Rapalogs e inhibidores de MTOR como terapias antienvejecimiento

La rapamicina, un inhibidor del objetivo mecanicista de la rapamicina (mTOR), tiene el apoyo experimental más fuerte hasta la fecha como unpotencial terapéutico anti-envejecimientoen mamíferos. A diferencia de muchos otros compuestos de los que se ha afirmado que influyen en la longevidad, la rapamicina se ha probado repetidamente en ratones genéticamente heterogéneos de larga vida, en los que prolonga la esperanza de vida media y máxima. Sin embargo, el mecanismo que explica estos efectos está lejos de ser claro, y una lista creciente de efectos secundarios hace que sea dudoso que la rapamicina sea finalmente beneficiosa para los humanos. Esta revisión analiza las perspectivas de desarrollo de sistemas más nuevos y seguros.terapias antienvejecimientobasado en análogos de la rapamicina (denominados rapálogos) u otros enfoques dirigidos a la señalización de mTOR.

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Una breve historia de la rapamicina y el mecanismo de destino de la rapamicina La rapamicina se descubrió en el suelo de Isla de Pascua como un compuesto producido por Streptomyces hygroscopicus que era capaz de inhibir la proliferación de la levadura Candida albicans pero no afectaba el crecimiento de bacterias (1). En los mamíferos, se descubrió que la rapamicina inhibía la respuesta inmunitaria y posteriormente se adoptó como terapia estándar para prevenir el rechazo del injerto en los receptores de trasplantes y para tratar los trastornos autoinmunitarios (2, 3). La rapamicina también inhibe ampliamente el crecimiento y la proliferación de células de mamíferos, lo que ha despertado un interés más reciente en su uso como terapia contra el cáncer (4). De manera mecánica, la rapamicina se une a FKBP12, una inmunofilina con actividad de prolil isomerasa. Dos proteínas adicionales necesarias para sus efectos en la levadura se identificaron en un examen genético en 1991 y se denominaron dianas de rapamicina 1 (TOR1) y TOR2 (5). Durante 1994 y 1995, tres grupos separados aislaron una quinasa 289-kDa que se une e inhibe por el complejo rapamicina-FKBP12 en células de mamífero (6–8). Esta cinasa ahora se conoce como el objetivo mecánico de la rapamicina (mTOR) y es aproximadamente 40 por ciento homóloga a las proteínas TOR de Saccharomyces cerevisiae y altamente conservada entre los eucariotas. mTOR se encuentra en dos complejos que tienen distintas funciones y diferentes sensibilidades a la acción de la rapamicina. El complejo mTOR 1 (mTORC1; compuesto por mTOR, raptor, mLST8/GL, PRAS40, DEPTOR) juega un papel clave en la regulación de la traducción y el crecimiento celular a través de la fosforilación de sustratos que incluyen la quinasa S6 (S6K) y la proteína de unión del factor de iniciación eucariota eIF4E (4E-BP), y es potentemente inhibido por la rapamicina. Por el contrario, mTORC2 (que consta de mTOR, Rictor, mLST8/GL, mSIN1, pro tor, DEPTOR) regula un conjunto diverso de sustratos, incluidos AKT S473, quinasa regulada por suero/glucocorticoides y PKC-, y es muy resistente a la rapamicina, aunque puede alterarse físicamente durante la exposición crónica. Los mTORC reciben entradas a través de una amplia variedad de mecanismos de señalización y tienen funciones en muchos aspectos de la fisiología, que se han revisado en profundidad (9). Brevemente, mTORC1 responde a señales que incluyen aminoácidos, glucosa, ligandos WNT, oxígeno, cAMP e insulina/IGF-1. La regulación de la actividad de mTORC2 es menos clara pero puede implicar la interacción con los ribosomas (10). La señalización de insulina/IGF-1 a mTORC1 está mediada en parte por mTORC2 a través de la fosforilación de AKT. A su vez, la activación de mTORC1 se retroalimenta para atenuar la señalización de insulina/IGF-1 a través de S6K1 y GRB10 (Figura 1 y ref. 11).

