ژن‌ها، پیری و طول عمر در انسان

بسیاری از داده‌های اپیدمیولوژیک نشان می‌دهند که یک مؤلفه خانوادگی قوی در طول عمر وجود دارد که عمدتاً توسط ژنتیک تعیین می‌شود و شماری از ارتباطات ممکن بین طول عمر و واریانت‌های آللی ژن‌ها، توصیف شده است. یکی از راهبردهای مؤثر برای دستیابی به درکی عمیق از ژنتیک طول عمر، مطالعه افراد صدساله است که بهترین نمونه از پیری موفق به شمار می‌روند. در این مطالعه، نتایج اصلی مربوط به ژن‌های هسته‌ای و همچنین ژنوم میتوکندریایی مرور شده است، با تمرکز بر تحقیقات انجام‌شده بر روی صدساله‌های ایتالیایی در مقایسه با افراد از کشورهای دیگر. این مطالعات نتایج جالبی در مورد بسیاری از «ژن‌های طول عمر» احتمالی ارائه کرده‌اند. با این حال، اختلافات زیادی گزارش شده است که احتمالاً به دلیل تعامل‌های خاص جمعیتی میان ژن‌ها و محیط است. رویکردهای جدید، از جمله مطالعات وسیع با استفاده از تکنیک‌های پردازش با توان بالا، به‌طور فوری مورد نیاز است تا محدودیت‌های مطالعات ارتباطی سنتی که بر تعداد محدودی از پلی‌مورفیسم‌ها انجام می‌شوند، برطرف شود و بتوان پیشرفت قابل‌توجهی در گشودن پیچیدگی‌های ژنتیکی ویژگی‌هایی مانند طول عمر انسان حاصل کرد.

کلیدواژه‌ها: پلی‌مورفیسم‌های ژنتیکی، پیری، طول عمر، صدساله‌ها، مطالعات ارتباطی، DNA میتوکندریایی

مقدمه
چندین سال پیش، هارمن نظریه رادیکال‌های آزاد پیری را پیشنهاد کرد، که اخیراً مجدداً مورد ارزیابی قرار گرفته و به عنوان یکی از نامزدها برای توضیح زیست‌شناسی پیری ارزشمند شناخته شده است. این نظریه ادعا می‌کند که پیری عمدتاً به دلیل استرس اکسیداتیو ایجاد می‌شود، هنگامی که تعادل کنترل‌شده بین مواد اکسیدکننده و آنتی‌اکسیدان‌ها از کنترل خارج شده و به نفع مواد اکسیدکننده تغییر کند.
مواد اکسیدکننده عمدتاً به عنوان محصولات جانبی متابولیسم هوازی طبیعی تولید می‌شوند، اما همچنین توسط سلول‌های فاگوسیت کننده و در طول پراکسیداسیون لیپیدها نیز ایجاد می‌شوند. این مواد، آسیب اکسیداتیو بر روی بسترهای مختلفی مانند اسیدهای نوکلئیک، لیپیدها و پروتئین‌ها القا می‌کنند.
سلول برای مقابله با تولید گریزناپذیر و طولانی‌مدت گونه‌های فعال اکسیژن (ROS)، به مجموعه‌ای از سیستم‌های آنتی‌اکسیدانی مجهز شده است. بر اساس نظریه هارمن، این فرضیه مطرح می‌شود که ژن‌هایی که محصولات آن‌ها بخشی از این سیستم‌های آنتی‌اکسیدانی هستند، تأثیر قابل توجهی بر پیری و طول عمر دارند.
در این مقاله، ما بر روی ژن‌های درگیر در سیستم‌های آنتی‌اکسیدانی و همچنین مسیرهای بیوشیمیایی که تحت تأثیر آسیب اکسیداتیو قرار می‌گیرند یا به آن حساس هستند، تمرکز خواهیم کرد. ما داده‌ها و فرضیه‌های موجود را، به‌ویژه در رابطه با مطالعات ارتباطی بر روی پلی‌مورفیسم‌های این ژن‌ها و پیری و/یا طول عمر انسان، مرور خواهیم کرد، و به‌طور خاص بر روی مطالعات انجام‌شده بر روی افرادی با طول عمر استثنایی مانند صدساله‌ها تمرکز خواهیم داشت، افرادی که انتظار می‌رود بیشترین سهم ممکن ژنتیک در طول عمر در آن‌ها مشاهده شود.

پارااکسوناز 1

در کشورهای غربی، علت اصلی بیماری و مرگ زودرس، بیماری‌های مرتبط با آترواسکلروز است. نشان داده شده، که گونه‌های فعال اکسیژن (ROS) در پاسخ‌های التهابی و هموستاز لیپیدی نقش دارند که در نهایت به توسعه آترواسکلروز منجر می‌شود. به‌ویژه، پراکسیداسیون لیپوپروتئین‌های با چگالی کم (LDL) و قابلیت پروتئین‌های مرتبط با لیپوپروتئین اکسید شده در تعدیل پاسخ‌های التهابی موضعی، به عنوان علت اصلی آترواسکلروز شناخته می‌شوند.

پارااکسوناز 1 (PON1) سرم انسانی یک A-استراز با فعالیت مشابه پراکسیداز است که بر سطح لیپوپروتئین‌های با چگالی بالا (HDL) حضور دارد و در پیشگیری از اکسیداسیون LDL نقش مهمی ایفا می‌کند . لازم به ذکر است که تحت شرایط استرس اکسیداتیو، HDL نیز به عنوان بستری برای پراکسیداسیون لیپیدی تبدیل می‌شود. کاهش HDL ناشی از این فرآیند، به عنوان یک عامل خطر مستقل برای آترواسکلروز محسوب می‌شود و اکسیداسیون آن‌ها نیز به‌طور قابل توجهی این خطر را افزایش می‌دهد. مشاهده شده است که PON1 قادر است فعالیت ضد آترواسکلروزی HDL را حفظ کند.

آزمایش‌های in vitro نشان داده‌اند که PON1 می‌تواند پراکسیداسیون لیپیدی LDL را مهار کرده و فسفولیپیدهای اکسید شده مشتق از LDL را غیرفعال کند. این موضوع می‌تواند به‌طور بالقوه میزان لیپیدهای اکسید شده دخیل در شروع آترواسکلروز را کاهش دهد. HDL به‌دست‌آمده از موش‌های knock-out برای PON1 نمی‌تواند از اکسیداسیون LDL در یک مدل هم‌کشت شبیه دیواره شریانی جلوگیری کند و ماکروفاژهای آن‌ها حاوی لیپیدهای اکسید شده بیشتری هستند و قابلیت بیشتری برای اکسید کردن LDL دارند. این موش‌ها نسبت به همتایان وحشی خود، به احتمال زیاد به دلیل افزایش استرس اکسیداتیو، مستعد ابتلا به آترواسکلروز هستند.

