: 10.1586/1744666X.4.4.433

5. Mocchegiani E, Santarelli L, Muzzioli M, Fabris N. Reversibility of the thymic involution and of age-related peripheral immune dysfunctions by zinc supplementation in old mice. Int J Immunopharmacol. 1995 Sep;17(9):703-18.

6. May M, Holmes E, Rogers W, Poth M. Protection from glucocorticoid induced thymic involution by dehydroepiandrosterone. Life Sci. 1990;46(22):1627-31.

7. Kelley KW, Brief S, Westly HJ, Novakofski J, Bechtel PJ, Simon J, Walker EB. GH3 pituitary adenoma cells can reverse thymic aging in rats. Proc Natl Acad Sci U S A. 1986 Aug;83(15):5663-7.

8. Plana M, Garcia F, Darwich L, Romeu J, López A, Cabrera C, Massanella M, Canto E, Ruiz-Hernandez R, Blanco J, Sánchez M, Gatell JM, Clotet B, Ruiz L, Bofill M; Red de Investigación en Sida (RIS). The reconstitution of the thymus in immunosuppressed individuals restores CD4-specific cellular and humoral immune responses. Immunology. 2011 Jul;133(3):318-28. doi: 10.1111/j.1365-2567.2011.03442.x.

9. Barzilai N, Crandall JP, Kritchevsky SB, Espeland MA. Metformin as a Tool to Target Aging. Cell Metab. 2016 Jun 14;23(6):1060-1065. doi: 10.1016/j.cmet.2016.05.011.

10. Filipin Mdel V, Caetano LC, Brazão V, Santello FH, Toldo MP, do Prado JC Jr. DHEA and testosterone therapies in Trypanosoma cruzi-infected rats are associated with thymic changes. Res Vet Sci. 2010 Aug;89(1):98-103. doi: 10.1016/j.rvsc.2010.01.016.

11. Mocchegiani E, Romeo J, Malavolta M, Costarelli L, Giacconi R, Diaz LE, Marcos A. Zinc: dietary intake and impact of supplementation on immune function in elderly. Age (Dordr). 2013 Jun;35(3):839-60. doi: 10.1007/s11357-011-9377-3.

12. Haussler MR, Saini RK, Sabir MS, Dussik CM, Khan Z, Whitfield GK, Griffin KP, Kaneko I and Jurutka PW. Vitamin D nutrient-gene interactions and healthful aging. Chapter 33 in Molecular Basis of Nutrition and Aging, First Edition, Marco Malavolta and Eugenio Mocchegiani, eds., Elsevier Academic Press, San Diego, pp. 449-471 (2016).

13. Wang Z, Wang Y, Xu B, Liu J, Ren Y, Dai Z, Cui D, Su X, Si S, Song SJ. Vitamin D improves immune function in immunosuppressant mice induced by glucocorticoid. Biomed Rep. 2017 Jan;6(1):120-124. doi: 10.3892/br.2016.817.

14. Lu AT, Quach A, Wilson JG, Reiner AP, Aviv A, Raj K, Hou L, Baccarelli AA, Li Y, Stewart JD, Whitsel EA, Assimes TL, Ferrucci L, Horvath S. DNA methylation GrimAge strongly predicts lifespan and healthspan. Aging (Albany NY). 2019 Jan 21;11(2):303-327. doi: 10.18632/aging.101684.

15. Junnila RK, List EO, Berryman DE, Murrey JW, Kopchick JJ. The GH/IGF-1 axis in ageing and longevity. Nat Rev Endocrinol. 2013 Jun;9(6):366-376. doi: 10.1038/nrendo.2013.67.

16. Vitale G, Barbieri M, Kamenetskaya M, Paolisso G. GH/IGF-I/insulin system in centenarians. Mech Ageing Dev. 2017 Jul;165(Pt B):107-114. doi: 10.1016/j.mad.2016.12.001. Epub 2016 Dec 5.

17. Justice JN, Nambiar AM, Tchkonia T, LeBrasseur NK, Pascual R, Hashmi SK, Prata L, Masternak MM, Kritchevsky SB, Musi N, Kirkland JL. Senolytics in idiopathic pulmonary fibrosis: Results from a first-in-human, open-label, pilot study. EBioMedicine. 2019 Feb;40:554-563. doi: 10.1016/j.ebiom.2018.12.052.

Il viroma e l’invecchiamento

2019-07-08T15:09:00.001-07:00

Prendo spunto da un recente lavoro (1), una “review” per l’esattezza (ovvero una revisione della letteratura finalizzata all'aggiornamento su un determinato argomento), per introdurre un argomento che è stato ampiamente sottovalutato dalla biogerontologia ma che grazie alle nuove tecnologie sta emergendo in tutta la sua rilevanza e complessità. Mi riferisco in particolare al ruolo del viroma nell’invecchiamento.

Cos’è il viroma vi starete chiedendo? Ebbene, in termini semplicistici non è altro che l’insieme delle comunità virali che risiedono nel nostro organismo. Probabilmente avrete già sentito parlare di microbiota, termine che si riferisce non solo ai batteri ma a tutte le comunità di microorganismi (batteri, protisti, archea, funghi e virus) che vivono nel nostro organismo (n.b. non solo nell’intestino). Questo significa che il nostro corpo non è formato solo da cellule “umane” ma è piuttosto formato da una moltitudine di organismi che vivono in simbiosi. Se pensiamo solo ai batteri, considerate il fatto che in un uomo ci sono circa 30 trilioni di cellule e 39 trilioni di batteri (un trilione equivale a mille miliardi). In altre parole siamo formati da quasi un 50% di cellule umane e un 50% di batteri.

Non è quindi sorprendente che cambiamenti nel microbiota, solitamente studiato limitatamente alla sua componente batterica (batteriota), si associno a cambiamenti nello stile di vita e ad altri fattori ambientali, a malattie e perfino all’invecchiamento (2). Purtroppo la maggior parte degli studi è limitata a studi di tipo osservazionali, per cui una relazione di causa-effetto è difficile da estrapolare. Tuttavia, appare ragionevole pensare che gli effetti dei cambiamenti del microbioma sulla salute umana e sull’invecchiamento siano rilevanti.

Se ci soffermiamo solo alle cellule del nostro organismo, sappiamo che generalmente il loro fato consiste nell’andare incontro a senescenza cellulare, ad apoptosi (morte cellulare) o a trasformazioni neoplastiche (i.e. diventano una cellula che può dare origine ad un tumore). All’origine di questi fenomeni vi sono dei danni di varia natura che caratterizzano l’invecchiamento biologico. Fenomeni simili non possono essere esclusi anche per quel che riguarda il nostro microbioma ma le ricerche in questo campo sono ancora limitate.

Lo studio del viroma è ancora più complesso di quello dei batteri che formano il nostro organismo, infatti, i virus spesso non possiedono sequenze genetiche note (come nel caso delle sequenze dei geni ribosomiali utilizzate per i batteri) che consentono la loro identificazione. Il viroma dei mammiferi comprende virus che infettano le cellule eucariotiche (quelle che possiamo considerare le “nostre” cellule”), virus che infettano i batteri (batteriofagi) e gli archea (viroma degli archea) che fanno parte del nostro organismo e virus che sono ormai integrati nel nostro DNA o di quello dei nostri batteri (retrovirus endogeni, elementi virali endogeni e profagi). Tutti questi virus sono potenzialmente in grado di replicarsi e, in particolari casi o circostanze, di dare origine a fenomeni simili ad un’infezione.

Tali virus possono semplicemente cercare di sopravvivere all’interno del nostro organismo in forma latente fino a quando non si verificano le condizioni necessarie alla loro riattivazione. Molti di questi virus sono specializzati nell’evadere le difese del sistema immunitario e possono diversificarsi ed evolvere fino a sviluppare delle relazioni simbiotiche con le cellule e l’organismo che li ospita (3).

I virus del nostro viroma risiedono non solo nel DNA delle nostre cellule e dei nostri batteri, ma anche nelle mucose e possono persistere in diverse forme latenti in cellule neuronali, ematopoietiche, staminali, vascolari e probabilmente di qualunque altro tipo.

Le moderne tecniche di “next generation sequencing” hanno permesso di analizzare e pubblicare almeno in parte quella che è la composizione del nostro viroma in condizioni normali. Restano tuttavia ancora molte sequenze sconosciute che non sono riconducibili a quelle di virus o batteri noti e che fanno sospettare che il viroma sia molto più ampio di quello che conosciamo adesso.

Sono state identificate 10⁹ (un miliardo) particelle virali per ogni grammo di contenuto del nostro intestino, 10⁷ (10 milioni) particelle virali per ogni ml di urina e 10⁵ (centomila) particelle virali per ogni ml del nostro sangue (4). La maggior parte dei virus che si trovano nell’intestino sono batteriofagi. Questi virus sono in grado di modulare le funzioni batteriche, ad esempio alterando la loro capacità di produrre tossine o la loro resistenza agli antibiotici. Se a questo aggiungiamo il fatto che la metà del nostro genoma è formata da elementi genomici mobili (trasposoni; vedi post relativo a questo argomento) che comprendono anche retrovirus endogeni (i.e. virus che hanno infettato i nostri antenati e si sono integrati nel nostro DNA) è più che mai ragionevole considerare un ruolo di primaria importanza del viroma nel processo di invecchiamento.

Cosa sappiamo finora (elenco solo alcuni degli aspetti conosciuti per non dilungare troppo il post):

I cambiamenti epigenetici che accompagnano l’invecchiamento determinano un processo di ipermetilazione focale e demetilazione generale. Quest’ultima può essere associata ad un aumento dell’attività dei trasposoni e di retrovirus endogeni (5).
L’attivazione di alcuni trasposoni, (in particolare LINE-1) oltre a aumentare il rischio di instabilità genomica determina l’attivazione di alcuni “pathways” (vedi post relativo all’argomento) che comportano un aumento dell’infiammazione cronica che accompagna l’invecchiamento (fenomeno noto come “inflammaging”) (6).
Per ciò che riguarda i retrovirus endogeni, sappiamo che, nonostante questi abbiano perso la loro capacità infettiva nel corso dell’evoluzione, possono essere coinvolti nella patogenesi di alcune malattie autoimmunitarie, nell’attivazione di linfociti B e T e nella carcinogenesi (7). Purtroppo i meccanismi non sono ancora chiari e tutto è complicato dal fatto che ci sono migliaia di retrovirus endogeni differenti con differente attività biologica. L’espressione di alcuni di questi aumenta nei campioni biologici prelevati da individui anziani, lasciando aperta la domanda se il declino immunitario o i cambiamenti epigenetici o altri processi sono coinvolti in questo fenomeno (8).
Altri virus, quali il citomegalovirus (CMV) possono persistere in forma latente nel nostro organismo e indurre cambiamenti deleteri nel sistema immunitario (9). Lo stesso è stato in parte dimostrato per diversi altri Herpes virus. A questo si aggiunge anche la recente scoperta che il titolo di Torque teno virus (TTV) nel sangue è associato alla mortalità nell’anziano (10).
Sappiamo che il viroma batterico oltre a modulare le funzioni del microbiota può anche interagire direttamente col nostro sistema immunitario. Particelle dei batteriofagi possono entrare in contatto con le cellule epiteliali e possono anche attraversare la mucosa intestinale o venire trasportate da cellule dendritiche e avere accesso sistemico (11). Alcune di queste particelle possono anche stimolare la produzione di citochine pro-infiammatorie e interagire a vari livelli col sistema immunitario (12).
Il viroma è talmente integrato nel nostro organismo che assolve funzioni importanti per la nostra salute. Il genoma dei batteriofagi può stimolare la produzione di interferone aiutandoci a proteggerci dall’infezione di altri virus (13). Le proteine prodotte dai batteriofagi possono proteggerci da infezioni batteriche di natura esogena (14).
Il nostro viroma influenza i geni e le proteine che producono le nostre cellule, incluse le cellule che non sono “infettate”, determinando quello che viene chiamato “imprinting trascrizionale mediato dal viroma” (3).
Le funzioni positive e negative che assolve il viroma sono ancora per gran parte inesplorate e probabilmente alcune di queste facciamo fatica ad immaginarle. Basti pensare come esempio (ma ce ne sono molti altri) che una proteina prodotta da batteriofagi che infettano i batteri degli afidi riesce a proteggere questa specie da larve parassite iniettatigli dalle vespe.