Conexión de la señalización de mTOR con la edad El papel de la señalización de TOR en el envejecimiento se reveló por primera vez en 2003 cuando Vellai y sus colegas demostraron que RNAi contra let-363/ CeTor extendía significativamente la vida útil de Caenorhabditis elegans y funcionaba independientemente de daf{{2} }, un homólogo de FOXO que anteriormente se había demostrado que influye en la duración de la vida (12). A esto le siguió rápidamente la demostración de que la inhibición genética de la señalización de TOR prolonga la vida útil en Drosophila melanogaster y la levadura en ciernes S. cerevisiae (13, 14). La inhibición genética de la señalización de mTOR en mamíferos es un asunto delicado, ya que la proteína quinasa mTOR, raptor, rictor y mLST8 son esenciales para el desarrollo (15). Recientemente, demostramos que los ratones hembra Mtor plus /–Mlst8 plus/– han reducido la actividad de mTORC1 y aumentado la longevidad, similar al fenotipo informado por Selman y sus colegas para ratones que carecen de S6K1, uno de los principales sustratos de mTORC1 (16, 17). ). Por lo tanto, el vínculo entre la señalización de mTOR y la longevidad parece estar conservado desde la levadura hasta los mamíferos (Tabla 1).

Efectos de la rapamicina en la longevidad

La rapamicina extiende la vida útil en levaduras, gusanos y moscas (Tabla 2 y refs. 18–21). En 2009, se demostró que la rapamicina prolongaba la esperanza de vida media y máxima de ratones genéticamente heterogéneos machos y hembras (descendencia de un cruce de cuatro vías entre cepas endogámicas de larga vida) (22). Sorprendentemente, el tratamiento no se inició hasta que los ratones alcanzaron una edad avanzada (20 meses), aproximadamente equivalente a una edad humana de 60 años. En un estudio de seguimiento que comenzó a los 9 meses de edad, la rapamicina prolongó la vida media en hombres y mujeres en un 10 % y un 18 %, respectivamente, y la vida útil máxima en un 16 % y un 13 % (23). La rapamicina se microencapsuló en un recubrimiento entérico que permitió la administración en los alimentos durante estos estudios, y el nivel en sangre alcanzado fue aproximadamente tres veces mayor que el rango terapéutico típico para la inmunosupresión en humanos (24).

Figura 1 Señalización mTOR. mTOR se encuentra en dos complejos, mTORC1 y mTORC2. mTORC1 está regulado en parte a través del complejo TSC, que normalmente actúa como una proteína activadora de GTPasa para que Rheb suprima la señalización de mTORC1. mTORC1 también está regulado por aminoácidos a través de la familia de pequeñas GTPasas de unión a GTP relacionadas con Ras (Rag). Las proteínas Rag activan mTORC1 localizando mTORC1 en el lisosoma a través de la interacción con el complejo regulador (110). mTORC1 promueve el crecimiento al mejorar la biogénesis ribosomal, la traducción y otros procesos anabólicos mientras inhibe la autofagia. mTORC1 suprime la señalización de insulina/IGF-1 a través de la regulación directa de Grb10 y S6K, lo que posteriormente reduce la señalización a mTORC2. AKT, un inhibidor de TSC1/2, es uno de varios sustratos directos de mTORC2. Los procesos que están regulados al alza por la señalización de mTOR se muestran en rojo; aquellos que están regulados a la baja por la señalización de mTOR se muestran en azul.

Otros estudios también han encontrado un efecto positivo de la rapamicina en la esperanza de vida. Chen et al. descubrió que la rapamicinadisminuyó la tasa de mortalidad en hombres de edad avanzadaRatones C57BL/6 (25). Anisimov et al. mostró que la rapamicina prolonga la vida útil máxima (vida media del último 10 por ciento superviviente) en una cepa de ratones propensa a tumores y de vida corta (FVB/N HER-2/neu transgénico) (26). Si bien este estudio proporciona pruebas sólidas de que la rapamicina puede ser beneficiosa en el contexto del cáncer, la elección de la cepa hace que sea difícil separar los efectos anticancerígenos del envejecimiento per se. Sin embargo, la rapamicina también prolonga la vida útil en ratones 129/Sv, una cepa endogámica con una vida útil e incidencia de tumores más típicas (27). Sorprendentemente, el 22,9 por ciento de los ratones tratados seguían vivos a la muerte del último animal de control.

En conjunto, estas observaciones hacen de la rapamicina el candidato mejor respaldado para un fármaco para la longevidad de los mamíferos. Comprender su mecanismo de acción tiene el potencial de ofrecer información sobre la naturaleza del proceso de envejecimiento subyacente y puede conducir a nuevos enfoques terapéuticos para aliviar la carga de las enfermedades relacionadas con la edad. Sin embargo, el mecanismo que explica los efectos antienvejecimiento de la rapamicina aún no está claro (Tabla 2).

