Μελέτη των επιπτώσεων επαγωγής των πρωτεοστατικών μηχανισμών στη γήρανση και σε ηλικιοεξαρτώμενες ασθένειες
Authors: Παναγιωτίδου Ελένη 
Published: February 2025

Οι οργανισμοί κατά τη διάρκεια της ζωής τους εκτίθενται σε διάφορες στρεσογόνες συνθήκες. Τα κύτταρα προκειμένου να διατηρήσουν την ακεραιότητα του πρωτεώματός τους (του συνόλου των πρωτεϊνών), τόσο σε φυσιολογικές συνθήκες όσο και σε συνθήκες στρες, έχουν αναπτύξει ένα εξαιρετικά διατηρημένο και σύνθετο δίκτυο, γνωστό ως το δικτύο της πρωτεόστασης (ΔΠ). Οι μηχανισμοί του ΔΠ ελέγχουν την ποιότητα των πρωτεϊνών κατά τη σύνθεση, αναδίπλωση και αποικοδόμησή τους. Η τελευταία επιτυγχάνεται κυρίως μέσω του συστήματος ουμπικιτίνης-πρωτεασώματος (ubiquitin-proteasome system, UPS) ή μέσω του μηχανισμού αυτοφαγίας-λυσοσώματος (autophagy-lysosome pathway, ALP). Δεδομένου ότι οι ιστοί δεν επηρεάζονται εξίσου από τους περιβαλλοντικούς και τους ενδογενείς στρεσογόνους παράγοντες, η ιστική επικοινωνία του ΔΠ υπό αντίξοες συνθήκες μέσω μη αυτόνομων κυτταρικών μονοπατιών σηματοδότησης (δηλαδή μονοπατιών που δρουν σε κύτταρα απομακρυσμένων ιστών και όχι στα κύτταρα του ιστού που αρχικά παράγει το σήμα), είναι κρίσιμη για την ακεραιότητα του πρωτεώματος σε επίπεδο οργανισμού. Τα τελευταία χρόνια, ένας ολοένα αυξανόμενος αριθμός μελετών διερευνά τη ρύθμιση των πρωτεοστατικών μηχανισμών σε μη αυτόνομο κυτταρικό επίπεδο. Λαμβάνοντας υπόψη πως η λειτουργία του ΔΠ φθίνει με την εξέλιξη της γήρανσης, η διαλεύκανση των μηχανισμών της μη αυτόνομης κυτταρικής ρύθμισης του ΔΠ μπορεί να προσφέρει νέες προσεγγίσεις στη ρύθμιση των πρωτεοστατικών μηχανισμών, με στόχο την καθυστέρηση των επιπτώσεων της γήρανσης και των ηλικιοεξαρτώμενων παθήσεων. Το πρωτεάσωμα αποτελεί έναν σημαντικό αντιγηραντικό στόχο, καθώς αρκετές μελέτες υποστηρίζουν πως αύξηση της ενεργότητάς του έχει ως αποτέλεσμα την επιμήκυνση του προσδόκιμου ζωής (lifespan) τόσο σε κυτταρικές σειρές όσο και σε πολυκύτταρους οργανισμούς όπως ο νηματώδης σκώληκας Caenorhabditis elegans (C. elegans) και η μύγα Drosophila melanogaster (D. melanogaster). Επιπλέον, σημαντικός δείχνει να είναι ο ρόλος του πρωτεασώματος και σε ηλικιοεξαρτώμενες παθολογικές καταστάσεις, όπως η νόσος του Alzheimer (AD), μέσω της παρεμπόδισης της δημιουργίας πρωτεϊνικών συσσωματωμάτων που χαρακτηρίζουν τις συγκεκριμένες ασθένειες. Ωστόσο, οι μηχανισμοί μέσω των οποίων η αύξηση της ενεργότητάς του επιδρά θετικά στο προσδόκιμο ζωής δεν έχουν διαλευκανθεί πλήρως. Επιπλέον, παρά τον εξαιρετικά σημαντικό ρόλο του πρωτεασώματος στο ΔΠ, ελάχιστες μελέτες μέχρι στιγμής αναφέρονται στην πιθανή μη αυτόνομη κυτταρική ρύθμισή του. Το βασικό σύμπλοκο του πρωτεασώματος ονομάζεται «20S πυρήνας» και αποτελείται από τέσσερις δακτυλίους επτά διαφορετικών α (εξωτερικοί δακτύλιοι) και β (εσωτερικοί δακτύλιοι) υπομονάδων. Οι υπομονάδες β1, β2 και β5 αποτελούν τα καταλυτικά κέντρα του συμπλόκου. Σύμφωνα με προηγούμενη έρευνα του εργαστηρίου μας, η υπερέκφραση της β5 υπομονάδας του πρωτεασώματος σε όλους τους ιστούς του C. elegans (γονίδιο pbs-5) έχει ως αποτέλεσμα την ενεργοποίηση του