موش knock-out برای apoE (apoE -/-) به عنوان یک مدل شناخته شده برای توسعه ضایعات آترواسکلروزی مطرح است. موش double knock-out apoE - PON1  تمایل بیشتری به توسعه آترواسکلروز نسبت به موش single knock-out apoE  نشان می‌دهد که این موضوع نقش PON1 را در پیشگیری از این بیماری پیشنهاد می‌دهد. در مقابل، موش‌هایی که بیان بیش از حد PON1 دارند، در هر دو زمینه ژنتیکی وحشی و apoE در برابر آترواسکلروز محافظت می‌شوند .

به دلیل نقش PON1 در دفاع آنتی‌اکسیدانی، این ژن به عنوان یک ژن کاندید برای طول عمر در مجموعه‌ای از مطالعات ارتباطی مورد توجه قرار گرفته است . خانواده ژن‌های پارااکسوناز حداقل شامل سه عضو به نام‌های PON1، PON2 و PON3 است که در کروموزوم 7q21.3–22.1 قرار دارند . بیشترین پلی‌مورفیسم‌های مورد مطالعه ژن PON1 مربوط به جایگزینی یک آمینواسید در موقعیت 192 (گلوتامین-آرژنین) و در موقعیت 55 (لوسین-متیونین) در ناحیه کد کننده این ژن است. آلل‌ها در کدون 192 (آلل‌های Q و R) و 55 (آلل‌های L و M) در جایگاه PON1 به ترتیب با فعالیت آنزیمی و غلظت مرتبط هستند.

در سال‌های اخیر، واریانت‌های ژنی PON1 به‌طور گسترده مورد بررسی قرار گرفته‌اند، به‌ویژه برای نقش احتمالی آن‌ها در توسعه یا شدت بیماری عروق کرونر (CAD). از آنجایی که بیماری‌های قلبی-عروقی از بیماری‌های رایج مرتبط با سن هستند، این امکان وجود دارد که افراد با طول عمر استثنایی مانند صدساله‌ها که از بیماری‌های عمده مرتبط با سن از جمله CAD گریخته‌اند، در واریانت‌های پلی‌مورفیک خاصی از ژن PON1 غنی‌تر باشند. بنابراین، ما تغییرات ژنتیکی در جایگاه PON1 را در چنین افرادی بررسی کرده و تحلیل پلی‌مورفیسم‌های 192 و 55 PON1 را در یک نمونه شامل 579 فرد جوان ایتالیایی و 308 فرد صدساله ایتالیایی انجام دادیم.

ما دریافتیم که فراوانی آلل R، و در نتیجه حاملین R+ (افراد QR و RR)، از افراد جوان به سمت صدساله‌ها به‌طور قابل توجهی افزایش یافته است، که این امر مزیت بقای اندکی را برای افراد حامل آلل R در مقایسه با افراد حامل آلل Q فراهم می‌کند (OR 1.3، CI 1.04–1.6؛ p = 0.02). علاوه بر این، هنگامی که پلی‌مورفیسم 192 PON1  در موقعیت 55 بررسی شد، دریافتیم که در میان افراد R+، این پدیده ناشی از افزایش تعداد افرادی است که آلل M را در جایگاه کدون 55 حمل می‌کنند .

این نتایج به‌دنبال آن در یک گروه بزرگ ترکیبی از صدساله‌های ایتالیایی و افراد 80/90 ساله ایرلند شمالی و گروه‌های کنترل مربوطه با مجموع 1479 نفر تأیید شد. به‌ویژه، افزایش قابل توجهی در فراوانی حاملین R+ در میان صدساله‌های ایتالیایی و افراد 80/90 ساله ایرلند شمالی در مقایسه با گروه‌های کنترل جوان‌تر آن‌ها مشاهده شد (53.6 در مقابل 46.1 درصد، p = 0.004) [12،13] و تحلیل رگرسیون لجستیک در کل نمونه نشان داد که هنگام مقایسه آلل‌های R و Q، مزیت بقایی برای افراد 80/90 ساله و صدساله حامل آلل R وجود دارد (OR 1.3، CI 1.1–1.5؛ p = 0.007) .

در یک مطالعه اخیر، ما دریافتیم که در افراد با ریسک بالای ابتلا به بیماری‌های قلبی-عروقی مانند بیماران مبتلا به پرفشاری خون، فراوانی ژنوتیپ RR از PON1 192 در مقایسه با افراد غیرپرفشاری خون بیشتر است (به ترتیب 14.3 درصد در مقابل 5 درصد) .

این نتیجه ظاهراً با مطالعات قبلی ما که گزارش داده بودیم افراد با ژنوتیپ QR از PON1 192 احتمال بیشتری برای رسیدن به طول عمر دارند و فراوانی ژنوتیپ RR از PON1 192 در حدود فراوانی 9.4٪ در افراد با طول عمر بالا  مشاهده شده است. این یافته‌های متناقض می‌تواند با این فرضیه توضیح داده شود که ژنوتیپ RR از PON1 192 رفتار دو مرحله‌ای و متضاد دارد: این ژنوتیپ می‌تواند به‌عنوان یک عامل خطر برای پرفشاری خون و بیماری‌های قلبی-عروقی در سالمندان محسوب شود، اما به‌عنوان یک عامل محافظتی برای افراد 90 ساله و صدساله عمل کند. تنها تعداد کمی از مطالعات دیگر تأثیر واریاسیون ژن PON1 بر بقا در سنین بسیار بالا را مورد بررسی قرار داده‌اند.

هیجمَنس و همکاران، یک مطالعه جمعیت‌محور در مورد پلی‌مورفیسم‌های 192 و 55 PON1 در میان افراد 85 ساله و بالاتر با طراحی مقطعی و آینده‌نگر انجام دادند. این مطالعه نشان داد که تفاوتی در توزیع ژنوتیپ‌ها بین افراد سالمند و جوان وجود ندارد و خطر مرگ ناشی از تمامی علل و مرگ ناشی از بیماری‌های قلبی-عروقی در افراد سالمند با ژنوتیپ‌های LL یا RR از PON1 افزایش نیافته است.

مقاله بعدی منتشر شده توسط کریستینسن و همکاران تأثیر واریاسیون ژن PON1 بر مرگ‌ومیر را با استفاده از نمونه‌ای شامل 1932 فرد دانمارکی در سنین 47 تا 93 سال بررسی کرد. در این مطالعه، تفاوتی در توزیع ژنوتیپ و هاپلوتیپ بین گروه‌های سنی مختلف مشاهده نشد.