Mecanismos potenciales de extensión de la vida útil por rapamicina

Efectos anticancerígenos. El cáncer es la causa más común de muerte en ratones de laboratorio y la rapamicina es un fármaco contra el cáncer. Por lo tanto, sigue siendo posible que la extensión de la esperanza de vida por la rapamicina sea secundaria a la supresión del tumor y no esté relacionada con el proceso de envejecimiento subyacente. Hay varias razones por las que no favorecemos este modelo. En primer lugar, los experimentos iniciales que relacionan la inhibición de la rapamicina y mTOR con la longevidad se realizaron en organismos que son principalmente posmitóticos (gusanos y moscas) o unicelulares (levadura) y, por lo tanto, no experimentan cáncer. En segundo lugar, la rapamicina aumenta la longevidad máxima, lo que respalda la idea de que retarda múltiples patologías relacionadas con la edad. Centrarse en una sola enfermedad no debería aumentar sustancialmente la esperanza de vida de las personas más longevas de un grupo, ya que las personas de mayor edad correrán un riesgo muy alto de sufrir la mayoría o todas las causas de muerte, a menos que se haya pospuesto el proceso de envejecimiento subyacente. En tercer lugar, se ha demostrado que la rapamicina retrasa múltiples cambios relacionados con la edad en ratones, incluida la pérdida de la función de las células madre (25), el deterioro cognitivo (28), la retinopatía (29), la acumulación de alteraciones subcelulares en el miocardio, la degeneración del hígado, la hiperplasia endometrial , rigidez de los tendones y disminución de la actividad física (30). Además, la rapamicina es terapéutica en modelos de roedores con hipertrofia cardíaca (31, 32) y enfermedades neurodegenerativas (33–35), condiciones que afectan a los humanos que envejecen. Si bien la prevención del cáncer claramente juega un papel importante en el beneficio de supervivencia que otorga la rapamicina, es importante comprender que el cáncer es una enfermedad relacionada con la edad, y su prevención es una consecuencia esperada de cualquier terapia que retrase el envejecimiento.

Traducción. mTORC1, a través de S6K y 4E-BP, juega un papel central en la regulación de la traducción, y vale la pena considerar si la reducción de la síntesis de proteínas per se podría mediar los efectos de la rapamicina en la longevidad. Por ejemplo, la disminución de la tasa general de traducción podría permitir una mayor fidelidad durante la síntesis y/o aliviar el estrés en los mecanismos que degradan proteínas erróneas, mal plegadas o dañadas (36). De hecho, los experimentos en S. cerevisiae, C. elegans y D. melanogaster han demostrado que la eliminación o eliminación de subunidades ribosómicas, S6K o factores de iniciación de la traducción mediada por ARNip da como resultado un aumento de la vida útil y la eliminación de S6K1 prolonga la vida útil en ratones hembra. mientras que la eliminación de 4E-BP bloquea los efectos de prolongación de la vida de la restricción calórica (RC) en moscas (13, 37–40).

Hallazgos recientes desafían la opinión de que la traducción per se es la clave de los beneficios de la inhibición de TOR/mTOR. Si bien los ratones hembra que carecen de S6K1 tienen una vida prolongada, no hay un efecto perceptible en la traducción general, al menos en el músculo esquelético (41). Además, la larga vida útil de los gusanos que carecen de un factor clave de iniciación de la traducción puede aumentar aún más mediante la eliminación de TOR, lo que implica que están en juego distintos mecanismos (38). Además, la extensión de la vida útil debido a la eliminación de los factores de iniciación de la traducción depende de daf-16, mientras que la extensión de la vida útil por el agotamiento de TOR, S6K o subunidades ribosómicas no lo es, lo que nuevamente apunta a la participación de múltiples mecanismos distintos (12). , 37). Curiosamente, la reducción de TOR usando RNAi no logra extender aún más la vida útil de los gusanos mutantes eat-2, un modelo para CR, a pesar de suprimir la ya baja tasa de síntesis de proteínas en un 49 por ciento adicional (37). Además, la inactivación del homólogo de gusano de AMPK es suficiente para suprimir la extensión de la vida útil en animales que carecen de S6K, aparentemente sin afectar la traducción (16). Claramente, la relación entre traducción y longevidad es más compleja de lo que inicialmente se suponía

La traducción de ARNm específicos puede influir en la duración de la vida.