Alla luce di queste evidenze e di quanto ancora non conosciamo mi viene da chiedere quale sia il reale contributo del viroma (e del microbiota) all’invecchiamento. Può essere talmente grande da risultare uno dei fattori primari oppure i cambiamenti del viroma sono per lo più un “riflesso” del decadimento del sistema immunitario? Quanto è rilevante la competizione tra i vari virus e batteri nel preservare la vitalità del nostro organismo? Seguendo il concetto dell’antagonismo pleiotropico non è difficile ipotizzare che si siano selezionate alcune funzioni del viroma che siano benefiche durante la nostra età riproduttiva e deleterie durate l’invecchiamento.

Come è possibile quantificare l’impatto del viroma nell’invecchiamento? È possibile generare un organismo (anche molto semplice) “epurato” da tutto il viroma e studiare il suo processo di invecchiamento?

E infine…..perché questo fenomeno è ancora così scarsamente considerato in biogerontologia?

Referenze

Hurme M. Viruses and immunosenescence – more players in the game. Immunity & Ageing 2019;16:13
Finlay BB, Pettersson S, Melby MK, Bosch TCG. The Microbiome Mediates Environmental Effects on Aging. Bioessays. 2019 Jun 3:e1800257.
Virgin HW. The Virome in Mammalian Physiology and Disease. Cell 2014; 157:142-150.
Zarate S, Taboada B, Yocupicio-Monroe M, Arais CF. Human virome. Arch Med Res. 2017;48:701–16.
Brunet A, Berger SL. Epigenetics of aging and aging-related disease. J Gerontol A Biol Sci Med Sci. 2014 Jun;69 Suppl 1:S17-20
De Cecco M, Ito T, Petrashen AP, Elias AE, Skvir NJ, Criscione SW, Caligiana A, Brocculi G, Adney EM, Boeke JD, Le O, Beauséjour C, Ambati J, Ambati K, Simon M, Seluanov A, Gorbunova V, Slagboom PE, Helfand SL, Neretti N, Sedivy JM. L1 drives IFN in senescent cells and promotes age-associated inflammation. Nature. 2019 Feb;566(7742):73-78
Katoh I, Kurata S. Association of endogenous retroviruses and long terminal repeats with human disorders. Front Oncol. 2013;3:234
Subramanian RP, Wildschutte JH, Russo C, Coffin JM. Identification, characterization, and comparative genomic distribution of the HERV-K (HML-2) group of human endogenous retroviruses. Retrovirology. 2011;8:90
Jackson SE, Redeker A, Arens R, van Baarle D, van den Berg SPH, Benedict CA, Čičin-Šain L, Hill AB, Wills MR. CMV immune evasion and manipulation of the immune system with aging. Geroscience. 2017 Jun;39(3):273-291
Giacconi R, Maggi F, Macera L, Pistello M, Provinciali M, Giannecchini S, Martelli F, Spezia PG, Mariani E, Galeazzi R, Costarelli L, Iovino L, Galimberti S, Nisi L, Piacenza F, Malavolta M. Torquetenovirus (TTV) load is associated with mortality in Italian elderly subjects. Exp Gerontol. 2018 Oct 2;112:103-111
De Vlaminck I, Khush KK, Strehl C, Kohli B, Luikart H, Neff NF, Okamoto J, Snyder TM, Cornfield DN, Nicolls MR, Weill D, Bernstein D, Valantine HA, Quake SR. Temporal response of the human virome to immunosuppression and antiviral therapy. Cell. 2013 Nov 21;155(5):1178-87
Duerkop BA, Hooper LV. Resident viruses and their interactions with the immune system. Nat Immunol. 2013 Jul;14(7):654-9
Mori K, Kubo T, Kibayashi Y, Ohkuma T, Kaji A. Anti-vaccinia virus effect of M13 bacteriophage DNA. Antiviral Res. 1996 Jun; 31(1-2):79-86.
Barr JJ, Auro R, Furlan M, Whiteson KL, Erb ML, Pogliano J, Stotland A, Wolkowicz R, Cutting AS, Doran KS, Salamon P, Youle M, Rohwer F. Bacteriophage adhering to mucus provide a non-host-derived immunity. Proc Natl Acad Sci U S A. 2013 Jun 25; 110(26):10771-6.

Le vescicole extracellulari (esosomi) prodotti dalle cellule senescenti inducono senescenza nelle cellule adiacenti

2019-05-23T06:02:00.000-07:00

In un post precedente (Effetto “contagio” e ruolo del sistema immunitario nell’accumulo delle cellule senescenti) avevo anticipato che lo studio delle vescicole extracellulari prodotte dalle cellule senescenti avrebbe aiutato a chiarire alcuni aspetti dell’”effetto contagio” (fenomeno attraverso il quale la senescenza cellulare si propaga in cellule circostanti – in inglese “bystander effect”).

Ebbene, non c’è stato molto da attendere. Proprio ad aprile di quest’anno, i ricercatori del Buck Institute of Aging in collaborazione con altri gruppi di ricerca hanno pubblicato un lavoro focalizzato sul ruolo delle vescicole extracellulari prodotte da condrociti senescenti (1). I condrociti sono le cellule che compongono la cartilagine e la loro senescenza ha un ruolo causale in una patologia età associata seriamente invalidante quale l’artrosi (2). Un eccessivo accumulo di condrociti senescenti non è solo un limite alla rigenerazione del tessuto cartilagineo ma è anche la sorgente di una serie di citochine infiammatorie, chemochine e proteasi (secrezione denominata “fenotipo secretorio associato alla senescenza” e abbreviato dall’inglese in SASP) che contribuiscono alla degradazione della cartilagine e al dolore persistente e quindi anche alle limitazioni di mobilità che ne conseguono.

Un aspetto particolarmente importante della senescenza cellulare riguarda la propagazione di questo fenomeno a cellule adiacenti, come se fosse una specie di contagio che contribuisce all’accumularsi delle cellule senescenti nei tessuti. Uno studio effettuato con trapianti di cellule senescenti sottocutanee e intramuscolari nel topo (inclusi modelli immunodeficienti) ha chiaramente dimostrato che l’effetto contagio è consistente e contribuisce in modo significativo all’accumulo di cellule senescenti con l’invecchiamento, in particolare quando l’efficienza del sistema immunitario inizia a diminuire col progredire dell’età. Tuttavia, questo stesso studio non era riuscito a dimostrare che l’effetto contagio fosse mediato da un aumento di fattori solubili originati dal SASP (3). Sebbene tale osservazione potrebbe essere la conseguenza della bassa riproducibilità dei sistemi di misura delle citochine, era ragionevole aspettarsi che qualche altro fattore potesse essere coinvolto nell’effetto contagio. Il lavoro appena pubblicato sulla senescenza dei condrociti (1) dimostra per la prima volta che le vescicole extracellulari (prevalentemente di tipo esosomi), isolate da colture “in vitro” di condrociti senescenti, inducono senescenza nei condrociti non senescenti. Tali vescicole inducono anche le caratteristiche patologiche dell’artrosi quando vengono iniettati nell’articolazione degli animali. Il lavoro ha inoltre identificato alcuni microRNA (quali miR-34a-5p) contenuti in tali vescicole che potrebbero mediare questo effetto e che potrebbero anche essere utilizzati quali marcatori prognostici nella terapia dell’artrosi. Va considerato che parte dei ricercatori coinvolti nel lavoro hanno depositato brevetti e sono coinvolti a vari livelli in una “Company” americana (Unity Biotechnology) dedicata allo sviluppo di senolitici. Infatti, parte del lavoro era intesa a dimostrare come gli effetti deleteri delle vescicole prodotte dalle cellule senescenti venivano soppressi somministrando localmente il composto senolitico UBX0101. Questo composto (che favorisce la morte cellulare selettiva delle cellule senescenti inibendo l’interazione tra p53 e MDM2) è attualmente impiegato nel primo clinical trial sull’uomo e ci si aspetta di avere i primi risultati verso la fine o dopo l’estate. Probabilmente non ci aspettiamo i miracoli annunciati da qualche articolo un po' troppo ottimista, ma è comunque una speranza in più di ritardare la protesi per tutti quelli che (come me) soffrono di artrosi al ginocchio.

Un aspetto interessante del lavoro è quello di avere aperto una nuova strada di ricerca indirizzata allo studio del contenuto e degli effetti indotti dalle microvescicole prodotte dalle cellule senescenti. È probabile che tali vescicole extracellulari possano giocare un ruolo in numerose patologie associate all’invecchiamento. Nuovi studi seguiranno sicuramente questa strada al fine di sviluppare marcatori e target terapeutici.

Jeon OH, Wilson DR, Clement CC, Rathod S, Cherry C, Powell B, Lee Z, Khalil AM, Green JJ, Campisi J, Santambrogio L, Witwer KW, Elisseeff JH. Senescence cell-associated extracellular vesicles serve as osteoarthritis disease and therapeutic markers. JCI Insight. 2019 Apr 4;4(7). pii: 125019. doi: 10.1172/jci.insight.125019.
Jeon OH, Kim C, Laberge RM, Demaria M, Rathod S, Vasserot AP, Chung JW, Kim DH, Poon Y, David N, Baker DJ, van Deursen JM, Campisi J, Elisseeff JH. Local clearance of senescent cells attenuates the development of post-traumatic osteoarthritis and creates a pro-regenerative environment. Nat Med. 2017 Jun;23(6):775-781. doi: 10.1038/nm.4324
da Silva PFL, Ogrodnik M, Kucheryavenko O, Glibert J, Miwa S, Cameron K, Ishaq A, Saretzki G, Nagaraja-Grellscheid S, Nelson G, von Zglinicki T. The bystander effect contributes to the accumulation of senescent cells in vivo. Aging Cell. 2018 Nov 21:e12848. doi: 10.1111/acel.12848.

News sulle origini dell’infiammazione cronica associata all’invecchiamento e prospettive di trattamento terapeutico

2019-03-30T19:47:00.000-07:00

È ormai un dato ben consolidato dalla letteratura che un aumento di infiammazione sub-clinica caratterizza l’invecchiamento e contribuisce a danneggiare i tessuti degli individui più anziani. Questo concetto è stato in origine definito “inflammaging” e, sebbene nel tempo abbia subito varie evoluzioni e raffinazioni, l’idea di base è rimasta immutata. Numerosi studi sono stati effettuati per investigare i motivi dell’incremento di questa infiammazione cronica. Con molta probabilità alcuni dei meccanismi maggiormente coinvolti includono l’accumularsi di patogeni responsabili di infezioni latenti e i cambiamenti nel microbioma che non sono graditi al nostro organismo. In quest’ultimo periodo, tuttavia, sta emergendo il concetto che l’accumularsi di cellule senescenti sia uno dei maggiori fattori che contribuisce all’infiammazione sistemica e tissutale associata all’invecchiamento. Le cellule senescenti possono infatti produrre un secretoma a carattere pro infiammatorio (denominato SASP= “senescence associated secretory phenotype”) che può essere responsabile di disfunzioni tissutali e che può anche contribuire allo sviluppo di diverse patologie età associate.

In questi ultimi mesi sono usciti dei lavori che mettono in evidenza quali meccanismi all’interno delle cellule senescenti o non-senescenti (ma comunque di organismi che invecchiano) possono scatenare l’aumento di infiammazione.

Sappiamo tutti che il DNA è ben confinato nel nucleo della cellula, ma probabilmente in pochi sanno che in particolari circostanze si può ritrovare del DNA di origine nucleare anche al di fuori del nucleo. Nella maggior parte dei casi, si tratta di DNA che ha subito dei danni e che viene trasportato mediante il meccanismo di autofagia per poi essere degradato dalle nucleasi lisosomiali. Tuttavia, nel caso in cui ci siano difetti nel processo di autofagia o nel caso in cui la presenza di tale DNA aumenta notevolmente questo DNA innesca un pathway denominato STING (stimolatore dei geni dell’interferone) che origina una risposta infiammatoria mediata da interferone di tipo I; la stessa risposta che avverrebbe nel caso in cui la cellula fosse infettata da un virus o altri tipi di patogeni intracellulari. Anche le cellule senescenti subiscono cambiamenti consistenti nella cromatina e sembra che in queste condizioni la presenza di DNA extra-nucleare possa aumentare. Un recente lavoro (1) dimostra che i fibroblasti umani che si avvicinano allo stadio di senescenza replicativa accumulano questo DNA extra-nucleare con conseguente produzione di citochine pro-infiammatorie mediate dall’attivazione dello STING pathway. Questo fenomeno pro-infiammatorio contribuiva all’accumulo di cellule senescenti nel topo e poteva essere attenuato attraverso un aumento di espressione di DNASE2A (una nucleasi lisosomiale convolta nella degradazione del DNA extra-nucleare).