πρωτεασώματος και οδηγεί σε επιμήκυνση του προσδόκιμου ζωής και σε ανθεκτικότητα έναντι οξειδωτικού και πρωτεοτοξικού στρες. Προκειμένου να διερευνήσουμε την ενδεχόμενη μη αυτόνομη κυτταρική ρύθμιση του πρωτεασώματος, δημιουργήσαμε διαγονιδιακά στελέχη C. elegans τα οποία υπερεκφράζουν ιστοειδικά το γονίδιο pbs-5 στον νευρικό ιστό (pbs-5-νευρώνες), στο έντερο (pbs-5-έντερο) και στους μυς (pbs-5-μυς) του ζώου και μελετήσαμε αρχικά την επίδραση αυτής της έκφρασης στην ενεργότητα του πρωτεασώματος σε άλλους ιστούς. Επιπλέον, εκτιμήθηκε η επίδραση της ρύθμισης αυτής στο προσδόκιμο ζωής και στην απόκριση και ανθεκτικότητα σε οξειδωτικό και πρωτεοτοξικό στρες. Τα αποτελέσματά μας έδειξαν πως η υπερέκφραση του γονιδίου pbs-5 ιστοειδικά στους νευρώνες ή στο έντερο του C. elegans οδηγεί σε ενίσχυση της πρωτεασωμικής ενεργότητας στους μυς του ζώου, υποδηλώνοντας την παρουσία μη αυτόνομου κυτταρικού μηχανισμού ρύθμισης του πρωτεασώματος. Επιπλέον, στα συγκεκριμένα στελέχη, pbs-5-νευρώνες και pbs-5-έντερο, παρατηρείται μη αυτόνομη κυτταρική προστατευτική δράση έναντι της πρωτεοτοξικότητας του ανθρώπινου Αβ πεπτιδίου (η συσσώρευση του οποίου αποτελεί χαρακτηριστικό της AD) που εκφράζεται στους μυς του σκώληκα. Η ενίσχυση της πρωτεασωμικής ενεργότητας στους μυς και η προστασία έναντι της πρωτεοτοξικότητας του Αβ πεπτιδίου παρατηρούνται και σε αυτόνομο επίπεδο όπως αποκαλύφθηκε μέσω της υπερέκφρασης του γονιδίου pbs-5 στον ίδιο ιστό (μυς). Ανάλογη αυτόνομη κυτταρική δράση έναντι του πρωτεοτοξικού στρες παρατηρήθηκε και στα στελέχη που υπερεκφράζουν το γονίδιο pbs-5 και το ανθρώπινο Αβ πεπτίδιο στους νευρώνες. Όσον αφορά στο προσδόκιμο ζωής, αποκαλύψαμε πως η υπερέκφραση του γονιδίου pbs-5 μόνο στο έντερο ή μόνο στους μυς δεν αρκεί για να ενισχύσει τη μακροβιότητα του ζώου. Αντίθετα, η υπερέκφραση του pbs-5 γονιδίου στο νευρικό ιστό του C. elegans φαίνεται να διατηρεί σε καλύτερα επίπεδα φαινοτυπικά χαρακτηριστικά που σχετίζονται με την ευζωία του ζώου (healthspan) και οδηγεί σε επιμήκυνση του προσδόκιμου ζωής του. Ωστόσο, η ενίσχυση του προσδόκιμου ζωής δεν φαίνεται να σχετίζεται με την ενίσχυση της αντιοξειδωτικής προστασίας, καθώς δεν παρατηρήθηκε προστασία έναντι του οξειδωτικού στρες. Τέλος, λαμβάνοντας υπόψη τα παραπάνω αποτελέσματα στοχεύσαμε στη διαλεύκανση του τρόπου επικοινωνίας μεταξύ του νευρικού και του μυϊκού ιστού όσον αφορά στη ρύθμιση του πρωτεασώματος. Αποκαλύψαμε πως κομβικό ρόλο σε αυτή την επικοινωνία έχουν τα μικρά διαυγή κυστίδια (small clear vesicles - SCVs), τα οποία εντοπίζονται στον προσυναπτικό νευρώνα και το περιεχόμενό τους αποτελείται από νευροδιαβιβαστές. Παράλληλα, ταυτοποιήσαμε το γλουταμινικό οξύ ως έναν από τους νευροδιαβιβαστές που συμβάλλουν σε αυτήν τη ρύθμιση. Συνολικά, τα αποτελέσματά μας επιβεβαιώνουν την υπόθεση της μη αυτόνομης κυτταρικής ρύθμισης της λειτουργίας του πρωτεασώματος. Η επίδραση της ιστοειδικής έκφρασης του πρωτεασώματος σε απομακρυσμένους ιστούς μπορεί να αποτελέσει σημαντική γνώση για τον σχεδιασμό παρεμβάσεων που στοχεύουν στην ιστοειδική ενίσχυση ή αναστολή της δράσης του πρωτεασώματος.