Si bien la pérdida completa de la función mTOR tiene un efecto importante en la traducción general, la rapamicina tiene un efecto más sutil, probablemente porque un subconjunto de las funciones de 4E-BP es resistente a la rapamicina (42, 43). Tanto la inhibición de la rapamicina como la mTOR completa suprimen preferentemente la traducción de ARNm con motivos oligopirimidínicos terminales 5′, lo que sugiere un papel potencial para estos genes en la longevidad (43, 44). A pesar de la disminución de la síntesis de proteínas en general, la CR en moscas mejora específicamente la traducción de un subconjunto de ARNm que tienen UTR 5 'cortas y menos estructuradas, incluidos los genes mitocondriales codificados nuclearmente (40). El sustrato TOR 4E-BP es necesario para este efecto y para prolongar la vida útil. En la levadura que carece de subunidades ribosómicas o TOR, la extensión de la vida completa requiere una mayor traducción de una transcripción específica, GCN4 (45). La expresión de GCN4 está limitada por múltiples ORF aguas arriba que normalmente secuestran los ribosomas que se unen al ARNm. En condiciones de disminución de la actividad de TOR o abundancia de subunidades ribosómicas grandes, los ORF aguas arriba se eluden con mayor frecuencia para iniciar la traducción del ORF de GCN4. Estos ejemplos resaltan sutilezas en la regulación de la traducción que apenas estamos comenzando a apreciar.

Tabla 2 Efectos de la rapamicina sobre la longevidad

Autofagia. Otro efecto de la inhibición de mTOR que se ha relacionado con la longevidad es la inducción de la autofagia, un proceso mediante el cual las células reciclan sus proteínas y orgánulos. La autofagia permite que las células sobrevivan en condiciones limitadas de nutrientes y es un mecanismo central mediante el cual se eliminan los componentes dañados. En condiciones de suficiencia de nutrientes, mTOR fosforila e inhibe la cinasa iniciadora de la autofagia ULK1 (46). La inactivación de los genes implicados en la autofagia reduce la duración de la vida en la levadura (cronológica), C. elegans y Drosophila, y la promoción de la autofagia en el sistema nervioso de la mosca prolonga la duración de la vida (47–49). Además, la autofagia es necesaria para que la rapamicina prolongue la duración de la vida cronológica de la levadura (47) y para la extensión de la duración de la vida mediante la RC o la inhibición genética de la señalización de mTOR en los gusanos (50).

En los mamíferos, la autofagia también parece desempeñar un papel importante en el proceso de envejecimiento. Más dramáticamente, la inducción de la autofagia es suficiente para rejuvenecer la histología y función del hígado de ratones de edad avanzada (51). Además, la autofagia parece aumentar en ratones CR y mediar algunos de los efectos beneficiosos de una dieta CR en el corazón, el hígado y los riñones (52–54). Las células de ratones enanos de Snell de larga vida también muestran evidencia de un aumento de la autofagia (55).Cardiomiocitos iaislados de ratones envejecidos tienen una autofagia más baja y exhiben defectos en el manejo del calcio, los cuales se corrigen mediante la exposición a la rapamicina ex vivo (56). Sin embargo, el aumento de la autofagia puede no ser siempre beneficioso y, de hecho, puede contribuir al fenotipo proenvejecimiento de los ratones progeroides (57).

Curiosamente, la rapamicina mejora la formación de vesículas nucleares y la senescencia prematura en células derivadas de pacientes con progeria de Hutchinson Gilford, un raro síndrome de envejecimiento prematuro (58). La enfermedad resulta de una variante mal escrita de la lamina A, denominada progerina, que se acumula en gran medida en los pacientes y también se detecta en cantidades más pequeñas durante el envejecimiento celular normal (59, 60). Rapamy cin parece estimular la eliminación de progerina de las células enfermas a través de la autofagia y, por lo tanto, también puede limitar la acumulación normal de progerina relacionada con la edad. En general, es probable que la regulación adecuada de la autofagia sea un determinante crítico del envejecimiento saludable.