Parallelamente a questo lavoro, è stato osservato che nelle cellule senescenti, in particolare quelle che si sono formate da più tempo (possiamo chiamarle cellule senescenti “tardive”), sussiste un intensa attività di elementi retrotrasponibili (chiamiamoli trasposoni per semplicità e vi suggerisco di vedere un mio precedente post su questo argomento). I trasposoni di tipo L1 (noti anche come LINE-1) sembrano quelli maggiormente attivati nella senescenza cellulare e, non sembra una semplice coincidenza il fatto che siano in grado di attivare una risposta infiammatoria mediata da interferone di tipo I (2). Questa risposta è mediata proprio dalla presenza di DNA di L1 nel citoplasma e può essere repressa in presenza di inibitori delle trascrittasi inverse, quale la Lamivudina, un farmaco noto per le sue proprietà benefiche nell’infezione sostenuta da virus dell'Immunodeficienza Umana (HIV). L’effetto anti-infiammatorio di tale inibitore è stato osservato anche “in vivo” sul topo con una riduzione significativa dell’infiammazione associata all’invecchiamento. Questi risultati aprono una nuova strada terapeutica nel trattamento delle condizioni associate all’invecchiamento in cui la senescenza cellulare e l’infiammazione cronica sono un fattore comune. Poiché diversi inibitori delle trascrittasi inverse sono già approvati per l’uso nell’uomo (in particolare per il trattamento dell’HIV) non escludo che vedremo a breve dei trial clinici in pazienti con Alzheimer, artrosi o condizione estrema di fragilità.

Lan YY, Heather JM, Eisenhaure T, Garris CS, Lieb D, Raychowdhury R, Hacohen N. Extranuclear DNA accumulates in aged cells and contributes to senescence and inflammation. Aging Cell. 2019 Apr;18(2):e12901.
De Cecco M, Ito T, Petrashen AP, Elias AE, Skvir NJ, Criscione SW, Caligiana A, Brocculi G, Adney EM, Boeke JD, Le O, Beauséjour C, Ambati J, Ambati K, Simon M, Seluanov A, Gorbunova V, Slagboom PE, Helfand SL, Neretti N, Sedivy JM. L1 drives IFN in senescent cells and promotes age-associated inflammation. Nature. 2019 Feb;566(7742):73-78.

Effetto “contagio” e ruolo del sistema immunitario nell’accumulo delle cellule senescenti

2019-01-12T20:43:00.000-08:00

Siamo all’inizio del 2019 e mi sembrava opportuno aprire il nuovo anno con un aggiornamento riguardante un argomento che è ormai di dominio pubblico oltre che scientifico, ovvero la senescenza cellulare.

Se vi siete persi il precedente post dedicato alla senescenza cellulare e ai senolitici potete comunque recuperarlo facilmente cliccando qui: http://www.biogerontologiasperimentale.com/2018/09/senescenza-cellulare-e-senolitici.html

Ebbene, cosa c’è di nuovo su questo argomento? Tanto, tantissimo, così tanto che si fa davvero fatica a seguire tutti gli aggiornamenti. Comunque, tre lavori usciti a cavallo della fine del 2018 e inizio del 2019 mi hanno particolarmente colpito.

Il primo (1) riguarda la conferma che le cellule senescenti possono effettivamente “contagiare” altre cellule adiacenti inducendone la senescenza (un fenomeno un po' in stile “zombie”). Tale fenomeno era stato documentato “in vitro” ma ancora non si era certi se “l’effetto contagio” era evidente “in vivo” (n.b. in inglese è denominato “bystander effect” che letteralmente significa “l'effetto spettatore”, un termine che a mio parere non rende bene l’idea del fenomeno attraverso cui la senescenza viene trasmessa alle cellule adiacenti, per cui ho preferito “effetto contagio”). Un gruppo di ricerca dell’Università di Newcastle (UK) è riuscito a documentare questo fenomeno attraverso il trapianto di cellule senescenti nei muscoli e nella pelle di topi con deficit immunitari (1). Questi topi, le cui cellule senescenti non possono essere efficacemente rimosse dal sistema immunitario (vedi più avanti in questo post), dimostravano la presenza di marcatori di senescenza cellulare nelle cellule adiacenti ai trapianti già dopo tre settimane. Questo fenomeno non si osservava se invece venivano trapiantate cellule non senescenti. Gli autori hanno altresì dimostrato con altri modelli che l’effetto bystander contribuisce in modo significativo all’accumulo di cellule senescenti con l’invecchiamento ma non sono riusciti a dimostrare un influenza dei classici componenti del SASP (letteralmente “senescence associated secretory phenotype”, ovvero il profilo secretorio associato alla senescenza e costituito per la maggior parte da fattori pro-infiammatori, fattori di crescita e enzimi che degradano localmente la matrice extracellulare quali le metalloproteasi). Resta quindi aperta la ricerca verso i meccanismi di questo contagio (il morso in stile “zombie” è chiaramente escluso trattandosi di cellule) ed è ragionevole aspettarsi che la componente “nano-“ e “micro-“ vescicolare secreta dalle cellule sarà la prossima indiziata in questo fenomeno. Un aspetto interessante di questo lavoro riguarda la prospettiva di poter ridurre il grado di accumulo di cellule senescenti agendo sui meccanismi di questo contagio. Infatti, impedire l’effetto contagio potrebbe contribuire a ridurre la velocità di formazione delle cellule senescenti e quindi agevolare il sistema immunitario nella loro rimozione.

Il secondo (2) riguarda la prova sperimentale che il sistema immunitario contribuisce in modo significativo a contrastare l’accumulo di cellule senescenti nell’invecchiamento. Anche questa scoperta è stata realizzata attraverso l’utilizzo di un modello di topo transgenico con un deficit di citotossicità riguardante alcune cellule del suo sistema immunitario. Ebbene, questi topi accumulano più velocemente cellule senescenti dei topi normali. Questo accumulo determina anche un consistente incremento di fattori pro-infiammatori e una maggiore incidenza di patologie con l’avanzare dell’età (oltre che una ridotta longevità). Questi difetti però sono in parte risolti attraverso la rimozione farmacologica delle cellule senescenti (effettuata nel lavoro con ABT-737, un composto simile ad un altro famoso senolitico, l’ABT-263 noto anche come navitoclax). Questo lavoro rafforza l’idea che il sistema immunitario può costituire un target alternativo ai senolitici, posto che si riesca a potenziarlo in modo selettivo verso le cellule senescenti in maniera analoga a quello che sta avvenendo con successo nella terapia di alcuni tumori.

L’ultimo lavoro che a mio parere merita di essere menzionato è uno studio riguardante gli effetti negativi dovuti all’accumulo di cellule senescenti (3).

Alcuni ricercatori della Mayo Clinic (USA) in collaborazione con l’Università di Newcastle (UK) hanno dimostrato che nel topo, l’obesità si accompagna ad un aumento di cellule senescenti nel cervello (in particolare cellule gliali in prossimità del ventricolo laterale) e che questo accumulo determina un deficit di neurogenesi e un incremento di ansia e depressione (due fenomeni comunemente associati all’obesità). Infatti, sia la rimozione genetica che farmacologica delle cellule senescenti contrastava questi fenomeni. Questo lavoro dimostra che l’utilizzo di senolitici può essere utile anche in condizioni non strettamente associate all’invecchiamento in cui è dimostrato un accumulo di cellule senescenti.

In conclusione, questi tre lavori ci confermano che l’accumulo di cellule senescenti ha effetti deleteri e che tale accumulo è in parte dovuto all’effetto “bystender” (effetto contagio) durante l’invecchiamento. In questo contesto, il sistema immunitario è una forte barriera all’accumulo di cellule senescenti ma sappiamo anche che questo sistema va incontro ad un declino progressivo durante l’invecchiamento che ragionevolmente favorisce l’accumulo delle cellule senescenti. Potremmo aspettarci lo sviluppo di nuove immunoterapie atte a contrastare l’accumulo di cellule senescenti? Non credo ci sarà molto da aspettare, quantomeno a livello pre-clinico sperimentale.

da Silva PFL, Ogrodnik M, Kucheryavenko O, Glibert J, Miwa S, Cameron K, Ishaq A, Saretzki G, Nagaraja-Grellscheid S, Nelson G, von Zglinicki T. The bystander effect contributes to the accumulation of senescent cells in vivo. Aging Cell. 2018 Nov 21:e12848. doi: 10.1111/acel.12848.
Ovadya Y, Landsberger T, Leins H, Vadai E, Gal H, Biran A, Yosef R, Sagiv A, Agrawal A, Shapira A, Windheim J, Tsoory M, Schirmbeck R, Amit I, Geiger H, Krizhanovsky V. Impaired immune surveillance accelerates accumulation of senescent cells and aging. Nat Commun. 2018 Dec 21;9(1):5435. doi: 10.1038/s41467-018-07825-3.
Ogrodnik M, Zhu Y, Langhi LGP, Tchkonia T, Krüger P, Fielder E, Victorelli S, Ruswhandi RA, Giorgadze N, Pirtskhalava T, Podgorni O, Enikolopov G, Johnson KO, Xu M, Inman C, Schafer M, Weigl M, Ikeno Y, Burns TC, Passos JF, von Zglinicki T, Kirkland JL, Jurk D. Obesity-Induced Cellular Senescence Drives Anxiety and Impairs Neurogenesis. Cell Metab. 2018 Dec 28. pii: S1550-4131(18)30745-9. doi: 10.1016/j.cmet.2018.12.008.

Focus su cancro e invecchiamento: il progresso dell’epigenetica verso la diagnosi dei tumori.

2018-12-26T10:27:00.001-08:00

Parlare di cancro in un blog dedicato alla biogerontologia è prima o poi inevitabile. Cancro e invecchiamento sono strettamente interconnessi non solo dal punto di vista epidemiologico (l’incidenza dei tumori aumenta esponenzialmente con l’avanzare dell’età) (1) ma anche dal punto di vista dei meccanismi biologici che li caratterizzano.

Ad esempio, accorciamento dei telomeri e accumulo di cellule senescenti sono due tra i più rilevanti determinanti di invecchiamento. Per quanto ne sappiamo, tutti i tipi di cancro necessitano di attivare un sistema che consente loro di riallungare i telomeri (es. riattivazione della telomerasi o del meccanismo alternativo di allungamento dei telomeri noto col l’acronimo di ALT) e di aggirare la barriera imposta alla proliferazione da parte della senescenza cellulare (2-5).

Un altro aspetto di rilevanza in questo settore è il contributo dell’immunosenescenza alla ridotta sorveglianza dei tumori nell’invecchiamento. Infatti, l’invecchiamento contribuisce al declino del sistema immunitario e quindi ad una ridotta efficienza nella rimozione di cellule che vanno incontro a trasformazioni pericolose per l’organismo (6).

Infine, una particolare analogia emerge dai recenti progressi nel campo dell’epigenetica (di cui abbiamo già discusso nel precedente post). L’invecchiamento è infatti caratterizzato da una serie di alterazioni epigenetiche, in particolare riguardo alla densità e alla distribuzione della metilazione del DNA. In maniera del tutto analoga, anche le cellule cancerose dimostrano una serie di cambiamenti epigenetici caratteristici. Il cancro è una malattia estremamente variabile e differenti tipi di cancro hanno un profilo epigenetico differente. Tuttavia, alcuni di questi cambiamenti sembrano particolarmente comuni in diversi tipi di cancro, in particolare la densità di metilazione risulta globalmente diminuita e aumentata solo in specifiche regioni del DNA (7) (un fenomeno simile, ma apparentemente più marcato, a quello che si osserva con l’invecchiamento).