به‌تازگی، تان و همکاران  یک مدل تحلیل بقا جدید ارائه کردند که بقای جمعیت را با اطلاعات ژنوتیپ و فنوتیپ فردی در ارزیابی ارتباط ژنتیکی با طول عمر انسانی در مطالعات کوهورت ترکیب می‌کند. در این مطالعه، نویسندگان سه SNP در ژن انسانی PON1 (دو SNP در ناحیه کد کننده، آمینواسیدهای M55L و Q192R، و یک SNP در ناحیه پروموتر، C-107T) را بررسی کرده و ارتباط پلی‌مورفیسم‌های ژن PON1 با بقا در سنین بالا را در کوهورت زنان دانمارکی متولد 1905 که از 1998 تا 2005 پیگیری شده بودند، اندازه‌گیری کردند. به‌کارگیری این مدل جدید در داده‌های ژنوتیپی PON1 یک هاپلوتیپ (T-Q-L) را شناسایی کرد که خطر مرگ را به‌طور قابل توجهی کاهش داده و به این ترتیب نقش مهم واریاسیون ژنتیکی PON1 در ارتقاء بقا در سنین بالا را آشکار و برجسته می‌سازد.

تاکنون، چندین نویسنده پیشنهاد کرده‌اند که نقش ضد آترواسکلروزی آنزیم PON1، کاهش استرس اکسیداتیو در طول پیری و مقابله با اثرات مخرب آترواسکلروز است. بر همین اساس، فعالیت پارااکسوناز و آریل‌استراز در افراد مستعد به توسعه آترواسکلروز مانند بیماران مبتلا به دیابت نوع 1 یا 2، هایپرکلسترولمی خانوادگی، بیماری‌های کلیوی و CAD مورد بررسی قرار گرفته است. برای تمامی این پاتولوژی‌های مرتبط با سن، کاهش قابل توجهی در فعالیت پارااکسوناز مشاهده شده است. افزایش آترواسکلروز با افزایش سن ممکن است به دلیل افزایش حساسیت LDL و HDL به اکسیداسیون باشد .

به دلیل ارتباط تنگاتنگ بین PON1 و آترواسکلروز، برخی از مطالعات به بررسی نقش PON1 در فرآیند پیری پرداخته‌اند. در یک نمونه شامل 129 فرد سالم در سنین 22 تا 89 سال، سرس و همکاران دریافتند که فعالیت سرمی PON1 با افزایش سن به‌طور قابل توجهی کاهش می‌یابد، در حالی که فعالیت آریل‌استراز، غلظت آن و غلظت HDL با افزایش سن بدون تغییر باقی می‌ماند. علاوه بر این، HDL از افراد سالمند نسبت به HDL از افراد جوان حساسیت بیشتری به استرس اکسیداتیو نشان داد. نویسندگان نتیجه‌گیری کردند که توسعه شرایط استرس اکسیداتیو با افزایش سن می‌تواند تا حدی کاهش فعالیت PON1 را توضیح دهد. آن‌ها همچنین پیشنهاد کردند که عواملی که می‌توانند اثرات آترواسکلروز را جبران کنند، ممکن است دچار تغییر شوند.

به‌تازگی، ما نقش احتمالی ژنوتیپ‌ها و فنوتیپ‌های PON1 را در افراد سالمند بدون بیماری آشکار بررسی کرده و به‌ویژه بر روی افراد 90 ساله و صدساله تمرکز کردیم. در یک نمونه شامل 229 شرکت‌کننده در سنین 22 تا 104 سال، که به سه گروه جوان، سالمند و 90 ساله/صدساله تقسیم شدند، نقش ژنوتیپ‌های PON1، فعالیت پارااکسوناز، فعالیت آریل‌استراز و غلظت توده‌ای پارااکسوناز را در احتمال رسیدن افراد جوان و سالمند به سنین بسیار بالا ارزیابی کردیم. دریافتیم که فعالیت پارااکسوناز، فعالیت آریل‌استراز و فعالیت اختصاصی پارااکسوناز در افراد 90 ساله/صدساله به‌طور قابل توجهی کمتر از افراد سالمند و جوان بود. در مقابل، غلظت توده‌ای پارااکسوناز در گروه سالمند کاهش یافته و مجدداً در گروه 90 ساله/صدساله افزایش یافته بود.

این پارامترها همچنین در ارتباط با پلی‌مورفیسم‌های 192 PON1 و 55 PON1 مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفتند. این تحلیل نشان داد که کنترل ژنتیکی فعالیت پارااکسوناز در طول عمر، حتی در گروه افراد بسیار سالمند، حفظ می‌شود. این فعالیت میانگین مقادیر متفاوتی در میان حاملین R و M نشان داد، به‌طوری که حاملین R+ و M– دارای بالاترین سطوح فعالیت پارااکسوناز بودند. با استفاده از مدل رگرسیون لجستیک چندجمله‌ای همچنین نشان دادیم که هم فعالیت پارااکسوناز و هم حاملین R+ و M– به‌طور قابل توجهی در توضیح فنوتیپ طول عمر نقش دارند.

در مجموع، نتیجه گرفتیم که فعالیت و ژنتیک PON1 در طول عمر به‌طور عمیقی به هم مرتبط هستند و هر دو در طول عمر انسان نقش دارند.

ژن‌های آپولیپوپروتئین‌ها و پروتئین‌های مرتبط با متابولیسم لیپید

علاوه بر پروتئین‌های مرتبط با ذرات HDL مانند PON1، تعداد زیادی از مطالعات به بررسی نقش واریانت‌های آللی در ژن‌های کدکننده آپولیپوپروتئین‌ها (APOE، APOB، APOC1، APOC2، APOC3، APOA1 و APOa)، پروتئین‌های انتقال‌دهنده [پروتئین انتقال میکروزومی (MTP)، پروتئین انتقال استر کلسترول (CETP)] و فاکتورهای رونویسی درگیر در متابولیسم لیپید [گیرنده فعال‌شونده با تکثیرکننده پراکسی‌زوم گاما (PPARg)] در پیری و طول عمر پرداخته‌اند.

یکی از جایگاه‌هایی که بیشترین بررسی‌ها بر روی آن انجام شده است، جایگاه ژن آپولیپوپروتئین E (APOE) است. این جایگاه به نظر می‌رسد یکی از معدود جایگاه‌هایی باشد که برای آن در سطح جهانی در رابطه با ارتباط منفی با طول عمر اجماع حاصل شده است. در واقع، فراوانی بالاتر آلل APOE4 در افراد جوان در مقایسه با افراد مسن (هشتادساله‌ها، نودساله‌ها و صدساله‌ها) مشاهده شده است، به‌طوری که نتیجه‌گیری شده است حضور آلل APOE4 با کاهش طول عمر مرتبط است، احتمالاً به دلیل افزایش بروز بیماری‌های قلبی-عروقی و همچنین بیماری‌های نورودژنراتیو .

دانسته‌ها درباره سایر ژن‌های APO و پیری و طول عمر بسیار کمتر است (مرور شده توسط اردواس و موسر) . به‌ویژه، ما پلی‌مورفیسم‌های رایج APOB را در نمونه‌ای شامل 143 فرد صدساله از جنوب ایتالیا و یک نمونه کنترل شامل 158 فرد بررسی کردیم . ما دریافتیم که فراوانی آلل‌های 30APOB-VNTR با کمتر از 35 تکرار (کوچک، S) در صدساله‌ها به‌طور قابل توجهی کمتر از گروه کنترل است.

