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https://hdl.handle.net/1822/14264
Título: | New insights into the effects of caloric restriction on Saccharomyces cerevisiae chronological lifespan |
Outro(s) título(s): | Novas perspectivas no efeito da restrição calórica na longevidade cronológica em Saccharomyces cerevisiae |
Autor(es): | Mesquita, Ana Maria Macedo |
Orientador(es): | Ludovico, Paula Rodrigues, Fernando José dos Santos |
Data: | 12-Set-2011 |
Resumo(s): | The aging of the population is one of the major transformations being experienced by most
developed countries over the last century. Although the increase in lifespan expectancy can be
seen as a success story for public health policies and for socio-economic development, it also
challenges the society to adapt and promote health and functional capacity of older people. In this
scenario, the understanding of human aging has become one of the most relevant challenges in the
modern science. The study of aging has been wrapped up in several theories that attempt to
identify the primary causes of the stereotypic changes that are observed with age trying to explain
the dynamic nature of the aging process. Conventionally, aging is seen as a process of progressive
decline of homeostasis caused by genetic and environmental events. However, the degree to each
theoretical cause contributes to elucidate the primary cause of aging has been difficult to establish
and, instead, aging is considered an extremely complex process driven by a variety of different
mutually interacting mechanisms.
According to the leading and longstanding "Free Radical Theory of Aging" proposed by
Denham Harman, in 1956, aging is the result of the damage caused by free radical reactions that
occur in the cell. In support to this theory, several studies have shown that increases in lifespan,
mediated by genetic and environmental manipulations, are associated with decreases in the levels
of intracellular reactive oxygen species (ROS) and oxidative stress. However, it has also been
suggested that lifespan extension may be associated with increases in the intracellular levels of
ROS and oxidative stress and that the overexpression of antioxidant defences does not always
result in a significant extension of lifespan. Thus, increasing evidence started to challenge
Harman´s theory and have proposed a puzzling involvement of ROS and/or oxidative stress in the
aging process.
A particularly active area of aging research has been the influence of diet on longevity and
age-related diseases. Since the pioneering work of McCay in 1935 in rodents, caloric restriction
(CR) has repeatedly been shown to extend lifespan and to promote beneficial health effects in
several model systems. The predictable results of CR in primate models, and inclusively in
humans, have supported the potential of alternatives to CR in the improvement of health and
longevity including the rapidly growing area of calorie restriction mimetics (CRM) research.
However, despite all the background for the benefits observed with CR, the molecular mechanisms
underlying the CR effects in lifespan extension and aging delay remain enigmatic.
The use of simple systems with short lifespan, considerable genetic plasticity and easy
manipulation of diet still remains an advantage towards the study of highly conserved genes/pathways that underlie the effects of CR. By providing two aging paradigms,
Saccharomyces cerevisiae stands for a unique opportunity to compare and contrast the aging
processes of both proliferating and non-proliferating cells in a simple single-celled organism and,
thus, to understand the aging mechanisms of mitotic and post-mitotic tissues in higher organisms.
The rapidity with which lifespan can be assessed in yeast cells as well as their easy manipulation,
has allowed the identification of a lifespan regulatory network. In this context, longevity
regulation has been suggested to involve parallel but partially connected signaling pathways
controlled by sirtuins, nutrient-sensing signaling pathways and intracellular oxidative status.
Nevertheless, the mechanistic details underlying such regulation in the CR-mediated extension of
yeast lifespan are far from being established.
This work aimed to study the involvement of ROS and oxidative stress in the chronological
lifespan (CLS)-extending effects of CR in S. cerevisiae. The results obtained show that the CLSextending
effects of CR are coupled to increase, rather than decrease, in the accumulation of
intracellular ROS. Furthemore, CR or inactivation of catalases were shown to promote ROS
accumulation in the form of H2O2, which increased longevity despite the oxidative damage of
macromolecules. Upon CR or inactivation of H2O2-detoxyfying systems, H2O2 levels induced
superoxide dismutases which reduce the levels of O2
-. Increased oxidative stress during CR in the
form of H2O2 was also suggested by the high sensitivity to H2O2 treatment observed in wild type-
CR cells. Nevertheless, the exposure of non-CR wild type cells to non-toxic concentrations of
H2O2 resulted in CLS extension. A pro-longevity role for H2O2 was also suggested to be
independent of the activation of protective cellular processes by nutrient-sensing pathways
signaling. For instance, in Δrim15 cells the CLS-extending effect of CR was also shown to be
promoted by H2O2 increases and O2
- reduction comparatively to wild type cells. A different
approach in which CR was modelled by the inactivation of specific steps of the glycolytic pathway
also revealed that CLS extension occurred in parallel with increases in H2O2 and decreases in O2
-
levels. However, a strain displaying reduced glucose uptake showed CLS extension associated
with decreases in the accumulation of intracellular ROS levels, rather than an increase in H2O2,
and increases in oxidative stress resistance.