Un team di ricercatori ha notato che queste alterazioni conferiscono al DNA isolato da cellule cancerose una particolare struttura tridimensionale che ne riduce l’assorbimento in superfici rivestite d’oro (8). Questa caratteristica è stata sufficiente a consentire lo sviluppo di una tecnologia a basso costo che consente di identificare la presenza di cellule cancerose con un’accuratezza del 90% (su 200 campioni testati che includevano casi e controlli).

Tale tecnologia non deve necessariamente essere fatta su biopsie di tumore ma può essere applicabile anche al sangue dei pazienti poiché il DNA proveniente da cellule cancerose può essere rilevato anche nel sangue (9). Infatti, le cellule cancerose che muoiono rilasciano il loro DNA (generalmente in forma di microvescicole) nell’ambiente circostante andando spesso ad arricchire il pool di DNA noto come “circulating free DNA” che è rilevabile nel siero.

Al momento, i ricercatori sono coinvolti in progetti che stanno portando alla commercializzazione della loro scoperta. È altresì probabile che ulteriori studi in questo settore possano portare a migliorare ulteriormente l’accuratezza della metodica e non è escluso che vedremo tali metodi diagnostici, o altri basati sulle alterazioni epigenetiche caratteristiche dei tumori, trasferiti in clinica in un prossimo futuro.

Kamangar F, Dores GM, Anderson WF. Patterns of cancer incidence, mortality, and prevalence across five continents: defining priorities to reduce cancer disparities in different geographic regions of the world. J Clin Oncol. 2006;24:2137-50. DOI: 10.1200/JCO.2005.05.2308
Cesare AJ, Reddel RR. Alternative lengthening of telomeres: models, mechanisms and implications. Nat Rev Genet. 2010;11:319-30. DOI: 10.1038/nrg2763
Stewart SA, Weinberg RA. Telomeres: cancer to human aging. Annu Rev Cell Dev Biol. 2006;22:531-57. DOI: 10.1146/annurev.cellbio.22.010305.104518
Blasco MA. Telomeres and human disease: ageing, cancer and beyond. Nat Rev Genet. 2005;6:611-22. DOI: 10.1038/nrg1656
Collado M, Blasco MA, Serrano M. Cellular senescence in cancer and aging. Cell. 2007;130:223-33. DOI: 10.1016/j.cell.2007.07.003
Pawelec G. Immunosenescence and cancer. Biogerontology. 2017;18:717-721. DOI: 10.1007/s10522-017-9682-z.
Suzuki MM, Bird A. DNA methylation landscapes: provocative insights from epigenomics. Nat Rev Genet. 2008;9:465-76. DOI: 10.1038/nrg2341.
Sina AA, Carrascosa LG, Liang Z, Grewal YS, Wardiana A, Shiddiky MJA, Gardiner RA, Samaratunga H, Gandhi MK, Scott RJ, Korbie D, Trau M. Epigenetically reprogrammed methylation landscape drives the DNA self-assembly and serves as a universal cancer biomarker. Nat Commun. 2018;9:4915. DOI: 10.1038/s41467-018-07214-w.
Underhill HR, Kitzman JO, Hellwig S, Welker NC, Daza R, Baker DN, Gligorich KM, Rostomily RC, Bronner MP, Shendure J. Fragment Length of Circulating Tumor DNA. PLoS Genet. 2016;12:e1006162. DOI: 10.1371/journal.pgen.1006162.

Cosa misurano gli orologi epigenetici?

2018-12-02T18:28:00.001-08:00

Le modifiche di metilazione del DNA sono una delle maggiori e meglio caratterizzate alterazioni che intervengono durante il processo di invecchiamento. Le cellule di soggetti giovani presentano un genoma in cui la maggior parte dei siti CpG hanno le citosine in forma metilata. Con l’avanzare dell’età, si osserva una perdita generalizzata di metilazione mentre alcuni specifici loci vanno incontro a ipermetilazione. Tra i geni caratterizzati da un aumento di metilazione con l’invecchiamento, i più noti sono alcuni geni target dei complessi Polycomb (1-3). Al contrario, la perdita di metilazione è più marcata nelle zone di DNA caratterizzate da sequenze ripetute. Dato che gli elementi retrotrasponibili costituiscono la maggior parte delle regioni a sequenze ripetute, la loro perdita di metilazione aumenta la probabilità che avvengano fenomeni di retrotrasposizione con conseguenti inserzioni e instabilità genomica (4). Per maggiori informazioni su questo argomento vi rimando al capitolo 3.3 del mio libro di Biogerontologia (link per download gratuito).

Questi cambiamenti di metilazione del DNA che avvengono con l’invecchiamento sono talmente riproducibili da essere considerati attualmente i migliori candidati per lo sviluppo di biomarcatori di invecchiamento. Sebbene la scoperta di questo orologio epigenetico è relativamente recente (2, 5) (Tab. 1), la sua rilevanza nel campo di ricerche della biogerontologia è stata subito chiara a moltissimi ricercatori, tanto che nel giro di pochi anni abbiamo visto un imponente sviluppo di metodi in grado di rilevare orologi epigenetici con crescente grado di accuratezza nella misurazione dell’età biologica.

Tabella 1. Descrizione di due tra i primi orologi epigenetici che sono stati sviluppati.

Biomarcatore	Metodologia generalmente utilizzata	Tessuto utilizzato	Variabilità della misurazione	Effetto dell’età	Correlazione con l’età cronologica stimata (r)^a	Fonte
“Epigenetic Clock” (basato su 353 siti CpG di metilazione)	Illumina DNA methylation array (27K o 450K)	Sangue o altri tessuti	3.6 anni di deviazione mediana assoluta sul calcolo finale dell’età biologica	Aumento dell’indice globale; Aumento per 193 CpG (ipermetilate con l’età) e diminuzione per 160 CpG (ipometilate con l’età)	r = 0.96 ± 3.6 anni (indipendente dal sesso) considerando i dati medi da tutti i tessuti	(Horvath 2013) (Ref. 2)
“DNA methylation age” (basato su 71 siti CpG di metilazione)	Illumina DNA methylation array (450K)	Sangue o altri tessuti	3.9 anni di deviazione mediana assoluta sul calcolo finale dell’età biologica	Aumento dell’indice globale	r = 0.96 ± 3.9 anni (indipendente dal sesso)	(Hannum et al. 2013) (Ref. 5)

Alcuni orologi epigenetici appaiono particolarmente interessanti in quanto sono indipendenti dal tessuto in cui vengono misurati (2, 6) e quindi non riflettono un diverso stato proliferativo delle cellule nei diversi tessuti.

Inoltre, la differenza tra l’età epigenetica e l’età cronologica, che in teoria dovrebbe riflettere il reale grado di invecchiamento biologico, è associata con l’insorgenza di numerose patologie e condizioni associate all’invecchiamento (7).

Un altro aspetto importante dell’orologio epigenetico è che questo può essere invertito o “resettato” dall’espressione dei fattori di Yamanaka in cellule somatiche adulte (8). N. B. I fattori di Yamanaka, in termini grossolani, sono una serie di fattori che quando opportunamente trasfettati sono in grado di riportare una cellula somatica adulta allo stato staminale.

Questi dati supportano quindi l’idea che l’orologio epigenetico può realmente offrire una misurazione intrinseca dell’età biologica. Ma quale sia la natura di questi cambiamenti non è ancora ben chiaro.

A tal proposito, meritano di essere menzionati tre recenti articoli, il vero focus di questo post, che hanno sicuramente aumentato la nostra capacità di interpretazione del fenomeno biologico che si nasconde dietro l’orologio epigenetico.

Il primo di questi tre lavori, a gennaio di quest’anno aveva messo in luce un paradosso sorprendente. Ovvero, da una analisi dell’orologio epigenetico condotta su circa 10000 individui emergeva che alcune varianti geniche della hTERT (la subunità catalitica della telomerasi, ovvero l’enzima che “riallunga” i telomeri), che erano notoriamente associate ad una lunghezza maggiore dei telomeri, risultavano in un’età epigenetica maggiore (9). In termini molto semplici, i risultati sembravano indicare che individui con telomeri più corti erano “epigeneticamente” più giovani di individui con i telomeri più lunghi. Il dato appariva sorprendente in quanto una minore lunghezza dei telomeri riflette generalmente un grado di senescenza cellulare più rapido e un invecchiamento precoce. Tuttavia, sappiamo bene come i lavori di associazione effettuati sull’uomo siano molto carenti dal punto di vista interpretativo e solo studi più approfonditi su modelli cellulari o animali possono aiutare a comprendere i reali meccanismi.

La spiegazione a questo paradosso è stata fornita, infatti, in un articolo uscito ad ottobre di quest’anno. Attraverso uno studio effettuato su modelli cellulari in cui veniva modulata l’espressione della hTERT (10) si è scoperto che l’orologio epigenetico non misura il grado di senescenza cellulare, anzi appare profondamente distinto dalla senescenza cellulare (rimarcando il fatto altresì noto che la senescenza cellulare non è una misura dell’invecchiamento di una cellula). Infatti, le cellule i cui veniva riattivata l’hTERT continuavano ad “invecchiare” in base all’orologio epigenetico nonostante fosse stata “bypassata” la senescenza cellulare. Per cui, le cellule con telomeri più lunghi possono “invecchiare” più a lungo di cellule con i telomeri corti in cui la senescenza cellulare impedisce loro di continuare a invecchiare. Quello che avviene quindi negli individui con le varianti di hTERT associate ai telomeri più lunghi (9) è semplicemente che le loro cellule possono vivere più a lungo e quindi essere soggette ad un maggior grado di invecchiamento epigenetico.

Infine, merita di essere menzionato un lavoro che ha studiato l’impatto di alcuni noti trattamenti “anti-aging” sull’orologio epigenetico del topo di laboratorio (11). L’orologio epigenetico può essere infatti applicato, con specifici adattamenti, anche ad altri organismi differenti dall’uomo, tra cui il topo. In questo lavoro, sono stati sviluppati quattro modelli differenti di orologio epigenetico e ciascuno di essi era in grado di fornire una buona stima dell’età degli animali. Tuttavia, solo uno di questi confermava che i topi “dwarf” (un ceppo di topi nani caratterizzato da una vita estremamente longeva) erano più giovani dei rispettivi topi “wild-type” e nessuno di questi ha rilevato un effetto sull’orologio epigenetico del trattamento con rapamicina (che in precedenti studi ha dimostrato un consistente incremento nella lunghezza della vita del topo di laboratorio). Tuttavia, tutti gli orologi epigenetici hanno evidenziato come la restrizione calorica (il più consolidato intervento in grado di aumentare la lunghezza della vita in modelli animali) sia in grado di ritardare l’orologio epigenetico.

Quest’ultimi risultati suggeriscono che gli orologi epigenetici misurano un qualche fenomeno legato all’invecchiamento (Causa? Oppure conseguenza di un qualche altro tipo di danno?) che appare specifico per ciascun tipo di orologio epigenetico e che non sono probabilmente in grado di sostituirsi attualmente agli outcome più tradizionali (quali sopravvivenza e performance funzionali) negli studi effettuati con interventi mirati a contrastare l’invecchiamento e l’insorgenza delle patologie età associate. Questo sembra tanto valido con il topo tanto quanto potrebbe esserlo nell’uomo. Va tuttavia rilevato che sono in via di sviluppo ulteriori orologi epigenetici che sembrano maggiormente associati agli outcome più importanti in studi di invecchiamento, quali mortalità, cancro, funzionalità fisica e cognitiva. Uno di questi è il recente “DNAm PhenoAge” (12) che appare particolarmente promettente per la sua capacità di associarsi al rischio dei maggiori outcome associati all’età indipendentemente dal tessuto in cui viene misurato.

