Diagnostic SENS. Biomarqueurs de dysfonctionnement mitochondrial et de stress oxydatif

Avec cette revue, nous commençons une série d'articles décrivant les biomarqueurs potentiels pour le panel de diagnostic du vieillissement SENS.

Le concept de SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence, une stratégie pour atteindre un vieillissement négligeable par des méthodes d'ingénierie) a été proposé par la gérontologue britannique Aubrey di Gray. L'idée du concept est la nécessité de développer et d'appliquer des technologies pour lutter contre le vieillissement et les maladies liées à l'âge afin de "réparer" les dommages accumulés dans le corps. L'objectif de notre examen des biomarqueurs potentiels est de créer un panel de diagnostic SENS pour le vieillissement.

Pourquoi ai-je besoin des diagnostics SENS?

1. Permettre à une personne d'évaluer objectivement ce qui arrive à son corps pendant le vieillissement du point de vue du SENS.
2. Voir les risques individuels de certains types de dommages liés au vieillissement.
3. Évaluer l'efficacité des méthodes de rajeunissement développées. Découvrez comment l'activité physique, l'alimentation, la routine quotidienne, les suppléments nutritionnels et les médicaments fonctionnent en termes de stratégie pour ralentir le vieillissement.
4. Comparez avec d'autres panneaux de vieillissement diagnostique et complétez leur développement.
5. Fournir des données sur les changements de paramètres pour la recherche.
6. Prendre une décision sur le financement de la recherche en fonction des risques les plus intéressants et sensibles.
7. Trouvez des personnes partageant les mêmes idées pour résoudre les problèmes biologiques qui sont survenus à la suite de la compréhension de leur propre état du corps en termes de SENS.

Le concept SENS comprend 7 sections. Le premier élément à considérer, nous avons choisi la dysfonction mitochondriale (ou MitoSENS).



Les mitochondries sont de minuscules organites d'organismes eucaryotes (à l'exception de la lamblia qui habite les intestins des chinchillas), qui génèrent de l'énergie pour tous les processus biochimiques. Selon la version la plus populaire, les mitochondries étaient autrefois des unités de vie indépendantes, des bactéries photosynthétiques violettes, mais en cours d'évolution, elles ont été absorbées par d'anciens micro-organismes, des archées, et ont commencé à générer de l'énergie pour elles. Chaque cellule peut contenir plus d'un millier de mitochondries, par exemple, les cellules du muscle cardiaque ont jusqu'à 5000 mitochondries. Les moteurs moléculaires, l'ATP synthases, intégrés dans la membrane interne des mitochondries, font tourner et synthétisent la principale source d'énergie, l'acide adénosine triphosphorique, l'ATP, sous l'influence d'un flux de protons. On estime que le corps adulte synthétise et consomme environ 40 kg d'ATP par jour.

Contrairement aux autres organites, les mitochondries ont leurs propres 2-10 copies d'ADN, l'ADNmt. Dans le processus de production d'énergie, les mitochondries génèrent des «déchets» toxiques - des espèces réactives de l'oxygène (ROS), qui peuvent endommager à la fois d'autres molécules et diverses structures cellulaires et, surtout, les mitochondries elles-mêmes, ce qui peut provoquer des mutations dans l'ADN mitochondrial et affecter négativement l'ensemble équilibre énergétique du corps. Ainsi, les ADNmt ayant des suppressions (perte de sites) sont capables de se multiplier rapidement et de remplir eux-mêmes l'espace cellulaire, provoquant sarcopénie et neurodégénérescence. Les mitochondries «corrompues» commencent à produire des quantités encore plus importantes de ROS, entraînant une augmentation du stress oxydatif qui, à son tour, peut provoquer le développement de diverses pathologies, un vieillissement prématuré et la mort cellulaire.

Un fait intéressant lié au stress oxydatif. Il a été constaté qu'il existe une corrélation claire entre le niveau de saturation des acides gras dans les membranes et la durée de vie des animaux: plus il y a d'acides insaturés dans la membrane, plus la durée de vie de l'animal est courte. Les biologistes espagnols ont retracé une telle séquence, montrant une augmentation de la durée de vie tout en réduisant la teneur en acide gras docosahexaénoïque ω-3 dans les membranes: souris → rat → lapin → humain → baleine [1].