تحلیل بیشتر در هفت گروه سنی متفاوت (697 فرد از 10 تا 109 سال) نشان داد که تغییرات وابسته به سن در ژنوتیپ SS از 30APOB-VNTR وجود دارد. به‌ویژه، یک مسیر محدب در فراوانی هموزیگوت‌های SS مشاهده شد. فراوانی SS در مجموعه ژنوتیپ‌ها از گروه سنی 10–19 سال (3.06 ± 1.74%) به گروه سنی 40–49 سال (8.51 ± 4.07%) افزایش یافت، سپس کاهش یافته و به کمترین مقدار در صدساله‌ها رسید (1.58 ± 0.90%).

این مطالعه در نمونه‌ای از افراد دانمارکی تکرار شد و هیچ تفاوتی در فراوانی ژنوتیپ یا آلل‌ها بین صدساله‌ها و افراد 20–64 سال مشاهده نشد . علاوه بر این، رویکرد دموگرافیک-ژنتیک در دانمارکی‌ها یک تعامل معنی‌دار بین ژن و جنسیت مرتبط با آلل‌های بلند (بیش از 37 تکرار) را نشان داد. یافته‌های متفاوت در دانمارک و ایتالیا نشان می‌دهد که این ارتباطات بین پلی‌مورفیسم APOB و طول عمر به‌صورت جمعیت‌ویژه هستند و به شدت تحت تأثیر تاریخچه ژنتیکی و محیطی خاص هر جمعیت قرار دارند.

در مطالعات بعدی، ما دریافتیم که آلل‌های S میانگین مقادیر کلسترول تام سرم و LDL-کلسترول را کاهش می‌دهند، در حالی که آلل‌های M و L تأثیر قابل توجهی بر فنوتیپ لیپیدمی ندارند. بنابراین، آلل‌های S در بزرگسالان با محافظت در برابر آترواسکلروز کرونری و بیماری‌های مرتبط با آن سودمند خواهند بود، در حالی که در سالمندان، احتمالاً با کاهش کلسترول سرم به زیر یک آستانه بحرانی، خطرناک می‌شوند. این موضوع می‌تواند مسیر محدب فراوانی ژنوتیپ‌های SS مشاهده شده در گذشته را توضیح دهد.

مطالعات دیگری که بر روی آپولیپوپروتئین A1 (APOA1)، آپولیپوپروتئین C3 (APOC3) و آپولیپوپروتئین A4 (APOA4) انجام شده است که به‌صورت تاندومی در یک منطقه کوتاه در کروموزوم 11q23–q24 سازمان‌دهی شده‌اند، وجود یک MspI-RFLP در APOA1 (275 نوکلئوتید از محل شروع رونویسی) را نشان داده است که سطح LDL سرم را تعدیل می‌کند. به‌ویژه، آلل A سطح LDL-کلسترول سرم را کاهش می‌دهد، در حالی که آلل P آن را افزایش می‌دهد. به‌طور شگفت‌آور، آلل P در مردان صدساله بیشتر از مردان 46–80 سال مشاهده شده است. این یافته غیرمنتظره با این پیشنهاد توضیح داده شده است که این آلل می‌تواند در میانسالی خطرناک باشد، اما در سنین بسیار بالا نقش حفاظتی داشته باشد، و اثر یک جهش ممکن است به سن فیزیولوژیکی که جهش در آن عمل می‌کند بستگی داشته باشد.

در مورد ژن CETP، دو مطالعه مختلف اهمیت جمعیت‌های مورد بررسی را برجسته کرده‌اند. این ژن با حضور پلی‌مورفیسمی در کدون 405 (I405V) مشخص می‌شود و گزارش شده است که ژنوتیپ VV با طول عمر در یهودیان اشکنازی مرتبط است، اما در جمعیت ایتالیایی اینگونه نبوده است . این موضوع به نظر می‌رسد نشان دهد که طول عمر به یک پلی‌مورفیسم خاص از CETP مرتبط نیست، بلکه این پلی‌مورفیسم احتمالاً با سایر عوامل (مخزن ژنی، محیط، شانس) که از جمعیتی به جمعیت دیگر متفاوت هستند، تعامل دارد تا بتواند فنوتیپ “طول عمر” را تعیین کند یا نکند.

 

ApoJ

ApoJ برای اولین بار در سال 1983 به‌عنوان یک گلیکوپروتئین ترشحی که تجمع سلولی را به‌صورت in vitro افزایش می‌دهد، در مایع rete testis قوچ شناسایی شد (و به همین دلیل به آن Clusterin نام داده شد). در انسان، این پروتئین ابتدا از سرم خالص‌سازی شد و ژن کلون شده آن به دلیل شباهتش با سایر آپولیپوپروتئین‌های شناخته‌شده، CLI (مهارکننده سیتولیز مکمل) ، SP-40,40 (پروتئین ترشحی 40,40)  یا Apolipoprotein J (ApoJ)  نام گرفت.

مقایسه توالی‌های پروتئینی ApoJ در میان گونه‌های پستانداران، نشان‌دهنده میزان بالای حفاظت (حدود 70–85%) است، در حالی که تلاش‌ها برای کلون‌کردن همولوگ‌های آن در کرم یا مگس با استفاده از پرایمرهای خاص که نواحی حفاظت‌شده ژن را پوشش می‌دادند، منفی بوده است . این دو مشاهده به همراه توزیع گسترده آن در بافت‌های حیوانی و نبود مطالعاتی که پلی‌مورفیسم‌های عملکردی ApoJ را در انسان‌ها نشان دهند ، پیشنهاد می‌کنند که این پروتئین در مهره‌داران تکامل یافته است تا وظیفه‌ای با اهمیت بنیادی زیستی را انجام دهد.

پروتئین ApoJ به‌طور مداوم توسط تعداد زیادی از انواع سلولی از جمله سلول‌های اپی‌تلیال و نورونی ترشح می‌شود، در حالی که در سلول‌هایی که مسیر ترشح تنظیم‌شده اگزوسیتوزی دارند، ترشح آن وابسته به محرک‌های اگزوژن مناسب است (مرور شده در Trougakos و Gonos 2002) . با این حال، علیرغم تلاش‌های سیستماتیک و ترکیبی چندین گروه، عملکرد ApoJ همچنان مبهم باقی مانده است، که علت اصلی آن عملکردهای به‌طرز عجیبی متفاوت و معمولاً متضاد پیشنهاد شده در انواع مختلف سلولی و بافت‌ها است.

ما یک سیستم کلونی از رده‌های سلولی فیبروبلاست جنین موش صحرایی ایجاد کرده‌ایم که به‌طور شرطی نامیرا شده و پس از غیرفعال‌سازی آنتی‌ژن T ویروس SV40، وارد پیری سلولی می‌شوند  و ما Clusterin/Apolipoprotein J را به‌عنوان یک ژن مرتبط با پیری کلون کرده‌ایم . ما نشان داده‌ایم که CLU/ApoJ در طول پیری تکراری و پیری زودرس ناشی از استرس در بافت‌های مختلف پستانداران افزایش می‌یابد .