Referenze

Maegawa S, Hinkal G, Kim HS, et al (2010) Widespread and tissue specific age-related DNA methylation changes in mice. Genome Res 20:332–340. doi: 10.1101/gr.096826.109
Horvath S. DNA methylation age of human tissues and cell types. Genome Biol 2013;14:R115. doi: 10.1186/gb-2013-14-10-r115
Weidner CI, Lin Q, Koch CM, et al (2014) Aging of blood can be tracked by DNA methylation changes at just three CpG sites. Genome Biol 15:R24. doi: 10.1186/gb-2014-15-2-r24
Cardelli M, Giacconi R, Malavolta M, Provinciali M (2016) Endogenous Retroelements in Cellular Senescence and Related Pathogenic Processes: Promising Drug Targets in Age-Related Diseases. Curr Drug Targets 17:416–27
Hannum G, Guinney J, Zhao L, et al (2013) Genome-wide methylation profiles reveal quantitative views of human aging rates. Mol Cell 49:359–67. doi: 10.1016/j.molcel.2012.10.016
Horvath S, Oshima J, Martin GM, Lu AT, Quach A, Cohen H, Felton S, Matsuyama M, Lowe D, Kabacik S, Wilson JG, Reiner AP, Maierhofer A, et al. . Epigenetic clock for skin and blood cells applied to Hutchinson Gilford Progeria Syndrome and ex vivo studies. Aging (Albany NY). 2018; 10:1758–75.
Horvath S, Raj K. DNA methylation-based biomarkers and the epigenetic clock theory of ageing. Nat Rev Genet. 2018; 19:371–84. 10.1038/s41576-018-0004-3
Petkovich DA, Podolskiy DI, Lobanov AV, Lee SG, Miller RA, Gladyshev VN. Using DNA Methylation Profiling to Evaluate Biological Age and Longevity Interventions. Cell Metab. 2017; 25:954–960.e6. 10.1016/j.cmet.2017.03.016
Lu AT, Xue L, Salfati EL, Chen BH, Ferrucci L, Levy D, Joehanes R, Murabito JM, Kiel DP, Tsai PC, Yet I, Bell JT, Mangino M, et al. . GWAS of epigenetic aging rates in blood reveals a critical role for TERT. Nat Commun. 2018; 9:387. 10.1038/s41467-017-02697-5
Kabacik S, Horvath S, Cohen H, Raj K. Epigenetic ageing is distinct from senescence-mediated ageing and is not prevented by telomerase expression. Aging (Albany NY). 2018 Oct 17;10(10):2800-2815. doi: 10.18632/aging.101588.
Thompson MJ, Chwiałkowska K, Rubbi L, Lusis AJ, Davis RC, Srivastava A, Korstanje R, Churchill GA, Horvath S, Pellegrini M. A multi-tissue full lifespan epigenetic clock for mice. Aging (Albany NY). 2018 Oct 21;10(10):2832-2854
Levine ME, Lu AT, Quach A, Chen BH, Assimes TL, Bandinelli S, Hou L, Baccarelli AA, Stewart JD, Li Y, Whitsel EA, Wilson JG, Reiner AP, Aviv A, Lohman K, Liu Y, Ferrucci L, Horvath S. An epigenetic biomarker of aging for lifespan and healthspan. Aging (Albany NY). 2018 Apr 18;10(4):573-591. doi: 10.18632/aging.101414.

Il numero di neuroni della corteccia cerebrale sembra strettamente correlato alla longevità delle specie

2018-11-11T17:17:00.000-08:00

L’idea che il metabolismo specifico (il dispendio di energia per grammo di tessuto e per unità di tempo) giochi un ruolo importante nel determinare la longevità delle differenti specie in natura è abbastanza intuitiva ed è stata oggetto di alcune teorie e studi sull’invecchiamento che in passato hanno riscosso un enorme successo (1). Il metabolismo specifico d’altronde è inversamente legato alla massa corporea di un animale (animali più piccoli hanno quindi un metabolismo basale più accelerato) e questo aiuterebbe a spiegare la relazione esistente tra la massa corporea e la longevità che si osserva tra le differenti specie in natura. In altre parole, le specie con massa corporea più grande vivono generalmente più a lungo delle specie con massa corporea più piccola.

Tuttavia, l’ipotesi che la longevità sia determinata dal metabolismo specifico presenta numerose discrepanze che hanno portato diversi biogerontologi a rifiutare completamente tale teoria (2). La prima discrepanza che si osserva è proprio nella relazione tra peso corporeo e longevità delle specie (questa spiega solo un 20-30% delle differenze in natura, quantomeno basandosi sui coefficienti di correlazione stimati finora). La seconda è che numerosi uccelli vivono molto più a lungo di mammiferi di pari peso corporeo, nonostante i primi abbiano una temperatura corporea mediamente più alta dei secondi (che dovrebbe quindi riflettere un più alto metabolismo specifico). Tanto per fornire un esempio basti pensare al cacatua (un particolare pappagallo - in realtà il nome comprende alcune specie di pappagallo - caratterizzato da un ciuffo sopra la testa) e al ratto. Entrambi pesano circa 300 g, ma il cacatua può raggiungere l’età di 50 anni mentre il ratto non va oltre i 3-4 anni. E sulla base della relazione tra peso corporeo e longevità l’uomo appare una forte eccezione con una longevità di circa 4 volte superiore in base a quanto predetto dalla massa corporea.

Un lavoro pubblicato il mese scorso ha aperto la strada verso una nuova interessante relazione che cerca di spiegare la longevità delle specie.

La neuroscienziata Suzana Herculano-Houzel, già nota per aver trovato un modo per calcolare in modo accurato il numero di neuroni nel cervello dei mammiferi (3), ha trovato una fortissima relazione tra il numero di neuroni della corteccia cerebrale e la longevità delle specie (4). L’analisi è stata condotta su circa 700 specie di vertebrati a sangue caldo (inclusi quindi gli uccelli) e sembra spiegare il 70 % circa delle differenze di longevità tra le specie contro appena il 20-30% che è spiegato dalla massa corporea. Il numero di neuroni nella corteccia cerebrale è correlato inoltre con l’età in cui si raggiunge la maturità sessuale (un altro importante fattore che stabilisce la longevità di una specie) e con la durata della vita dopo il raggiungimento della maturità sessuale. Secondo questa relazione l’uomo non è un’eccezione, e può raggiunge un’età massima (e.g. 120 anni) che come per le altre specie è stabilita sulla base del numero di neuroni della corteccia cerebrale.

Con una semplice formula presentata in questo lavoro si può anche stabilire l’equivalenza di età tra due specie:

Età1 = Età2*(NCx1/NCx2)^0.4

[dove i numeri 1 e 2 implicano “specie 1” e “specie 2”].

Quindi i 20 anni di età un uomo (circa 16 miliardi di neuroni nella corteccia cerebrale), corrispondono a 6,6 anni di età un macaco (circa 1 miliardo di neuroni nella corteccia cerebrale), a 5 anni di un cane (circa 500 milioni di neuroni nella corteccia cerebrale) e a 1,6 anni di età di un ratto (circa 30 milioni di neuroni nella corteccia cerebrali).

Una limitazione del presente studio è che non vengono riportate analisi corrette per le relazioni filogenetiche tra le specie. Sebbene sia un argomento dibattuto tra vari ricercatori, le correzioni per l’albero filogenetico (il quale mette in relazione le diverse specie) sono generalmente incluse in studi simili sulla longevità delle specie. Questo aspetto è particolarmente importante perché alcuni organismi che appaiono possedere una longevità simile possono essere in realtà molto lontani l’uno dall’altro nell’albero filogenetico e viceversa.

Siamo comunque sicuri che ulteriori studi approfondiranno questa prima importante pubblicazione sull’argomento, anche perché le implicazioni di tale scoperta sono decisamente importanti nel campo della biogerontologia.

Hofman MA. Metabolism, brain size and longevity in mammals. Quart Rev Biol 1983;58:495-512.
de Magalhães JP, Costa J, Church GM. An analysis of the relationship between metabolism, developmental schedules, and longevity using phylogenetic independent contrasts. J Gerontol A Biol Sci Med Sci 2007;62:149-160.
Herculano-Houzel S. The human brain in numbers: a linearly scaled-up primate brain. Front Hum Neurosci. 2009;9;3:31.
Herculano-Houzel S. Longevity and sexual maturity vary across species with number of cortical neurons, and humans are no exception. J Comp Neurol. 2018 Oct 23. doi: 10.1002/cne.24564.

Il nemico che si nasconde nel nostro DNA: nuove evidenze sulla regolazione degli elementi trasponibili nell’invecchiamento

2018-11-05T10:31:00.000-08:00

I meccanismi fondamentali dell’invecchiamento sono ancora in parte un mistero. Tuttavia, i danni che subiscono le nostre macromolecole, quali proteine e DNA, sono sicuramente tra i più importanti candidati per comprendere la diminuzione di vitalità e l’aumento di vulnerabilità che caratterizzano l’invecchiamento.

I danni di carattere ossidativo, quali quelli causati dai radicali liberi, non sono l’unica tipologia di danno che può subire il nostro DNA e, recentemente, la possibilità che i radicali liberi possano giocare un ruolo primario nell'invecchiamento è stata messa ampiamente in discussione.

Al contrario, sta assumendo sempre più rilevanza il ruolo che possono assolvere gli elementi trasponibili nell'accumulo di danni associato all'invecchiamento. In genetica si dicono elementi trasponibili (anche chiamati trasposoni) quegli elementi genetici che sono in grado di ''saltare'' (jumping genes) da una localizzazione cromosomica a un'altra. La mobilitazione e successiva inserzione dei trasposoni in una nuova zona del DNA può causare un danno significativo alla cellula. Infatti, l’inserimento può avvenire all'interno di una sequenza di DNA che codifica per una proteina o che ne regola l’espressione causando disfunzioni cellulari o addirittura una trasformazione neoplastica (un processo in seguito al quale una cellula normale si trasforma in una cellula tumorale). Esistono differenti tipi di trasposoni, alcuni creano delle copie di sé stessi che poi migrano in altre zone del DNA (una specie di meccanismo “copia e incolla”) mentre altri non si replicano ma possono “saltare” e migrare direttamente. In entrambi i casi, le conseguenze di un aumento della loro attività possono essere estremamente deleterie per le nostre cellule. La presenza di danni dovuti alla mobilitazione di trasposoni è stata documentata durante l’invecchiamento di numerose specie (1-3).

Si potrebbe pensare che questi elementi siano particolarmente rari nel nostro genoma, ma vi sorprenderà sapere che circa il 45 % del nostro DNA è costituito da elementi trasponibili. Una parte di essi è altresì integrata in funzioni di regolazione di altri geni.

È per questo motivo che le nostre cellule, così come quelle di altri organismi, sono equipaggiate con dei sofisticati sistemi di difesa deputati a tenere sotto controllo e a reprimere l’attività dei trasposoni. Il maggior sistema di difesa contro la mobilitazione dei trasposoni è costituito da piccoli RNA denominati Piwi-interacting (piRNA). I piRNA interagiscono con le proteine Piwi formando dei complessi capaci di silenziare l’espressione dei retrotrasposoni. La maggior parte dei piRNAs sono infatti antisenso alle sequenze di trasposoni, suggerendo che i trasposoni sono il bersaglio dei piRNA. Non è ancora chiaro come i piRNA siano prodotti, ma è certo che la loro biogenesi è diversa da quella sia dei miRNA che dei siRNA.

Nonostante questo, è noto che l’attività dei trasposoni aumenta con l’invecchiamento e l’accumulo di danni al DNA ad essi associato è stato dimostrato in diverse specie.

Uno dei modelli più importanti in biogerontologia è quello degli insetti sociali (termiti, formiche, vespe e api) perché all’interno della colonia esistono delle grandi disparità in longevità nonostante gli insetti abbiano lo stesso identico genoma. Per esempio, all’interno di un alveare l’ape regina può vivere fino a 5 anni, mentre le api operaie hanno una durata della vita di appena un mese. La più grande differenza si osserva nelle termiti dove gli individui addetti alla riproduzione vivono fino a 30 anni mentre le operaie hanno una vita 10 volte più corta. È proprio in una specie di termiti, Macrotermes bellicosus, che è stata fatta recentemente una scoperta importante per aiutarci a definire il ruolo dei trasposoni nell’invecchiamento (4). In questa specie la longevità degli individui riproduttori è di 20 anni contro i pochi mesi delle operaie. Poiché i riproduttori e le operaie sono geneticamente identici, la loro differenza in longevità deve essere spiegata attraverso differenze nella espressione dei geni che avviene durante lo sviluppo o la vita adulta. Analizzando l’espressione genica (l’RNA) di questa specie di termite nel corso dell’invecchiamento, Elsner e i suoi colleghi hanno trovato che l’espressione dei trasposoni aumenta in modo considerevole con l’invecchiamento e che questo aumento non avviene negli individui deputati alla riproduzione (re e regine). Ma la cosa più interessante del lavoro è che un meccanismo che agisce per amplificare i piRNA (che come descritto precedentemente sono il maggior meccanismo di repressione della mobilitazione dei trasposoni) è soppresso dall’invecchiamento nelle termiti operaie mentre resta attivo negli individui riproduttori. Tale meccanismo, denominato “sistema di amplificazione ping-pong”, era stato studiato precedentemente solo nelle cellule germinali, mentre i ricercatori coinvolti in questo studio lo hanno esaminato nei tessuti cerebrali di questi insetti.