Figura 2 El tratamiento crónico con rapamicina interrumpe mTORC2. (A) In vivo, los nutrientes y los factores de crecimiento impulsan la actividad de mTORC1 y mTORC2, que promueven el crecimiento, el envejecimiento y la sensibilidad a la insulina. (B) El tratamiento agudo con rapamicina inhibe la señalización de mTORC1, lo que restringe el crecimiento y promueve la longevidad sin reducir la sensibilidad a la insulina. (C) El tratamiento crónico con rapamicina inhibe tanto mTORC1 como mTORC2, restringiendo el crecimiento y alterando la señalización de la insulina, pero promoviendo la longevidad

Mantenimiento de células madre. La rapamicina tiene una serie de efectos interesantes sobre la función de las células madre. La señalización hiperactiva aguas arriba de mTORC1 debido a la eliminación de Pten, la eliminación de la esclerosis tuberosa 1 (Tsc1) o la activación constitutiva de AKT reduce el número y la capacidad funcional de las HSC (61–63). El tratamiento con rapamicina puede restaurar la capacidad de autorrenovación normal en una subpoblación de HSC de ratón que tienen un estrés oxidativo elevado y una capacidad funcional reducida de forma espontánea (64). Más recientemente, Chen et al. señaló que la actividad de mTORC1 está elevada en las HSC derivadas de ratones envejecidos, que muestran déficits funcionales que recuerdan a los causados ​​por la eliminación de Tsc1 (25). La rapamicina restauró la capacidad funcional en HSC de ratones envejecidos y reforzó la respuesta inmunitaria al virus de la influenza. La rapamicina también aumenta la autorrenovación de las células madre intestinales a través de la inhibición de mTORC1 en las células de Paneth adyacentes, de manera similar a los efectos que se han observado en animales CR (65). Además, la rapamicina mejora la reprogramación de las células somáticas para generar células madre pluripotentes inducidas, lo que sugiere una promoción general de la función de las células madre (66). Por otro lado, la rapamicina altera la pluripotencia, reduce la proliferación y promueve la diferenciación en células madre embrionarias humanas (67, 68). En las células madre embrionarias de ratón, la expresión de los marcadores de pluripotencia es más resistente al tratamiento con rapamicina, pero el tamaño y la proliferación de las células aún se reducen y se potencia la diferenciación (67, 69). Curiosamente, la rapamicina agota las células iniciadoras de la leucemia e inhibe tanto la capacidad de autorrenovación como la de diferenciación de las células madre derivadas del hemangioma infantil, lo que sugiere un efecto protector contra las células madre cancerosas (61, 70). En conjunto, estos resultados sugieren que la rapamicina modula el comportamiento de las células madre y, en general, favorece la retención de la "troncalidad" y un fenotipo más juvenil en los tipos de células madre adultas que se han estudiado.

en como un inmunosupresor no debe pasarse por alto cuando se trata de la longevidad.

Crónico,la inflamación de bajo grado es una característica del envejecimiento, y casi todas las enfermedades crónicas tienen un componente inflamatorio (71). Una discusión completa de los efectos inmunológicos de la rapamicina está más allá del alcance de esta revisión, y el tema se ha tratado en otra parte (72). Es importante destacar que el fármaco tiene efectos tanto positivos como negativos sobre la inmunidad innata y adaptativa, con un resultado neto que es más complejo que la simple supresión inmunológica, como lo demuestra su capacidad para mejorar la inmunización de ratones de edad avanzada contra el virus de la influenza (25). Mecanismos dependientes de mTORC2-. A pesar de la alta especificidad de la rapamicina por mTORC1 durante el tratamiento agudo, la exposición crónica también puede inhibir mTORC2. Este efecto se observó por primera vez en ciertas líneas celulares cultivadas (73), y recientemente hemos demostrado que también ocurre in vivo en múltiples tejidos, incluidos el hígado, el músculo y el tejido adiposo (consulte la Figura 2). Actualmente no está claro si la inhibición de mTORC2 juega un papel en los efectos de prolongación de la rapamicina. Los ratones hembra que carecen de S6K1 y los ratones hembra Mtor plus /–Mlst8 plus /– aparentemente son longevos debido a deficiencias en la señalización dependiente de mTORC1-, pero los datos de C. elegans sugieren que la inhibición de mTORC2 también puede promover la longevidad ( 21, 74). Curiosamente, la extensión de la vida mediante la interrupción de mTORC1 en gusanos requiere skin-1 (el homólogo de NRF1/2 de mamíferos) y daf-16 (el homólogo de FOXO de mamíferos), ambos factores de transcripción que controlan los genes involucrados en defensas contra el estrés. Sin embargo, la extensión de la vida útil por la interrupción de rapamicina o mTORC2 solo requiere SKN-1. De acuerdo con el papel de las defensas generales contra el estrés en los beneficios de la rapamicina, tanto los gusanos como las moscas con función TOR alterada son resistentes al estrés, y se ha detectado la inducción de genes diana NRF1/2 y FOXO en el hígado de ratones tratados con rapamicina (2 mg /kg al día durante dos semanas) (20, 21).