Ce schéma est facile à expliquer, car les acides gras insaturés sont les principales «victimes» de la peroxydation lipidique. Ainsi, la composition lipidique des membranes des cellules animales, qui se caractérise par une durée de vie plus longue, démontre la moyenne d'or: une petite quantité d'acides gras docosahexaénoïques 22: 6 3-3 complètement insaturés et la prédominance d'acides gras linoléniques 18:03 ω-3 moins insaturés, qui crée le même équilibre qui assure à la fois une protection contre les effets des ROS et la préservation de la fluidité nécessaire de la membrane.

En plus de la composition lipidique des membranes des cellules animales, la proportion de guanine et de cytosine thermodynamiquement plus stables parmi tous les résidus de nucléotides d'ADNmt est également en corrélation avec la durée de vie maximale des espèces de mammifères [2].

Les créateurs du concept SENS voient une solution au problème du dysfonctionnement mitochondrial en transférant des «copies de sauvegarde» des gènes mitochondriaux vers le noyau, où ils ne peuvent pas être endommagés par les ROS générés dans les mitochondries. Ainsi, même si les gènes originaux de l'ADNmt sont endommagés, les sauvegardes dans l'ADN nucléaire seront en mesure de fournir les protéines nécessaires pour maintenir une production d'énergie normale. Cette approche est appelée expression allotopique des protéines. L'ADNmt humain contient un total de 37 gènes, dont seulement 13 codent pour les protéines nécessaires aux mitochondries, les protéines restantes (plus de 1000) coordonnant le travail des mitochondries sont codées dans l'ADN nucléaire. Selon les auteurs de SENS, le transfert des principaux gènes mitochondriaux dans le noyau a été effectué par évolution précisément dans ce but - pour les protéger des effets néfastes des ROS.

L'idée des auteurs de SENS sur le transfert évolutif de l'ADN mitochondrial au nucléaire afin de protéger l'ADNmt des facteurs nocifs et donc de prolonger la vie, est confirmée dans les études consacrées à l'analyse du NUMT (segment d'ADN mitochondrial nucléaire). Le terme NUMT fait référence aux fragments d'ADNmt transférés dans l'ADN nucléaire. Une analyse comparative de 17 espèces animales avec des génomes mitochondriaux et nucléaires complètement séquencés a montré une corrélation positive significative entre l'espérance de vie et le nombre de séquences NUMT [3]. Il reste maintenant à trouver une solution d'ingénierie pour le transfert de sauvegardes des 13 gènes d'ADNmt restants.

Mais il existe des approches alternatives pour améliorer la fonction mitochondriale. Et l'un d'eux est la transplantation de mitochondries de l'extérieur. La «sous-population» réussie de mitochondries étrangères lors d'expériences avec des animaux est décrite. Ainsi, le transfert mitochondrial a été utilisé dans des modèles animaux pour les lésions pulmonaires aiguës, les maladies cardiovasculaires et la maladie de Parkinson. L'implantation mitochondriale peut être accomplie de plusieurs façons: premièrement, l'injection directe de mitochondries isolées (injection locale), lorsque des mitochondries isolées sont injectées directement dans les cellules de la zone endommagée; deuxièmement, l'administration systémique, lorsque les mitochondries sont introduites dans la circulation sanguine générale, puis distribuées dans tout le corps. Les résultats obtenus indiquent les perspectives de transplantation mitochondriale dans le traitement d'un certain nombre de maladies [4].

Parallèlement à cela, il serait logique de trouver des biomarqueurs potentiels pour déterminer le stress oxydatif causé par un dysfonctionnement mitochondrial.

Le stress oxydatif est un déséquilibre entre les oxydants (espèces réactives de l'oxygène) et la défense antioxydante du corps contre les agents oxydants. Dans les cellules, les oxydants interagissent activement avec les biomolécules (phospholipides, protéines et acides nucléiques). En conséquence, ces biomolécules sont irréversiblement endommagées, ce qui entraîne un dysfonctionnement cellulaire et, par conséquent, diverses pathologies dans le corps et la mort cellulaire. L'une des théories du vieillissement les plus populaires, le radical libre proposé par D. Harman dans les années 1950, y voit le principal mécanisme du vieillissement.