Questi risultati suggeriscono che la maggiore longevità dei re e delle regine delle termiti Macrotermes bellicosus è dovuta alla loro capacità di reprimere l’espressione dei trasposoni; una capacità che si perde nelle termiti operaie. Va rilevato che questa perdita non è stata osservata in tutti i tipi di operaie di questa specie di termiti. Va inoltre rilevato che non è possibile sapere se questo aumento di attività dei trasposoni sia la causa o la conseguenza di altri fenomeni che avvengono nel corso dell’invecchiamento. Comunque, il lavoro apre nuove prospettive sul ruolo dei trasposoni e dei piRNA nell’invecchiamento. La speranza è anche che a partire da questa scoperta seguiranno altri lavori in differenti tipi di insetti eusociali e soprattutto nei mammiferi con comportamento eusociale, quali la talpa nuda, che sono caratterizzati da un’estrema longevità (circa 30 anni) nonostante il loro peso corporeo sia comparabile a quello di un topo (la cui longevità è di 2-4 anni).

E non finisce qui.

Alcune recentissime scoperte riguardano il ruolo dei trasposoni nell’Alzheimer e in altre patologie neurodegenerative. Due recentissimi lavori (5, 6) hanno infatti esaminato la relazione tra l’espressione della proteina Tau (la cui iperfosforilazione è strettamente associata alla malattia di Alzheimer) e l’attività dei trasposoni in alcuni modelli di neurodegenerazione derivati dal moscerino della frutta (Drosophila Melanogaster) e in cervelli post-mortem di individui affetti da morbo di Alzheimer. Ebbene, entrambi gli studi concludono che un anormale espressione di proteina Tau nei modelli di Drosophila è capace di attivare i trasposoni, probabilmente attraverso la de-condensazione della cromatina e la soppressione di piwi e piRNA. Questo meccanismo, che appare conservato anche dall’osservazione dei tessuti cerebrali umani, determina quindi un incremento dell’instabilità genomica nelle regioni affette dalla patologia e potrebbe essere alla base della morte neuronale e della neurodegenerazione che caratterizza la patologia.

De Cecco M, Criscione SW, Peterson AL, Neretti N, Sedivy JM, Kreiling JA. Transposable elements become active and mobile in the genomes of aging mammalian somatic tissues. Aging (Albany NY). 2013;5:867–883.
Chen H, Zheng X, Xiao D, Zheng Y. Age-associated de-repression of retrotransposons in the Drosophila fat body, its potential cause and consequence. Aging Cell. 2016;15:542–552.
Maxwell PH, Burhans WC, Curcio MJ. Retrotransposition is associated with genome instability during chronological aging. Proc Natl Acad Sci USA. 2011;108:20376–20381
Elsner D, Meusemann K, Korb J. Longevity and transposon defense, the case of termite reproductives. Proc Natl Acad Sci U S A. 2018;115(21):5504-5509. doi: 10.1073/pnas.1804046115.
Guo C, Jeong HH, Hsieh YC, Klein HU, Bennett DA, De Jager PL, Liu Z, Shulman JM. Tau Activates Transposable Elements in Alzheimer's Disease. Cell Rep. 2018;23(10):2874-2880. doi: 10.1016/j.celrep.2018.05.004.
Sun W, Samimi H, Gamez M, Zare H, Frost B. Pathogenic tau-induced piRNA depletion promotes neuronal death through transposable element dysregulation in neurodegenerative tauopathies. Nat Neurosci. 2018 Aug;21(8):1038-1048. doi: 10.1038/s41593-018-0194-1.

Senescenza cellulare e senolitici: evidenze precliniche di un’unica terapia efficace nel contrastare la fragilità e numerose altre patologie associate all'invecchiamento.

2018-09-30T08:47:00.002-07:00

La senescenza cellulare non è un banale invecchiamento delle cellule. Piuttosto, si tratta di una particolare tipologia di risposta della cellula, indotta da una condizione di stress critica, che consiste nell'arresto definitivo della proliferazione e nella produzione di una serie di segnali chimici nell'ambiente circostante.

Questa risposta si può attivare a seguito dell’accorciamento dei telomeri (senescenza replicativa), di un aumento eccessivo ma “non-letale” di danni ossidativi (senescenza indotta da stress ossidativo), di un aumento di danni al DNA (senescenza indotta da danni al DNA), di un aumento di espressione di oncogeni (senescenza indotta da oncogeni) e a seguito di altri segnali di cui non mi dilungherò a parlare.

Secondo quanto siamo riusciti a comprendere, la senescenza cellulare serve a proteggerci dai tumori, aiuta la riparazione e lo sviluppo dei tessuti e contrasta alcuni tipi di infezioni. In condizioni normali, le cellule senescenti appaiono per un breve periodo di tempo e poi vengono rapidamente rimosse dal sistema immunitario. Tuttavia, se il numero di cellule senescenti aumenta in modo eccessivo in un tessuto, i segnali biochimici generati da queste cellule compromettono la funzione del tessuto, ne accelerano la degenerazione e possono addirittura favorire l’insorgenza di ulteriori tumori. Questo è il fenomeno che osserviamo durante l’invecchiamento o dopo un trattamento intensivo con chemio- o radio-terapia.

Per poter far fronte a questo problema, si sta cercando di sviluppare dei farmaci che sono in grado di eliminare selettivamente le cellule senescenti dai tessuti. Questi farmaci o composti prendono attualmente il nome di “senolitici”. A fine pagina troverete quelli che, secondo me, sono stati i progressi storici più rilevanti finora nello sviluppo dei senolitici.

Dopo questa breve introduzione all'argomento, vediamo qual'è il vero "focus" di questo post.

A fine agosto di quest’anno è uscito un interessante lavoro sul tema “senescenza cellulare e senolitici”, pubblicato sulla prestigiosa rivista “Nature Medicine” dal gruppo di James Kirkland (Mayo Clinic, Rochester, MN, USA), cui hanno partecipato anche numerose altre Università e Istituti degli USA e UK (1).

In questo lavoro è stato dimostrato che la somministrazione di un senolitico (in tal caso il cocktail di dasatinib e quercetina) effettuata una sola volta ogni due settimane, in topi di 24-27 mesi di età (topi di età paragonabile a un uomo di circa 75 anni), rimuove gli effetti deleteri dell’accumulo di cellule senescenti migliorando la funzionalità fisica, contrastando la fragilità e allungando la vita media degli animali del 36% (per un topo di 24 mesi non trattato la sopravvivenza media è di 140 giorni, mentre i topi trattati con senolitici mostravano una sopravvivenza media di 190 giorni). Al contrario, un trapianto di cellule senescenti nei tessuti di topi riduceva la longevità degli animali, quasi come se avvenisse una specie di accelerazione del processo di invecchiamento.

Ma la cosa più interessante di questo lavoro è che l’aumento di longevità dovuto al senolitico e l’accorciamento di longevità dovuto al trapianto di cellule senescenti non sono riconducibili ad un effetto su una singola patologia associata all'invecchiamento. Piuttosto sembra che tutte le patologie età associate vengano ritardate o accelerate se, rispettivamente, si rimuovono o si aumentano le cellule senescenti nei tessuti. Questi risultati rafforzano quindi l’ipotesi che agendo sui meccanismi fondamentali del processo di invecchiamento (come la senescenza cellulare) tutte le patologie età associate vengono ritardate senza che una di esse sia predominante.

Va tenuto in considerazione che sono necessari ulteriori studi preclinici per confermare e studiare eventuali effetti avversi dei senolitici, soprattutto in previsione di un futuro utilizzo nell'uomo. Sono comunque già in fase sperimentale clinica alcuni senolitici per il trattamento di particolari condizioni (quali le disfunzioni renali croniche) che potranno confermarci o meno se questi trattamenti possono essere sicuri e efficaci nell'uomo o se la strada verso la loro eventuale traslazione all'uomo è ancora molto lunga o addirittura impraticabile.

Breve storia dello sviluppo dei senolitici

1961 – Leonard Hayflick e Paul Moorhead descrivono per la prima volta il fenomeno della senescenza replicativa (2)

1962-2007 – Tantissime scoperte (troppe per elencarle) su come viene indotta la senescenza cellulare, su ciò che producono le cellule senescenti e ulteriori evidenze dell’accumulo di cellule senescenti nell'invecchiamento e nelle patologie età associate

2008 – Aubrey de Grey e Michael Rae propongono, nel loro libro “Ending Aging”, l’idea di sviluppare composti che possano selettivamente eliminare le cellule senescenti per contrastare l’invecchiamento (3).

2011 – Darren Baker e Jan van Deursen (insieme a numerosi altri collaboratori) forniscono la prima dimostrazione che la rimozione di cellule senescenti (effettuata attraverso la creazione di un topo transgenico portatore di un “gene killer” attivabile solo nelle cellule senescenti) rallenta l’invecchiamento in topi affetti da invecchiamento precoce (4)

2013 – Jan Dorr (insieme a numerosi altri collaboratori) dimostra che è possibile eliminare selettivamente alcuni tipi di cellule senescenti agendo con composti che possono interferire sulle loro specifiche alterazioni metaboliche (5)

2015 – Yi Zhu e James Kikland (insieme a numerosi altri collaboratori) identificano alcuni composti (tra cui il mix di dasatinib e quercetina) in grado di uccidere selettivamente le cellule senescenti e coniano per la prima volte il termine “senolitico” (6)

2016 – Darren Baker e Jan van Deursen (insieme a numerosi altri collaboratori) forniscono la dimostrazione che la rimozione di cellule senescenti (sempre con la tecnica del “gene killer” su topo transgenico) allunga la vita in salute anche in topi normali (7)

2016 – Jianhui Chang e Daohong Zhou (insieme a numerosi altri collaboratori) identificano un nuovo composto con azione senolitica (Navitoclax o ABT-263) che attraverso la rimozione delle cellule senescenti sembra in grado di ringiovanire il comparto delle staminali ematopoietiche (8)

2016 – Bennett Childs, Jan van Deursen e Judith Campisi (insieme a numerosi altri collaboratori), attraverso l’utilizzo di particolari topi transgenici (topi p16-3MR, in cui è possibile visualizzare e rimuovere le cellule senescenti) dimostrano che la senescenza cellulare promuove lo sviluppo e la progressione dell’arteriosclerosi, mentre la rimozione delle cellule senescenti è di beneficio a tutti gli stadi della patologia (9).

2017 – Ok Hee Jeon, Judith Campisi e Jennifer Elisseeff (insieme a numerosi altri collaboratori), attraverso l’utilizzo dei topi p16-3MR, dimostrano che la senescenza cellulare promuove l’artrosi e che la rimozione locale delle cellule senescenti può offrire una nuova opportunità terapeutica per questa patologia (10)

2017 - Mikolaj Ogrodnik, Thomas von Zglinicki e Diana Jurk dimostrano che la senescenza cellulare promuove l’accumulo di grasso epatico e la steatosi associata all'invecchiamento e che la rimozione delle cellule senescenti può offrire una nuova opportunità terapeutica per questa patologia (11)

2017 – L’eliminazione delle cellule senescenti attraverso mezzi genetici o farmacologici aiuta a prevenire l’osteoporosi nel topo (12)

2017 – Allo “Scripps Research Institute” (USA) in collaborazione con la Mayo Clinic (USA) viene identificata una nuova classe di senolitici che agisce inibendo proteine coinvolte nella risposta allo stress (13)

2017 – Un gruppo di ricerca a prevalenza olandese identifica una proteina (FOXO4) che interagendo con il p53 impedisce alle cellule senescenti di andare incontro a morte cellulare. I ricercatori hanno anche sviluppato un peptide (FOXO4-DRI) che attraversa la membrana cellulare e impedisce l’interazione tra FOXO4 e p53 risultando nell'induzione di morte cellulare solo nelle cellule senescenti (14).