Overall, results herein presented challenge the validity of Harman´s theory and provide a
different paradigm for understanding how oxidative stress, and specific forms of ROS, may impact
on the aging process. It is proposed that CR may mediate an hormesis-like response in which H2O2
might be positively acting as second messenger molecule in other pathways operating under yeast
CLS extension. In this scenario, S. cerevisiae re-emerges as a suitable model by adding new
insights into the understanding of aging in more complex organisms. O envelhecimento da população é um processo que tem sido observado na maioria dos países desenvolvidos ao longo do último século. O aumento da esperança de vida pode ser visto como resultado do sucesso das políticas de saúde pública e do desenvolvimento socio-económico, no entanto, desafia também a sociedade a adaptar-se e a promover melhores condições de saúde bem como a capacidade funcional dos idosos. Neste âmbito, o estudo do envelhecimento tornou-se um dos desafios mais relevantes para a ciência moderna. Várias teorias têm procurado identificar a principal causa do envelhecimento e das alterações fisiológicas observadas com a idade. Convencionalmente, o envelhecimento é visto como um processo de declínio progressivo da homeostasia celular regulado por factores genéticos e ambientais. No entanto, a contribuição de cada teoria na identificação de uma causa primordial do envelhecimento tem sido difícil de estabelecer e, desta forma, o envelhecimento é considerado um processo complexo governado pela interacção de diferentes processos. De acordo com a "Teoria dos Radicais Livres" proposta por Denham Harman, em 1956, o envelhecimento resulta dos danos celulares resultantes da acção dos radicais livres. Diversos estudos suportam essa teoria tendo demonstrado que o aumento da longevidade, promovido por manipulações genéticas e ambientais, está associado à diminuição dos níveis intracelulares de espécies reactivas de oxigénio (ROS) e de stresse oxidativo. No entanto, tem sido também sugerido que a extensão da longevidade pode estar associada a um aumento dos níveis de ROS e de stresse oxidativo, e que a sobre-expressão de defesas antioxidantes nem sempre resulta num aumento significativo da longevidade. Estes estudos desafiam a teoria de Harman propondo um novo envolvimento dos ROS e do stresse oxidativo no processo de envelhecimento. O estudo da influência da dieta na longevidade e no aparecimento de doenças associadas à idade tem sido uma área de intensa investigação. Desde o trabalho pioneiro de McCay em 1935, inúmeros estudos sugerem que a restrição calórica (CR) pode prolongar a longevidade e ter efeitos benéficos na saúde de vários organismos modelo. Estudos em primatas, incluindo humanos, sugerem que abordagens que mimetizam a CR (CRM, caloric restriction mimetics) poderão constituir estratégias relevantes na melhoria da saúde e no aumento da longevidade. No entanto, os mecanismos moleculares que regulam os efeitos da CR no aumento da longevidade e no atraso do envelhecimento permanecem ainda enigmáticos. O uso de seres menos complexos com ciclos de vida curtos e de fácil manipulação genética é considerado uma vantagem no estudo de genes/vias filogeneticamente conservados e que regulam os efeitos da CR. Apresentado dois modelos de envelhecimento, a levedura Saccharomyces cerevisiae representa um modelo único para comparar e contrastar os processos de envelhecimento de células proliferativas e não proliferativas e, por extrapolação, compreender os mecanismos de envelhecimento em tecidos mitóticos e pós-mitóticos de organismos superiores. S. cerevisiae permitiu a identificação de vários mecanismos envolvidos na regulação da longevidade que são controlados por sirtuínas, cinases de resposta aos nutrientes e pelo estado redox da célula. No entanto, os efeitos da CR na extensão da longevidade estão ainda pouco estabelecidos. Neste âmbito, o presente trabalho teve como objectivo estudar o envolvimento dos ROS e do stresse oxidativo durante o aumento da longevidade cronológica na levedura S. cerevisiae, promovida pela CR. Os resultados obtidos sugerem que os efeitos da CR no aumento da longevidade estão associados a um aumento, e não a uma diminuição, dos níveis intracelulares de ROS. Demonstrou-se que a CR bem como a inactivação de catalases, apesar de induzirem um aumento de ROS na forma de H2O2, promovem a longevidade. Por outro lado, observou-se que o aumento dos níveis de H2O2 promove a actividade das superóxido dismutases e consequente redução dos níveis de O2 -. Apesar de a CR ter conferido às células uma maior sensibilidade ao stress oxidativo sob a forma de H2O2, verificou-se que concentrações não tóxicas de H2O2 promovem um aumento da longevidade em células não sujeitas a CR. Estudos adicionais mostraram ainda que o envolvimento do H2O2 na extensão da longevidade é independente da activação de processos celulares de defesa mediada por cinases de resposta aos nutrientes. neste contexto, os resultados demonstraram que, à semelhança do que foi observado em células de tipo selvagem, o efeito da CR no aumento da longevidade está também está associado a aumentos nos níveis de H2O2 e à redução nos níveis de O2 - em células Δrim15. A extensão da longevidade associada a aumentos dos níveis de H2O2 e diminuição de O2 - foi também ainda observada quando a CR foi induzida pela inibição genética de etapas específicas da via glicolítica. No entanto, o efeito da CR induzido pela redução do transporte de glucose através da célula mostrou estar associado a uma diminuição dos níveis dos ROS, e não a um aumento dos níveis de H2O2, bem como a um aumento da resistência ao stresse oxidativo. Deste modo, os resultados apresentados sugerem que a CR pode mediar um efeito hormético do H2O2 que, actuando na sinalização de processos celulares específicos, é um factor determinante na regulação da longevidade cronológica na levedura. Desta forma, é questionada a teoria de Harman e sugere-se um paradigma diferente para a compreensão do envolvimento do stresse oxidativo, e de formas específicas de ROS, na regulação da longevidade. Neste cenário, S. cerevisiae mostrou, mais uma vez, ser um modelo adequado e promissor na compreensão do envelhecimento em organismos mais complexos. |
Tipo: | Tese de doutoramento |
Descrição: | Tese de doutoramento em Ciências da Saúde especialidade de Ciências da Saúde |
URI: | https://hdl.handle.net/1822/14264 |
Acesso: | Acesso aberto |
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