Les molécules formées lors de l'oxydation peuvent servir de biomarqueurs. Leur analyse est utilisée pour quantifier le stress oxydatif chez l'homme. Des concentrations élevées de biomarqueurs de stress oxydatif sont déterminées non seulement dans les maladies liées à l'âge ou dégénératives, telles que la maladie d'Alzheimer, l'hypertension, le diabète de type 2 ou plusieurs types de cancer, mais également dans les maladies pulmonaires obstructives chroniques, le tabagisme et la vie dans des zones écologiquement défavorisées.

L'un des biomarqueurs les plus importants du stress oxydatif est la 8-iso prostaglandine F2α (8-isoprostane). Le 8-isoprostane se forme lors de l'oxydation non enzymatique des phospholipides des biomembranes cellulaires, à savoir l'acide arachidonique. Cette substance semblable à la prostaglandine provoque un rétrécissement des vaisseaux sanguins et des bronches, réduit le flux sanguin dans les reins, affecte l'agrégation plaquettaire et est donc impliquée dans la pathologie de plusieurs maladies. Les valeurs normales du 8-isoprostane chez les personnes en bonne santé sont considérées comme étant de 11 ± 4 pg / ml [5].

Le malondialdéhyde (MDA), qui est formé par la peroxydation des lipides par les radicaux libres et la décomposition des molécules d'acides gras polyinsaturés, est également reconnu comme biomarqueur d'oxydation des lipides. Une concentration accrue de MDA dans le sérum sert de marqueur non seulement du stress oxydatif, mais aussi du degré d'intoxication endogène. Par conséquent, une augmentation de la concentration de MDA dans le plasma est observée chez les fumeurs, ainsi que chez les personnes qui abusent de l'alcool. La MDA forme des bases de Schiff avec des groupes amino de la protéine, entraînant la formation de complexes lipides-protéines insolubles (usure des pigments ou de la lipofuscine). La MDA est déterminée dans des échantillons de nombreux fluides biologiques: sérum, plasma, urine, condensat respiratoire expiré. La concentration de MDA dans le sérum chez les personnes en bonne santé (normale) est inférieure à 1 μmol / L [6].

Lors de l'oxydation des acides aminés qui composent les protéines, un certain nombre de biomarqueurs potentiels du stress oxydatif se forment: l'o-tyrosine, la 3-chlorothyrosine et la 3-nitrotyrosine.

Physiologiquement dans le corps, la tyrosine endogène est formée par l'oxydation enzymatique de la phénylalanine par la phénylalanine hydroxylase. o-tyrosine (o-Tyr) et m-tyrosine (m-Tyr) se forment lors de l'oxydation par les formes actives de l'oxygène phénylalanine. o-Tyr et m-Tyr ne sont pas des acides aminés naturels et sont considérés comme des biomarqueurs du stress oxydatif. Des concentrations élevées d'o-Tyr et de m-Tyr ont été trouvées chez les patients atteints de cataracte, et une concentration élevée d'o-Tyr a été trouvée dans le plasma sanguin et l'urine des patients atteints de diabète de type 2. La 3-chlorothyrosine (3-ClTyr) se forme dans les processus radicalaires lors de la réaction de l'acide hypochloreux (HClO, un dérivé du peroxyde d'hydrogène) et de la p-tyrosine.

La formation de 3-ClTyr joue un rôle important dans le système cardiovasculaire, car elle est associée au développement de l'athérosclérose. Le 3-ClTyr favorise la migration des cellules des muscles lisses aortiques humains (le principal mécanisme de formation de lésions vasculaires), et des niveaux élevés de 3-ClTyr dans des conditions d'inflammation peuvent contribuer aux maladies vasculaires. La 3-nitrotyrosine (3-Notyr) est formée lors du stress oxydatif par nitration de la tyrosine avec une protéine phagocytaire agressive myéloperoxydase (MPO). Une telle nitration affecte négativement la fonction de la protéine. Des concentrations plus élevées de 3-Notyr ont été trouvées dans le liquide céphalorachidien des patients atteints de la maladie d'Alzheimer (11,4 ± 5,4 nM chez les patients et 1,6 ± 0,4 nM dans le groupe de volontaires sains), ainsi que chez les personnes souffrant d'arthrite, d'athérosclérose et hypertension [5].