علاوه بر این، ما دریافتیم که CLU/ApoJ در طول پیری در شرایط in vivo و همچنین در چندین بیماری مرتبط با سن، مانند دیابت نوع II، انفارکتوس میوکارد یا بیماری عروق کرونر در سرم انسانی تجمع می‌یابد. همچنین ما اثرات CLU/ApoJ بر رشد و بقای سلولی را با استفاده از سه رده سلولی استئوسارکومای انسانی (OS) بررسی کردیم، زیرا این سلول‌ها سطوح درونی CLU/ApoJ متفاوتی را بیان می‌کنند و علاوه بر این، دارای زمینه‌های ژنتیکی متمایز و شناخته‌شده‌ای هستند.

با استفاده از بیان بیش از حد CLU/ApoJ از طریق یک ترانس‌ژن مصنوعی، دریافتیم که CLU/ApoJ خارج سلولی مرگ سلولی را در هر سه رده سلولی OS مورد آزمایش مهار می‌کند. جالب است که CLU/ApoJ درون‌سلولی اثرات متفاوتی بر تکثیر و بقای سلولی در این رده‌های سلولی دارد. رده‌های سلولی ترانس‌ژن KHOS که با سطوح متوسط CLU/ApoJ درون‌سلولی سازگار شده بودند، در برابر استرس ژنوتوکسیک و استرس اکسیداتیو مقاوم شدند، در حالی که رده‌های سلولی ترانس‌ژن SaOS و U2OS که با مقادیر بالای CLU/ApoJ درون‌سلولی سازگار شده بودند، نسبت به همان عوامل سایتوتوکسیک حساس بودند .

برای نتیجه‌گیری در مورد عملکرد اصلی CLU/ApoJ، از RNA های مداخله‌گر کوچک (siRNAs) برای خاموش‌سازی بیان ژن CLU/ApoJ استفاده کردیم. داده‌های ما نشان داد که خاموش‌سازی CLU/ApoJ منجر به کاهش قابل توجه رشد سلولی، افزایش نرخ آپوپتوز خودبه‌خودی درون‌زاد و کاهش کارایی چسبندگی سلول‌ها می‌شود. این اثرات در رده‌های سلولی با سطوح بالای CLU/ApoJ درونی افزایش یافته است. علاوه بر این، سلول‌های OS و سرطان پروستات با خاموش‌سازی CLU/ApoJ به‌طور چشمگیری نسبت به عوامل القاکننده آپوپتوز مختلف حساس شدند.

با بررسی سطح بیان چندین پروتئین درگیر در تنظیم آپوپتوز، دریافتیم که خاموش‌سازی CLU/ApoJ منجر به کاهش بیان مولکول ضد آپوپتوز bcl-2 می‌شود. در سلول‌های U2OS که p53 عملکردی دارند، خاموش‌سازی sCLU/ApoJ علاوه بر کاهش بیان bcl-2، با تجمع p53 و افزایش بیان افکتور پرو-آپوپتوزی پایین‌دست آن یعنی bax و مهارکننده سیکلین-دیپندنته کیناز p21 همراه است . در مجموع، نتایج ما نشان می‌دهد که CLU/ApoJ یک مولکول مرکزی در هموستاز سلولی است که عملکرد سیتوپروتکتیو قوی‌ای را اعمال می‌کند.

در مورد MTP، اخیراً پس از کشف اینکه یک منطقه از کروموزوم 4 با طول عمر استثنایی در قفقازی‌های ایالات متحده مرتبط است، توجه زیادی را به خود جلب کرده است . در این منطقه (4q25)، که حدود 50 ژن را در بر می‌گیرد، یک تحلیل SNP انجام شده و نشان داد که یک هاپلوتیپ دو-SNP از پروتئین انتقال میکروزومی (MTP) با طول عمر مرتبط است. با این حال، مطالعات بعدی نتوانستند این یافته‌ها در مورد 4q25 و MTP را تکرار کنند و یک متا-آنالیز، عدم وجود این ارتباط را تأیید کرد .

IGF-1 و مسیر IGF-1

هایپرگلیسمی می‌تواند از طریق مکانیسمی که تشکیل محصولات نهایی گلیکوزیلاسیون پیشرفته (AGEs) و فعال‌سازی PKC را ترویج می‌دهد، استرس اکسیداتیو را افزایش دهد . پس از تشکیل، ترکیبات AGE-پروتئین پایدار و عملاً غیرقابل برگشت هستند. علاوه بر این، در طول استرس اکسیداتیو، تشکیل AGEs به‌طور قابل توجهی افزایش می‌یابد . گلیکوزیلاسیون LDL علت ایجاد تغییر در ناحیه اتصال به گیرنده LDL محسوب می‌شود. این LDLهای گلیکوزیله که دیگر توسط گیرنده‌های LDL شناخته نمی‌شوند، به بستری برای ماکروفاژها تبدیل شده که تشکیل سلول‌های فومی را تحریک کرده و آترواسکلروز را ترویج می‌دهند. تعامل مونوسیت-ماکروفاژ با AGEs همچنین منجر به تولید میانجی‌هایی مانند اینترلوکین-1، فاکتور نکروز تومور-آلفا، فاکتور رشد مشتق از پلاکت و فاکتور رشد شبه‌انسولین I می‌شود که در پاتوژنز آترواسکلروز نقش محوری دارند .

از آنجا که IGF-1 تنظیم‌کننده مهم عملکرد انسولین از طریق تحریک انتقال گلوکز است، Paolisso و همکاران این مولکول را در صدساله‌ها بررسی کرده و کاهش سطوح پلاسمایی IGF-1 را همراه با عملکرد خوب انسولین در این افراد یافته‌اند  که این موضوع نشان می‌دهد پاسخ‌دهی به انسولین برای رسیدن به حد نهایی طول عمر انسانی بنیادی است . در مقابل، چندین مقاله گزارش کرده‌اند که سطوح پایین IGF-1 با پاتولوژی‌های قلبی-عروقی مرتبط است . همچنین، ما دریافتیم که در افراد سالمند، سطوح بالای این هورمون به‌ویژه برای عملکرد فیزیکی و حفظ قدرت عضلانی مفید است.

ظاهراً این نتایج اخیر با نتایج به‌دست‌آمده از صدساله‌ها که نشان می‌دهد کاهش IGF-1 با طول عمر مرتبط است، همخوانی ندارد. در واقع، این تناقض ظاهری می‌تواند با نظریه تکاملی پیری توضیح داده شود که بر اساس آن، بیان برخی ژن‌ها ممکن است در اوایل زندگی مفید باشد اما با افزایش سن مضر شود. در این حالت، سطوح بالای IGF-1 می‌تواند در جلوگیری از ناتوانی و شکنندگی در سالمندان مفید باشد، اما در مراحل بعدی زندگی (پس از سن 85 سالگی)، سطوح پایین IGF-1 می‌تواند با جلوگیری از توسعه و رشد سرطان به بقا کمک کند.

