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老化の生化学

● 老化は多細胞生物の宿命

● 老化の最大の特徴は、細胞数の減少と細胞機能の低下

● 遺伝子は細胞活動も老化も支配する

ヘイフリックの仮説(L. Hayflick)

体細胞には寿命がある

継代培養

集団倍化レベル(PDL; population doubling level)

ヒトの体細胞は約50PDL

1

細胞分裂の回数券は、種固有の遺伝子のなかにある

2

ヒトでは加齢1年ごとに約0.2PDL減少する

3

110歳

4

● 老化は重要臓器の機能低下による 5

6

● 早期老化症 7

● コケイン症候群：常染色体劣性遺伝DNA excision repair protein ERCC-6，ＥＲＣC-8の変異。”古典型”とされるコケイン症候群（CS）I型、出生時より症状が出現し、重症型とされるコケイン症候群(CS)II型（cerebro-oculo-facial syndrome(COFS),またはPena-shokeir 症候群II型としても知られる）、より軽症のコケイン症候群(CS)III型、そして色素性乾皮症-コケイン症候群（XP-CS）である。 CSI型は胎生期および出生直後の成長は正常であるが、２歳までに成長障害が出現

● ハッチンソン・ギルフォード・プロジェリア症候群（プロジェリア症候群）新生児期ないし幼年期に好発して、全身の老化が異常に進行する早老症疾患ヒト1番染色体上にあるラミンA (LMNA) 遺伝子の異常、核膜に異常を来たし老化を促進。老化の進行は、本症患者の1年間の老化が、健常者の10年間以上に相当する。

● ウエルナー症候群（成人型プロジェリア症候群）1904年、ドイツOtto Wernerが報告常染色体劣性遺伝病であり、ヒト8番染色体上のDNAヘリカーゼをコードするWRN単一遺伝子の異常が原因。染色体の安定性の維持や遺伝子修復に関与成人期以降に発症する。平均40-50歳で動脈硬化もしくは悪性腫瘍により死亡する。幼年期・思春期から発症する早老症

● 毛細血管拡張性失調症常染色体劣性遺伝。「毛細血管拡張性失調症変異」（ATM）遺伝子の変異。ATMは、DNA損傷、テロメアの不安定性、酸化ストレスに応答して、重要な細胞周期チェックポイントを活性化することによりゲノムの安定性を保つ働きをしている。

● 早期老化症（プロジェリア）の遺伝子

古典的な老化の学説

１．プログラム説 (program hypothesis)

２．エラー破局説 (error catastrophe hypothesis)

３．フリーラジカル説 (free radical hypothesis)

8

● 老化は変異で促進される：エラー破局説9

10

● DNA修復能と寿命

10

細胞には2種類の死がある：アポトーシスとネクローシス11

● 複製によるテロメアの短縮：寿命の回数券 12

（ＴＴＡＧＧＧ）ｎの反復配列：1回の分裂のたびに５‘末端が約５０ｂｐずつ直線的に減少する

寿命の回数券

13

● 不死化細胞はテロメラーゼ活性を獲得している

14

15DNA Damage Response

● 酸素の過剰は有害

17

● 活性酸素の消去系酵素と寿命21

● 活性酸素によるＤＮＡ損傷と寿命

18

22

● 過剰な運動は寿命を縮める 23

● 食事制限（Dietary Restriction)のみが寿命を延長させる

24

カロリー制限の効果を介在し、老化を制御する分子が明らかにされてきた

SIRT1 (silent information regulator T1; mammalian Sir2)・NAD+依存性のヒストン脱アセチル化/ADP-リボシル化酵素・酵母、ハエ、線虫の食事制限による寿命延長研究で見つかった

Sir2のホモログ・Sir2のコピー数を増やせば寿命が延長する・SIRT1-7のメンバーがファミリーを形成している・加齢に伴いSIRT1の発現が低下する・ヒストン、p53などの脱アセチル化を介して作用

SIRT1, SIRT3, SIRT6 が老化に重要

Haigis M. C., Guarente L. P. Genes Dev. 2006;20:2913-2921

SIRTファミリータンパク質は、標的タンパク質の脱アセチル化とADPリボシル化を介して作用する

SIRT1 regulation of mammalian physiology

Model of Sirtuin regulation and function

SIRT1・ improved genomic stability・enhanced metabolic efficiency・ no effect on longevity