2018 – Un gruppo di ricerca giapponese rivela che la senescenza cellulare promuove l’enfisema polmonare e che l’eliminazione delle cellule senescenti protegge i topi da questa patologia (15)

2018 – La dimostrazione che il trattamento con senolitici in età avanzata contrasta la fragilità e allunga la vita media dei topi mentre il trapianto di cellule senescenti ottiene effetti opposti (1).

2018 – Alcuni ricercatori della Mayo Clinic, tra i quali Darren Baker, forniscono la prima evidenza che la rimozione delle cellule senescenti in un modello murino di neurodegenerazione (mediato dall'aggregazione della proteina tau, le cui alterazioni sono coinvolte nell'Alzheimer e numerose altre neuropatologie) riduce la patologia e il declino cognitivo (16).

Referenze

1. Xu M, Pirtskhalava T, Farr JN, Weigand BM, Palmer AK, Weivoda MM, Inman CL, Ogrodnik MB, Hachfeld CM, Fraser DG, Onken JL, Johnson KO, Verzosa GC, Langhi LGP, Weigl M, Giorgadze N, LeBrasseur NK, Miller JD, Jurk D, Singh RJ, Allison DB, Ejima K, Hubbard GB, Ikeno Y, Cubro H, Garovic VD, Hou X, Weroha SJ, Robbins PD, Niedernhofer LJ, Khosla S, Tchkonia T, Kirkland JL. Senolytics improve physical function and increase lifespan in old age. Nat Med. 2018;24:1246-1256. doi: 10.1038/s41591-018-0092-9

2. Hayflick L, Moorhead PSS. The serial cultivation of human diploid cell strains. Exp Cell Res. 1961;25:585–621. doi: 10.1016/0014-4827(61)90192-6

3. De Grey ADNJ, Rae M. Ending aging : the rejuvenation breakthroughs that could reverse human aging in our lifetime. St. Martin’s Griffin 2008.

4. Baker DJ, Wijshake T, Tchkonia T, LeBrasseur NK, Childs BG, van de Sluis B, Kirkland JL, van Deursen JM. Clearance of p16Ink4a-positive senescent cells delays ageing-associated disorders. Nature. 2011 Nov 2;479:232-6. doi: 10.1038/nature10600.

5. Dörr JR, Yu Y, Milanovic M, Beuster G, Zasada C, Däbritz JH, Lisec J, Lenze D, Gerhardt A, Schleicher K, Kratzat S, Purfürst B, Walenta S, Mueller-Klieser W, Gräler M, Hummel M, Keller U, Buck AK, Dörken B, Willmitzer L, Reimann M, Kempa S, Lee S, Schmitt CA. Synthetic lethal metabolic targeting of cellular senescence in cancer therapy. Nature. 2013;501:421-5. doi: 10.1038/nature12437.

6. Zhu Y, Tchkonia T, Pirtskhalava T, Gower AC, Ding H, Giorgadze N, Palmer AK, Ikeno Y, Hubbard GB, Lenburg M, O'Hara SP, LaRusso NF, Miller JD, Roos CM, Verzosa GC, LeBrasseur NK, Wren JD, Farr JN, Khosla S, Stout MB, McGowan SJ, Fuhrmann-Stroissnigg H, Gurkar AU, Zhao J, Colangelo D, Dorronsoro A, Ling YY, Barghouthy AS, Navarro DC, Sano T, Robbins PD, Niedernhofer LJ, Kirkland JL. The Achilles' heel of senescent cells: from transcriptome to senolytic drugs. Aging Cell. 2015;14:644-58.

7. Baker DJ, Childs BG, Durik M, Wijers ME, Sieben CJ, Zhong J, Saltness RA, Jeganathan KB, Verzosa GC3, Pezeshki A, Khazaie K, Miller JD, van Deursen JM. Naturally occurring p16(Ink4a)-positive cells shorten healthy lifespan. Nature. 2016;530:184-9. doi: 10.1038/nature16932.

8. Chang J, Wang Y, Shao L, Laberge RM, Demaria M, Campisi J, Janakiraman K, Sharpless NE, Ding S, Feng W, Luo Y, Wang X1,2, Aykin-Burns N, Krager K, Ponnappan U, Hauer-Jensen M, Meng A, Zhou D. Clearance of senescent cells by ABT263 rejuvenates aged hematopoietic stem cells in mice. Nat Med. 2016;22:78-83. doi: 10.1038/nm.4010.

9. Childs BG, Baker DJ, Wijshake T, Conover CA, Campisi J, van Deursen JM.Science. Senescent intimal foam cells are deleterious at all stages of atherosclerosis. 2016;354:472-477. doi: 10.1126/science.aaf6659

10. Jeon OH, Kim C, Laberge RM, Demaria M, Rathod S, Vasserot AP, Chung JW, Kim DH, Poon Y, David N, Baker DJ, van Deursen JM, Campisi J, Elisseeff JH. Local clearance of senescent cells attenuates the development of post-traumatic osteoarthritis and creates a pro-regenerative environment. Nat Med. 2017;23:775-781. doi: 10.1038/nm.4324.

11. Ogrodnik M, Miwa S, Tchkonia T, Tiniakos D, Wilson CL, Lahat A, Day CP, Burt A, Palmer A, Anstee QM, Grellscheid SN, Hoeijmakers JHJ, Barnhoorn S, Mann DA, Bird TG, Vermeij WP, Kirkland JL, Passos JF, von Zglinicki T, Jurk D. Cellular senescence drives age-dependent hepatic steatosis. Nat Commun. 2017;8:15691.

12. Farr JN, Xu M, Weivoda MM, Monroe DG, Fraser DG, Onken JL, Negley BA, Sfeir JG, Ogrodnik MB, Hachfeld CM, LeBrasseur NK, Drake MT, Pignolo RJ, Pirtskhalava T, Tchkonia T, Oursler MJ, Kirkland JL, Khosla S. Targeting cellular senescence prevents age-related bone loss in mice. Nat Med. 2017;23(9):1072-1079. doi: 10.1038/nm.4385.

13. Fuhrmann-Stroissnigg H, Ling YY, Zhao J, McGowan SJ, Zhu Y, Brooks RW, Grassi D, Gregg SQ, Stripay JL, Dorronsoro A, Corbo L, Tang P, Bukata C, Ring N, Giacca M, Li X, Tchkonia T, Kirkland JL, Niedernhofer LJ, Robbins PD. Identification of HSP90 inhibitors as a novel class of senolytics. Nat Commun. 2017 Sep 4;8(1):422. doi: 10.1038/s41467-017-00314-z.

14. Baar MP, Brandt RMC, Putavet DA, Klein JDD, Derks KWJ, Bourgeois BRM, Stryeck S, Rijksen Y, van Willigenburg H, Feijtel DA, van der Pluijm I, Essers J, van Cappellen WA, van IJcken WF, Houtsmuller AB, Pothof J, de Bruin RWF, Madl T, Hoeijmakers JHJ, Campisi J, de Keizer PLJ. Targeted Apoptosis of Senescent Cells Restores Tissue Homeostasis in Response to Chemotoxicity and Aging. Cell. 2017 Mar 23;169(1):132-147.e16. doi: 10.1016/j.cell.2017.02.031.

15. Mikawa R, Suzuki Y, Baskoro H, Kanayama K, Sugimoto K, Sato T, Sugimoto M. Elimination of p19ARF -expressing cells protects against pulmonary emphysema in mice. Aging Cell. 2018 Oct;17(5):e12827. doi: 10.1111/acel.12827.

16. Bussian TJ, Aziz A, Meyer CF, Swenson BL, van Deursen JM, Baker DJ. Clearance of senescent glial cells prevents tau-dependent pathology and cognitive decline. Nature. 2018 Sep 19. doi: 10.1038/s41586-018-0543-y.

Nozioni di biologia dell'invecchiamento per tutti (Video)

2018-09-25T18:22:00.003-07:00

A disposizione di tutti, 3 video che ho realizzato per spiegare in termini molto semplici le nozioni di base della biologia dell'invecchiamento.

Video 1: La definizione di invecchiamento

Video 2: L'invecchiamento in natura

Video 3: I determinanti di invecchiamento

Una doppia conferma dell’antagonismo pleiotropico da studi di genomica comparativa

2018-09-23T20:04:00.000-07:00

Nel 1957, George Christopher Williams, un professore di biologia della “Stony Brook University” di New York (US), propose la teoria dell’antagonismo pleiotropico dell’invecchiamento (1). Questa teoria (che cerca di spiegare come si sia evoluto l’invecchiamento in natura) prevede, in sintesi, che la selezione naturale agisca in modo da favorire l’accumulo di mutazioni che sono dannose in età avanzata (e che quindi favoriscono l’insorgenza di patologie associate all'età) nel caso in cui queste mutazioni possono favorire la nostra vita in età giovanile. Infatti, un gene che causa la morte un individuo in età giovanile viene subito rimosso dalla selezione naturale perché sarà impedito l’accoppiamento di quell'individuo e la trasmissione di quel gene. Al contrario, una mutazione che causa la morte dell’individuo in età avanzata non viene rimosso dalla selezione naturale e l’individuo potrà riprodursi prima di subirne gli effetti e passarla alle successive generazioni. La selezione naturale agirà in modo da favorire la sua trasmissione alle generazioni successive soprattutto nel caso in cui questo stesso gene determina un vantaggio competitivo in età giovanile. Dopo diverse generazioni, il numero di mutazioni che favorisce l’insorgenza di patologie associate all'invecchiamento può quindi accumularsi in modo considerevole. Un esempio di queste mutazioni possono riguardare varianti genetiche che favoriscono la calcificazione ossea e che possono favorire lo sviluppo e aumentare il successo riproduttivo in età giovanile. Infatti, queste varianti possono contribuire alla calcificazione delle arterie e quindi al processo di arteriosclerosi in età avanzata.

Ci sono diverse altre teorie sull'evoluzione dell’invecchiamento ma, per adesso, fermiamoci su questa perché due recenti lavori sembrano confermare la sua rilevanza, quantomeno nei mammiferi.

Il primo di questi studi è stato effettuato sui primati, incluso l’uomo (2). I ricercatori hanno registrato la longevità (intesa da questo punto in poi come massimo di vita raggiungibile) di 17 specie di primati e le hanno messe in relazione a quelle delle loro rispettive famiglie seguendo l’albero filogenetico (un diagramma che permette di ricavare i rapporti di “parentela” tra le specie, ovvero di identificare quali specie sono più “vicine” tra loro). Da queste relazioni hanno identificato 3 specie che presentavano una longevità che si discostava nettamente (in positivo) da quella della media della rispettiva famiglia.

Nella famiglia degli ominidi, che oltre all'uomo include il gorilla, lo scimpanzé e altre specie, la longevità media è di circa 70 anni. La specie che si discostava in modo anomalo da questa media era l’Homo sapiens (ovvero l’uomo, la cui longevità è di 122 anni). In modo analogo, la Macaca mulatta (longevità 40 anni) e la Macaca fascicularis (longevità 39 anni) erano le specie la cui longevità si discostava in modo anomalo da quella della loro famiglia (famiglia dei cercopitecidi, la cui longevità media è di circa 30 anni). I ricercatori hanno quindi identificato 25 mutazioni che intervengono in tutte e tre queste specie ma non nelle altre specie la cui longevità rientrava nella media della rispettiva famiglia. Tutte queste mutazioni riguardano geni (tra cui alcuni già precedentemente associati all'invecchiamento, quali ATG7, MNT, SUPV3L1) coinvolti nella guarigione dalle ferite, nella coagulazione del sangue e in malattie cardiovascolari. È di rilevanza che questi processi presentano un importante carattere pleiotropico. Ad esempio, una migliore capacità di coagulazione del sangue è utile per guarire in fretta dalle ferite, ma espone anche un rischio più alto di malattie cardiovascolari in età avanzata.