شواهد اخیر از زیست‌شناسی تکاملی نشان می‌دهد که در انواع مدل‌های آزمایشگاهی از بی‌مهرگان تا پستانداران (مخمر، کرم‌ها، مگس‌های میوه و جوندگان)، جهش در ژن‌هایی که با ژن‌های انسانی درگیر در مسیر پاسخ‌دهی به سیگنال انسولین/IGF-1 شباهت دارند، مسئول افزایش طول عمر هستند . بر اساس این ملاحظه و بر اساس یافته‌هایی که نشان می‌دهد پاسخ‌دهی به انسولین بر طول عمر انسان تأثیرگذار است، ما این فرضیه را آزمودیم که جایگاه‌های ژنومی انسانی که با ژن‌های تنظیم‌کننده مسیر انسولین در بی‌مهرگان مشابهت دارند، می‌توانند بر طول عمر انسان تأثیرگذار باشند .

به‌ویژه، ما پلی‌مورفیسم‌های IGF-1R (گیرنده نوع 1 فاکتور رشد شبه‌انسولین)، PI3KCB (فسفوانوزیتید 3-کیناز)، IRS-1 (بستر گیرنده انسولین-1) و FOXO1A و همچنین اثرات احتمالی آن‌ها بر سطوح پلاسمایی IGF-1 را بررسی کردیم. این ژن‌ها نماینده مولکول‌های کلیدی مسیر انسولین/IGF-1 هستند و فعال‌سازی متوالی آن‌ها یک سیگنال فعال‌سازی آبشاری ایجاد می‌کند. این مطالعه بر روی 496 فرد سالم قفقازی که به دو گروه بر اساس سن 85 سال تقسیم شده بودند، انجام شد.

یافته‌های اصلی این مطالعه نشان داد که سطوح پلاسمایی IGF-1 آزاد با افزایش سن کاهش می‌یابد و این سطوح تحت تأثیر پلی‌مورفیسم‌های IGF-1R و PI3KCB قرار می‌گیرد. پلی‌مورفیسم‌های بررسی شده شامل یک تغییر G به A در نوکلئوتید 3174 در اگزون 16 از IGF-1R و یک تغییر T به C در 359 جفت‌باز بالادست از کدون شروع PI3KCB بودند. مجدداً مشخص شد افرادی که حداقل یک آلل A در جایگاه IGF-1R دارند، سطوح پلاسمایی IGF-1 کمتری نسبت به سایرین دارند و این افراد در میان افراد با طول عمر بالا بیش از افراد جوان‌تر مشاهده می‌شوند.

مطابق با این موضوع، Holzenberger و همکاران نشان داده‌اند که غیرفعال‌سازی IGF-1R طول عمر را افزایش داده و مقاومت در برابر استرس اکسیداتیو در موش‌ها را افزایش می‌دهد . هنگامی که پلی‌مورفیسم‌های IGF-1R و PI3KCB با هم در نظر گرفته شدند، نتیجه جالب دیگری ظاهر شد؛ یعنی نسبت حاملان IGF-1R/PI3KCB A+/T+ در میان افراد با طول عمر بالا به‌طور قابل توجهی افزایش یافته بود.

به‌طور جالب، در مدل‌های حیوانی مانند C. elegans و M. musculus، کاهش تنظیم مسیر IGF-1 با افزایش طول عمر مرتبط است ، در حالی که سطوح بالای IGF-1 با کاهش طول عمر همراه است. علاوه بر این، محدودیت کالری سطوح پلاسمایی IGF-1 آزاد را کاهش می‌دهد  و نمی‌توان   رژیم غذایی خاص صدساله‌ها مشابه افرادی باشد که تحت محدودیت کالری متوسط قرار گرفته‌اند.

تا به امروز، این مطالعه اولین نشانه‌ای است که نشان می‌دهد در انسان نیز، پلی‌مورفیسم‌های ژن‌های تنظیم‌کننده مسیر IGF-1/انسولین بر طول عمر تأثیر می‌گذارند و به این فرضیه کمک می‌کنند که اثر مسیر IGF-1/انسولین بر طول عمر، خاصیتی است که در طول تکامل در سراسر قلمرو حیوانات حفظ شده است. مطالعات بیشتری که در جمعیت‌های اروپایی و ژاپنی انجام شده است، نتایجی مطابق با یافته‌های قبلی ارائه داده و شواهد بیشتری مبنی بر دخالت مسیر IGF-1 در طول عمر انسان فراهم کرده‌اند.

با در نظر گرفتن اینکه سطوح بالای IGF-1 گردش خون با قدرت عضلانی در سالمندان مرتبط است، می‌توانیم این فرضیه را مطرح کنیم که یک پدیده آنتاگونیستی پلیوتروپی در پیری و طول عمر در ارتباط با IGF-1 رخ می‌دهد. بر اساس چنین تفسیری، سطح بالای IGF-1 می‌تواند در سالمندان به‌عنوان یک عامل حفاظتی در برابر سارکوپنی مفید باشد اما هزینه آن افزایش خطر بروز سرطان خواهد بود. در مقابل، در سنین بسیار بالا و در صدساله‌ها، سطوح پایین IGF-1 مزیت بقا (کاهش بروز سرطان) ایجاد می‌کند، اما در این حالت هزینه آن شکنندگی جسمانی و از دست دادن توده و قدرت عضلانی خواهد بود.

علاوه بر این، جالب است که YTHDF2، ژنی که اخیراً در یک مطالعه بر روی 412 شرکت‌کننده ایتالیایی شامل 137 فرد صدساله با طول عمر مرتبط شناخته شده است و در اندام‌های مختلف اما عمدتاً در بیضه، جفت و پانکراس بیان می‌شود ، گزارش شده است که توسط غلظت بالای گلوکز تنظیم می‌شود (رجوع شود به GenBank شماره دسترسی AF192968 [85]). بنابراین، ارزشمند خواهد بود که فرضیه نقش احتمالی YTHDF2 در هموستاز کربوهیدرات و مسیر سیگنالینگ انسولین/IGF-1 مورد آزمون قرار گیرد.

 

ژن‌های سایتوکاین‌ها

گونه‌های فعال اکسیژن (ROS) مولکول‌های سیگنال‌دهنده برای انواع وسیعی از محرک‌های التهابی هستند و به‌عنوان پیام‌رسان‌های سیگنالی برای تکامل و تداوم فرآیند التهابی عمل می‌کنند، اما نسبتاً اطلاعات کمی در مورد رابطه بین استرس اکسیداتیو و تولید سایتوکاین‌های التهابی موجود است. استرس اکسیداتیو و سایتوکاین‌های پیش‌التهابی مسیرهای انتقال سیگنال مشترکی را تحریک می‌کنند که منجر به تقویت آبشار التهابی می‌شود، عمدتاً از طریق فعال‌سازی کینازهای فعال‌شونده با میتوژن (MAPK) و فاکتور هسته‌ای کاپاB (NFkB).