SIRT3・dietary restriction・regeneration of hematopoietic

stem cells・mouse longevity

SIRT6・improved genomic stability・reduced NF-kappaB signaling・glucose homeostasis・IGF-1 signaling・mouse longevity

Cellular senescence （細胞老化）：新たな老化研究

老化細胞 (Senescent Cell)●休止期、最終分化した細胞とは異なる不可逆的な分裂停止をした細胞

通常の2倍の大きさで薄い細胞、lysosomeが大きい老化マーカー： senescence-associated β-galactosidase (SA β-gal) 陽性細胞

p53-p21経路が活性化p16INK4a (p16)-Rb経路が活性化成長因子、サイトカイン、プロテアーゼ等の(SASP; senescence-associated secretory pohenotype)を分泌

●主に、DNA Damage Response (DDR)で生じる: Senescence Response

●加齢に伴い、老化細胞(senescent cells)が増えてくる

●本来tumor suppression機構として考えられたが, SASPにより、chronic inflammation, tissue repair, tumor promotion,agingの原因とも考えられる

癌遺伝子の活性化 テロメア短小化 酸化ストレス

p53

p21Waf1/Cip1

Rb

p16INK4a

細胞周期停止 細胞老化

Cellular senescence pathways

(A)

p21

ACTB

p53

tra2β

4 si

RN

A

Phospho-RbRb

(B)

tra2β

siR

NA

cont

rol s

iRN

A

x200

(C)

0

0.5

1

1.5

2

Senescent(passage =34)

tra2 β4 mRNAp21 mRNA

Young(passage=21)

WI-38 cells

mR

NA

leve

ls (f

old

chan

ge)

Beta-galactosidase陽性細胞

Hallmarks of senescent cells.

Rodier F , Campisi J J Cell Biol 2011;192:547-556

p53-p21

炎症性サイトカイン等

Biological activities of cellular senescence.

Rodier F , Campisi J J Cell Biol 2011;192:547-556

●成長ホルモン（ＧＨ）/インスリン様成長因子１(IGF-1)の経路も老化を制御する可能性が指摘されている

“insulin and IGF-1 signaling” (IIS) pathwayの低下＝longevity・downstream effectors: AKT, mTOR, FOXOもlongevityに関与・FOXO1は制限食（ＤＲ）の抗腫瘍効果に関与・GH/IGF-1レベルは正常な老化の伴い低下する・IFG-1を極端に低下させると早老症を引き起こす

●Nutrient sensing・mTOR: 高アミノ酸濃度を感知

mTOR阻害剤（Rapamycin)はDR様の作用マウスの寿命を30％伸ばす

・AMPK：高AMPで低エネルギーを感知・SIRTs：高NAD+で低エネルギーを感知

AMPKとsirtuinsはIISやmTORと逆で高活性で寿命が延長する

その他の老化関連遺伝子

・p53-related protein p63

・mitotic checkpoint protein BubR1

・Hutchinson-Gilford progeria syndrome (HGPS) gene: lamin A

・carboxy terminus of HSP70-interacting protein (CHIP)

・Klotho

The hallmarks of aging

1. Genomic instability (DNA損傷と修復）

2．Telomere attrition （テロメア短縮）

３．Epigenetic alteration （エピジェネテイック変化）

4. Loss of proteostasis （タンパク質品質管理）

5. Dysregulated nutrient sensing （SIRT, IGF)

6. Mitochondrial dysfunction （ミトコンドリアの障害）

7. Cellular senescence （老化細胞）

8. Stem cell exhaustion （幹細胞の疲弊）

9. Altered intracellular communication (炎症反応）

1. Genomic instability (DNA損傷と修復）核DNA, ミトコンドリアDNA、核膜構造（ラミンA)

2. Telomere attrition （テロメア短縮）shelterin

3. Epigenetic alteration1) DNAメチル化、2) ヒストン修飾、3) クロマチン再構成

SIRT, histone acetylase inhibitor

4. Loss of proteostasis （タンパク質品質管理）

5. Dysregulated nutrient sensing（SIRT, IGF)

6. Mitochondrial dysfunction

7. Cellular senescence （老化細胞）

8. Stem cell exhaustion （幹細胞の疲弊）

9. Altered intracellular communication