De plus, sous l'action des ROS et HClO sur les protéines, divers produits d'oxydation des protéines (AOPP) se forment. Ces protéines ne remplissent pas leurs fonctions et peuvent causer des dommages importants. Les AOPP sont produites par le système myéloperoxydase-peroxyde d'hydrogène. Des concentrations plus élevées d'AOPP ont été trouvées dans le plasma ou l'urine de patients atteints d'un syndrome coronarien aigu ou d'une colite ulcéreuse active. Des concentrations plasmatiques de 60 à 70 nM sont considérées comme des indicateurs normaux de l'AORP chez des personnes en bonne santé [5].

Les biomarqueurs bien connus pour l'oxydation des acides nucléiques sont la 8-hydroxyguanosine (8-OHG) et la 8-hydroxy-2'-désoxyguanosine (8-OHdG). Le 8-OHdG est le principal produit de l'oxydation de l'ADN. Le 8-OHG est formé par l'oxydation de l'ARN. Une concentration plus élevée de 8-OHdG est observée chez les patients atteints de la maladie d'Alzheimer, d'arthrite, d'athérosclérose, de cataractes, d'hypertension, d'ostéoporose et de diabète de type 2. Le 8-OHdG est également considéré comme un biomarqueur potentiel du cancer lié au tabagisme (par exemple le cancer du poumon). Le 8-OHG peut être trouvé chez les patients atteints de la maladie d'Alzheimer, et il a été démontré que les dommages à l'ARN oxydatif sont supérieurs aux dommages à l'ADN. Les concentrations de 8-OHdG dans le sang chez les personnes en bonne santé sont de 1,09 ± 0,52 nM, et les niveaux de 8-OHG (dans le liquide céphalorachidien) sont de 97 ± 32 pM [5].

Un autre biomarqueur qui détermine le dysfonctionnement mitochondrial et le stress oxydatif est le nombre de copies de l'ADNmt cellulaire (il existe également un ADNmt extracellulaire qui pénètre dans la circulation sanguine lorsque les cellules se décomposent et que son niveau augmente avec l'âge). Ainsi, on sait qu'avec l'âge, la quantité d'ADNmt cellulaire diminue, de plus, chez l'homme plus que chez la femme. Un nombre plus faible d'ADNmt est également associé de manière significative au développement de l'asthénie sénile (sénilité, fragilité). Le nombre de copies de l'ADNmt peut également être un marqueur pronostique efficace de la mortalité toutes causes confondues, des maladies cardiovasculaires, oncologiques et respiratoires [7].

Les antioxydants endogènes, tels que le glutathion, la cystéine, l'acide urique et l'ubiquinol, peuvent également utiliser la dysfonction mitochondriale et le stress oxydatif comme biomarqueurs. Lors de l'interaction avec des espèces réactives de l'oxygène, les antioxydants endogènes sont oxydés, puis restaurés à nouveau à l'aide d'enzymes spéciales. Par conséquent, dans le corps, les molécules antioxydantes sont présentes sous deux formes: sous forme réduite (antioxydant) ou oxydée (après réaction avec des oxydants). En utilisant la méthode chromatographique, il est possible de fixer le rapport des formes réduites et oxydées d'antioxydants et ainsi déterminer le degré de stress oxydatif [8].

Biomarqueurs de dysfonctionnement mitochondrial et de stress oxydatif:

1,8-isoprostane.
2. Malondialdéhyde
3. O-tyrosine, 3-chlorothyrosine, 3-nitrotyrosine.
4. Produits d'oxydation des protéines (AOPP).
5,8-hydroxyguanosine (8-OHG)
6. 8-hydroxy-2'-désoxyguanosine (8-OHdG).
7. ADNmt cellulaire (son nombre et la présence de variants mutés avec délétions)
8. Antioxydants endogènes (glutathion, cystéine, acide urique, ubiquinol).

Auteurs de la revue: Denis Odinokov, Alexey Rzheshevsky.