Gli stessi ricercatori, hanno anche studiato quali proteine presentano una frequenza di cambiamenti (una velocità evolutiva) che è correlata con dei tratti caratteristici della longevità (quali ad esempio, la massa corporea, l’età della maturità, la lunghezza della gestazione e l’età dello svezzamento). Anche in questo caso, i geni che mostrano le più alte correlazioni tra la loro velocità evolutiva e i tratti che caratterizzano la longevità sono per la maggior parte coinvolti in processi pleiotropici che riguardavano le capacità di crescita, sviluppo e il sistema cardiovascolare.

In pieno accordo con la teoria dell’antagonismo pleiotropico, la conclusione di questo lavoro è che la selezione naturale può aver mantenuto delle variazioni genetiche che contribuiscono allo sviluppo di malattie cardiovascolari in età avanzata a causa dei loro effetti benefici in età giovanile.

Il secondo lavoro che ho preso in considerazione è stato effettuato su diverse specie di roditori particolarmente longevi (3), inclusa la specie “super longeva” di ratto nota come “talpa nuda” (Heterocephalus glaber), con un approccio simile a quello precedente. Per chi non lo sapesse, la longevità della talpa nuda è di 31 anni e si distanzia enormemente dalla longevità di un comune topo (nonostante un peso corporeo simile), la cui longevità è di circa 4 anni. I geni che in base a questo studio caratterizzano le differenze di longevità nei roditori (tra i quali AMHR2, IMP4, MYBPHL, MPZL2, TACC2 ) appaiono coinvolti nella regolazione dei processi di respirazione cellulare e dell’omeostasi dei metalli, nei sistemi di crescita e sviluppo e nell'infiammazione. Appare, inoltre, dal presente studio che una maggiore longevità nei roditori può essere attribuita a varianti genetiche che sono contrapposte a quelle che promuovono una migliore efficienza nella crescita e nello sviluppo.

Anche questo lavoro, quindi, sembra confermare la teoria dell’antagonismo pleiotropico, suggerendo che variazioni del genoma che favoriscono crescita e sviluppo in età giovanile possono avere un effetto negativo nel corso dell’invecchiamento.

1- Williams GC (1957) Pleiotropy, Natural Selection, and the Evolution of Senescence. Evolution (N Y) 11:398. doi: 10.2307/2406060

2- Muntané G, Farré X, Rodríguez JA, Pegueroles C, Hughes DA, de Magalhães JP, Gabaldón T, Navarro A. Biological Processes Modulating Longevity across Primates: A Phylogenetic Genome-Phenome Analysis. Mol Biol Evol. 2018 Aug 1;35(8):1990-2004. doi: 10.1093/molbev/msy105.

3- Sahm A, Bens M, Szafranski K, Holtze S, Groth M, Görlach M, Calkhoven C, Müller C, Schwab M, Kraus J, Kestler HA, Cellerino A, Burda H, Hildebrandt T, Dammann P, Platzer M. Long-lived rodents reveal signatures of positive selection in genes associated with lifespan. PLoS Genet. 2018 Mar 23;14(3):e1007272. doi: 10.1371/journal.pgen.1007272. eCollection 2018 Mar.

Cosa hanno in comune le donne e le femmine di orca, beluga, narvalo e di una specie di globicefalo?

2018-09-18T18:25:00.002-07:00

La risposta può essere facilmente dedotta dall’immagine, ma mentre ci pensate vi do un suggerimento……ha chiaramente a che fare con l’invecchiamento.

Ebbene, la cosa che hanno in comune è che sono gli unici esseri viventi che entrano in menopausa con l’avanzare dell’età. Prima dell’uscita di un recentissimo articolo ¹ si credeva che solo le orche e forse il globicefalo oltre all'uomo avessero questa caratteristica. Per capire l’eccezionalità della cosa basti pensare che nemmeno i topi, né animali molto vicini all'uomo come le scimmie sembra abbiano sviluppato questa particolare cessazione delle capacità riproduttive in natura. Al contrario, la maggior parte delle specie segue un declino graduale di fertilità con l’avanzare dell’età. Qual è la ragione per cui in queste specie gli individui di sesso femminile riescono ad essere così longevi senza essere fertili?

La risposta a questa domanda non è ancora completa. Tuttavia, secondo la maggior parte dei ricercatori l’evoluzione della menopausa è tipica di specie con un particolare comportamento sociale ed è dovuta a due condizioni che sono ben descritte in un articolo uscito circa 3 anni fa ².

La prima è che la longevità degli individui di sesso femminile non più in grado di riprodursi conferisca un vantaggio allo sviluppo della prole e quindi alla sopravvivenza della specie. L’esperienza e la conoscenza delle nonne può infatti essere utile per favorire l’educazione e il trasferimento delle conoscenze alla prole. Nel caso specifico delle orche, una nonna può quindi essere molto utile ai propri parenti più giovani conoscendo dove e come procacciarsi il cibo, soprattutto in periodi di crisi. E con una durata media e massima della vita di circa 50 e 90 anni è ragionevole pensare che le nonne orche abbiano acquisito una discreta quantità di conoscenze.

La seconda è che la cessazione della fertilità conferisca anch'essa un vantaggio alla sopravvivenza della specie. Riferendoci alle orche, è abitudine comune che i figli crescano e continuino a vivere con le loro madri e le loro nonne, formando così dei gruppi abbastanza numerosi. Se le femmine restassero fertili per tutti i loro anni di vita è ragionevole ipotizzare che il gruppo rischi di diventare troppo numeroso generando competizioni all'interno di esso per potersi procacciare il cibo.

Se vi vengono dubbi è naturale, come anticipato la risposta alla domanda non è ancora completa. Infatti, ci sono anche altre ipotesi ma lascio alla vostra curiosità lo stimolo di scoprirle ^3-5.

1. Ellis S, Franks DW, Nattrass S, Currie TE, Cant MA, Giles D, Balcomb KC, Croft DP. Analyses of ovarian activity reveal repeated evolution of post-reproductive lifespans in toothed whales. Sci Rep. 2018 Aug 27;8(1):12833. doi: 10.1038/s41598-018-31047-8.

2. Croft DP, Brent LJ, Franks DW, Cant MA. The evolution of prolonged life after reproduction. Trends Ecol Evol. 2015 Jul;30(7):407-16. doi: 10.1016/j.tree.2015.04.011.

3. Peccei JS. A critique of the grandmother hypotheses: old and new. Am J Hum Biol. 2001 Jul-Aug;13(4):434-52. DOI: 10.1002/ajhb.1076.

4. Tuljapurkar SD, Puleston CO, Gurven MD. Why men matter: mating patterns drive evolution of human lifespan. PLoS One. 2007 Aug 29;2(8):e785. DOI: 10.1371/journal.pone.0000785.

5. Morton RA, Stone JR, Singh RS. Mate choice and the origin of menopause. PLoS Comput Biol. 2013;9(6):e1003092. doi: 10.1371/journal.pcbi.1003092.

News su invecchiamento e infezioni

2018-09-17T05:08:00.001-07:00

L'invecchiamento può essere definito come una diminuzione di vitalità e un aumento di vulnerabilità che si amplifica con il passare del tempo. La vulnerabilità include il rischio di eventi fatali, i quali aumentano esponenzialmente al passare del tempo. Basandosi su questa misura, l'invecchiamento umano sembra aver rallentato negli ultimi 150 anni nella maggior parte delle popolazioni, in coincidenza soprattutto con la diffusione di antibiotici efficaci e di un miglioramento nelle abitudini alimentari. La domanda che si pongono i ricercatori è se l’incremento di longevità e l’apparente rallentamento del processo di invecchiamento sono il risultato di una migliore alimentazione o di un ridotto carico di infezione, o di entrambi.

Tenendo conto dell’impatto delle malattie infettive sulla salute del nostro sistema immunitario e sull’aumento del grado di infiammazione che avviene con l’invecchiamento, è ragionevole ipotizzare che il controllo dei patogeni può avere un ruolo più rilevante della nutrizione. In particolare, parlando di infezioni non bisogna limitarsi a quelle di origine batterica, per cui gli antibiotici possono essere efficaci, ma anche a quelle a carattere virale (quali l’infezione da citomegalovirus) che in certi casi persistono nel nostro organismo contribuendo ad abbassare le difese immunitarie e ad aumentare il grado di infiammazione cronica con l’avanzare dell’età.

Due lavori appena pubblicati sostengo la rilevanza delle infezioni batteriche e virali nell’invecchiamento umano.

Il primo di questi lavori (1) sostiene questo punto di vista analizzando i dati storici della popolazione sarda la quale non ha cambiato notevolmente il proprio stato nutrizionale ma ha usufruito dell’introduzione degli antibiotici. I risultati di questo lavoro indicano che l'uso di antibiotici per il controllo delle malattie infettive ha prodotto un rallentamento dell'invecchiamento, e i dati permettono di comprendere in dettaglio il periodo di qualche decennio nel corso del quale quel rallentamento ha preso piede.

Il secondo lavoro (al quale ho avuto l’onore di contribuire) riguarda la prima osservazione che un virus estremamente comune anche in individui sani, il Torque teno virus (TTV), aumenta la sua prevalenza e il suo carico virale con l’avanzare dell’età. Il lavoro soprattutto dimostra che un aumento del carico virale del TTV è associato ad una più precoce mortalità nella popolazione anziana italiana indipendentemente dalla presenza di infezione da citomegalovirus e ipotizza che l’azione del TTV può essere dovuta alla sua produzione di microRNA circolanti che possono agire indebolendo alcune difese immunitarie (2).

p.s. ricordatevi di scaricare il libro di biogerontologia in fondo al blog.

Referenze:

1. Salinari G, Ruiu G. The effect of disease burden on the speed of aging: an analysis of the Sardinian mortality transition. Genus. 2018;74:9. doi: 10.1186/s41118-018-0028-8.

2. Giacconi R, Maggi F, Macera L, Pistello M, Provinciali M, Giannecchini S, Martelli F, Spezia PG, Mariani E, Galeazzi R, Costarelli L, Iovino L, Galimberti S, Nisi L, Piacenza F, Malavolta M. Torquetenovirus (TTV) load is associated with mortality in Italian elderly subjects. Experimental Gerontology. In press: DOI: 10.1016/j.exger.2018.09.003

2018-09-13T20:01:00.002-07:00

Disponibile da scaricare un libro scritto dal sottoscritto sulla biogerontologia e i determinanti di invecchiamento. Il libro è indirizzato a studenti con nozioni medio-avanzate di biologia o biomedica.
Questa è la prima versione e spero ce ne saranno altre migliori in futuro. Qualunque feedback è gradito.

2016-06-10T18:36:00.001-07:00

Questo blog nasce con l'intenzione di fornire informazioni e di promuovere la cultura riguardante la biologia dell'invecchiamento e tutta l'attività scientifica che cerca di comprenderne e contrastarne i meccanismi.

Un dato di fatto è che l'invecchiamento è la principale causa di sofferenza, malattia e morte nel mondo moderno.

Un altro dato di fatto è che ancora non sappiamo con certezza quali sono i reali meccanismi di invecchiamento.

Tuttavia, molti condividono come me l'idea che i meccanismi biologici che determinano le maggiori patologie dell'invecchiamento (i.e. Alzheimer, Parkinson, Malattie Cardiovascolari, Diabete di Tipo II, etc etc) sono pressoché gli stessi dell'invecchiamento definito in salute con una semplice differenza: il danno che si accumula con l'invecchiamento in alcuni tessuti ha raggiunto una soglia critica tale da essere definita patologica in clinica.

Se questo è vero (come probabilmente è), e se veramente vogliamo trovare una cura per queste patologie (come sicuramente è) una ragionevole scelta è quella di studiare la biologia dell'invecchiamento, in altri termini la biogerontologia, carpirne i segreti e progettare strategie sperimentali per rallentare, fermare o invertire il processo (biogerontologia sperimentale).

Spero con questo post di far crescere la passione e la curiosità per questo settore di ricerca in molti di voi. Vi chiedo però un pò di pazienza....sto lavorando su parecchio materiale e mi prendo qualche mese di tempo prima di rendere il blog pienamente operativo.
Qualunque suggerimento e proposta di collaborazione allo sviluppo del blog sono più che benvenuti.

A presto,
Marco