ROS می‌تواند فاکتورهای رونویسی فراگیر مانند NF-kB و AP-1 را فعال کرده و بیان مولکول‌های کموتاکتیک مونوسیتی را افزایش دهد که مسئول رویدادهای اولیه التهابی هستند و بیان ژن‌های سایتوکاین‌ها را بالا می‌برند. سایتوکاین‌ها به نوبه خود می‌توانند منجر به تشکیل نیتریک اکسید (NO) شوند که با سوپراکسید ترکیب شده و اکسیدان قوی پرواکسینیتریت را تشکیل می‌دهد و به این ترتیب یک چرخه معیوب ایجاد می‌شود.

به‌عنوان مثال، گزارش شده است که استرس اکسیداتیو تولید سایتوکاین پیش‌التهابی قوی یعنی فاکتور نکروز تومور آلفا (TNF-α) را افزایش می‌دهد؛ TNF-α تولید گلوتاتیون (GSH) که یک آنتی‌اکسیدان درون‌سلولی است را مختل کرده و منجر به ایجاد یک "حلقه" پاتوژنیک می‌شود. علاوه بر این، ROS می‌تواند آپوپتوز را در انواع مختلف سلولی از جمله سلول‌های التهابی انسانی تعدیل کند. از بی‌مهرگان تا انسان، پاسخ سلولی به انواع مختلف عوامل استرس‌زا شامل افزایش بیان میانجی‌هایی مانند ROS و سایتوکاین‌های پیش‌التهابی مانند اینترلوکین-1 (IL-1)، اینترلوکین-6 (IL-6) و TNF-α است و این نوع پاسخ سلولی در طول تکامل به‌طور زیادی حفظ شده است.

بر این اساس، پاسخ به استرس و التهاب می‌تواند به‌عنوان یک شبکه دفاعی تکاملی و محافظت‌شده یکپارچه در نظر گرفته شود و استرس اکسیداتیو می‌تواند پاسخ ایمنی و التهاب را با ایجاد تعادل در تولید سایتوکاین‌های پیش‌التهابی/ضد‌التهابی تعدیل کند. به‌ویژه، IL-6، TNF-α و IL-1 سایتوکاین‌های پیش‌التهابی پلیوتروپیک هستند که قادر به تنظیم تکثیر، تمایز و فعالیت انواع مختلف سلولی هستند. TGF-β1 یک سایتوکاین چند‌عملکردی است که تکثیر، تمایز و مهاجرت سلولی را تنظیم می‌کند و به‌عنوان یک مولکول ضد‌التهابی در نظر گرفته شده است. اینترلوکین-10 (IL-10) یک سایتوکاین قدرتمند است که تکثیر لنفوسیت‌ها و ترشح سایتوکاین‌های التهابی را مهار می‌کند.

به نظر می‌رسد پیری با تغییر به سمت پروفایل بیان سایتوکاین‌های پیش‌التهابی مرتبط است، همان‌طور که با افزایش سطح گردش خون سایتوکاین‌های پیش‌التهابی در افراد سالمند سالم نشان داده شده است، به‌عنوان نتیجه‌ای از تغییرات وابسته به سن در سیستم اندوکرین، متابولیسم سلولی و تنظیم ردوکس.

برای بررسی این موضوع که آیا مدل "التهاب-پیری" نه تنها در پیری بلکه در طول عمر انسان نیز اعمال می‌شود یا خیر، ما مجموعه‌ای از مطالعات بر روی این سایتوکاین‌ها در صدساله‌ها انجام دادیم. داده‌های به‌دست‌آمده از این مطالعات نشان داد که طول عمر با توانایی سلول‌ها در مقابله با انواع عوامل استرس‌زا، از جمله استرس اکسیداتیو و تعدیل پاسخ التهابی مرتبط است. علاوه بر این، نشان داده شده است که صدساله‌ها استرس اکسیداتیو کمتری نسبت به افراد 70–99 ساله دارند، که نشان می‌دهد کاهش مکانیسم‌های حفاظتی در برابر ROS در طول پیری می‌تواند منجر به آسیب اکسیداتیو بیشتری شود که برای طول عمر مضر است.

خلاصه اینکه، توانایی حفظ سطح پایین تولید سایتوکاین‌های پیش‌التهابی و توانایی محافظت خوب در برابر استرس اکسیداتیو برای رسیدن به حد نهایی طول عمر انسان در شرایط سلامت خوب مطلوب به نظر می‌رسد و می‌تواند تحت کنترل ژنتیکی باشد.

علاوه بر این، داده‌های اخیر نشان می‌دهد که افزایش سطح سایتوکاین‌های پیش‌التهابی مانند IL-6، IL-1 و TNF-α و کاهش تولید سایتوکاین‌های ضد‌التهابی مانند TGF-β1 و IL-10 در طول پیری، پس‌زمینه زیستی مساعد برای حساسیت به بیماری‌های عمده مرتبط با سن مانند سرطان، بیماری‌های قلبی-عروقی، مقاومت به انسولین، دیابت نوع 2 و بیماری آلزایمر ایجاد می‌کند و همچنین می‌تواند پیش‌بینی‌کننده‌های قوی کوتاه‌مدت مرگ‌ومیر مرتبط با بیماری‌های مزمن وابسته به سن باشد.

به‌طور کلی، داده‌های به‌دست‌آمده از تجزیه و تحلیل ژنتیکی ژن‌های کاندید در صدساله‌ها و در نمونه بیماران مبتلا به بیماری‌های عمده مرتبط با سن، این فرضیه را تأیید می‌کند که ژن‌های مرتبط با التهاب در طول عمر انسان و حساسیت به بسیاری از بیماری‌های وابسته به سن نقش دارند. مقالات زیادی ارتباط مثبت بین برخی مارکرهای پلی‌مورفیک ژن IL-6 و طول عمر گزارش کرده‌اند و توانایی تولید سطح پایین IL-6 در طول عمر به نظر می‌رسد برای طول عمر مفید باشد.

با این حال، به نظر می‌رسد که پلی‌مورفیسم IL-6 بر امید به زندگی در جمعیت ساردینیا و مردم جنوب ایتالیا تأثیر نمی‌گذارد، که نشان می‌دهد اثر پلی‌مورفیسم IL-6 بر طول عمر ممکن است جمعیت‌ویژه و وابسته به تعاملات ژن-محیط باشد.

توجه ویژه‌ای به دو سایتوکاین ضد‌التهابی یعنی TGF-β1 و IL-10 معطوف شده است. ما ارتباطی بین مارکرهای پلی‌مورفیک TGF-β1 و طول عمر انسانی گزارش کرده‌ایم. در این مطالعه، سطح پلاسمایی TGF-β1 فعال از نظر زیستی در گروه سالمندان به‌طور قابل توجهی افزایش یافته بود، بدون توجه به ژنوتیپ‌های TGF-β1.

ارتباط برخی پلی‌مورفیسم‌های IL-10 مانند T-819C، A-592C و A-1082G در پروموتر با سن در نمونه‌های جمعیتی مختلف ارزیابی شده است که نشان می‌دهد IL-10 ممکن است یک ژن کاندید مرتبط با پیری باشد. به‌ویژه، IL-10 و TNF-α نقش‌های پیچیده و متضادی دارند و به نظر می‌رسد یک حلقه خودتنظیم وجود داشته باشد. علاوه بر این، نقش هم‌افزایی آن‌ها در کنترل پاسخ‌های ایمنی-التهابی مطرح شده است و تعامل بین پلی‌مورفیسم‌های پروموتر TNF-α -308 و IL-10 -1082 مشاهده شده است.

در مقابل، هیچ پلی‌مورفیسم خاصی در خوشه ژنی IL-1 گزارش نشده است که مزیت بقا در دهه‌های آخر زندگی ایجاد کند و افزایش وابسته به سن مشاهده‌شده در سطح پلاسمایی IL-1Ra به نظر نمی‌رسد تحت کنترل ژنتیکی باشد. با این حال، مطالعات IL-6 و TNF-α نشان می‌دهد که سطح این مولکول‌های پیش‌التهابی تا حد زیادی به‌صورت ژنتیکی تعیین می‌شود، حتی در افراد سالمند، و بنابراین، شناسایی عوامل ژنتیکی درگیر در تنظیم این پروتئین‌ها به‌ویژه در بیماری‌های وابسته به سن مهم است.

اخیراً، ارتباطات زیادی بین تعداد زیادی از مارکرهای پلی‌مورفیک ژن‌های سایتوکاین و بروز و/یا پیش‌آگهی بیماری‌های مرتبط با سن مانند بیماری قلبی-عروقی، دیابت نوع 2، سرطان و بیماری آلزایمر گزارش شده است.

اثر افزایشی واریانت‌های ژن‌های سایتوکاین (IL-6 G174C) و سایر ژن‌های درگیر در مسیرهای متابولیکی مانند PPARg (Pro/Ala) بر تغییرات کل عوامل مرتبط با چاقی (BMI، مقاومت به انسولین، سطح تری‌گلیسرید و غیره) اخیراً گزارش شده است.

خلاصه اینکه، تعداد زیادی از مارکرهای ژنتیکی مرتبط با فنوتیپ پیش‌التهابی با بیماری‌های عمده مرتبط با سن مرتبط هستند و در صدساله‌ها کمتر دیده شده‌اند، در حالی که واریانت‌های ژنتیکی مرتبط با فعالیت ضد‌التهابی در صدساله‌ها بیشتر مشاهده شده‌اند و این موضوع تأیید می‌کند که تعادل بین مکانیسم‌های پیش‌التهابی و ضد‌التهابی در طول پیری تا حد زیادی تحت کنترل ژنتیکی است.

ژن‌های SOD و PARP

مطالعات انجام‌شده بر روی مدل‌های حیوانی  و بر روی افراد هشتاد و نود ساله  نشان داده‌اند که سطح آنتی‌اکسیدان‌های غیرآنزیمی در طول پیری کاهش می‌یابد، در حالی که بار اکسیداتیو سیستمیک در بزرگسالان مسن‌تر افزایش پیدا می‌کند . به همین دلایل، آنزیم‌های درگیر در غیرفعالسازی ROS («آنتی‌اکسیدان‌های آنزیمی») مانند سوپراکسید دیسموتاز (SOD) و آنزیم‌های درگیر در ترمیم آسیب‌های DNA ناشی از آسیب اکسیداتیو یا سایر استرس‌های ژنوتوکسیک مانند PARP (پلی (ADP-ریبوز) پلیمراز) تصور می‌شود که در کنترل نرخ فرآیند پیری نقش کلیدی داشته باشند و به‌طور گسترده در ارتباط با طول عمر مورد مطالعه قرار گرفته‌اند.

آنزیم‌های SOD تجزیه سوپراکسید به هیدروژن پراکسید و آب را کاتالیز می‌کنند و بنابراین تنظیم‌کنندگان مرکزی سطوح ROS هستند. SOD های مختلف تکامل یافته‌اند تا هر دو رادیکال سوپراکسید داخل‌سلولی و خارج‌سلولی که به‌عنوان محصولات جانبی اکسیداسیون متابولیکی تولید می‌شوند را غیرفعال کنند. سلول‌های پستانداران به‌ویژه دارای سوپراکسید دیسموتاز منگنز (Mn SOD/SOD2) هستند که در ماتریکس میتوکندری قرار دارد ، سوپراکسید دیسموتاز مس-روی‌دار (Cu/Zn SOD/SOD1) که عمدتاً در بخش‌های سیتوپلاسمی و هسته‌ای قرار دارد ، و SOD مس-روی‌دار که عمدتاً در بخش‌های خارج‌سلولی یافت می‌شود (EC SOD/SOD3) .

مشخص شده است که بیان بیش از حد Cu/ZnSOD و MnSOD طول عمر را در دروزوفیلا افزایش می‌دهد ، در حالی که جهش‌های حذف در این ژن‌ها به‌شدت بقای و طول عمر را در همان گونه کاهش می‌دهد  و تنها جهش MnSOD اثر شدیدی در موش‌ها دارد .

نقش آنتی‌اکسیدان‌های آنزیمی، به‌ویژه SOD، در پیری انسان توسط مطالعات مختلف بررسی شده است. فعالیت‌های آنزیمی SOD (Cu/Zn-SOD)، گلوتاتیون پراکسیداز، کاتالاز و گلوتاتیون ردوکتاز (GR) در اریتروسیت‌ها در یک مطالعه مقطعی  که بر روی 41 فرد صدساله دانمارکی و 52 فرد کنترل (با سن بین 60 تا 79 سال) انجام شد، تحلیل گردید. مشخص شد که فعالیت Cu/Zn-SOD در صدساله‌ها کاهش یافته است (به‌ویژه در صدساله‌هایی که کمترین ظرفیت عملکرد شناختی و فیزیکی را داشتند) و این نتیجه به‌عنوان کاهش نیاز به آنزیم در نرخ متابولیکی و مصرف اکسیژن کمتر تفسیر شد (در حالی که افراد با فعالیت بالای GR در میان صدساله‌ها بیشتر از حد انتظار بودند).

در مطالعه دیگری ، سطوح پلاسمایی آنتی‌اکسیدان‌های غیرآنزیمی (ویتامین C، اسید اوریک، ویتامین E، ویتامین A، کاروتنوئیدها، گروه‌های تیول تام) و فعالیت آنتی‌اکسیدان‌های آنزیمی در 32 فرد صدساله سالم، 17 فرد سالمند 80–99 ساله، 34 فرد سالمند 60–79 ساله و 24 فرد بزرگسال کمتر از 60 سال اندازه‌گیری شد. به‌ویژه، فعالیت SOD پلاسمایی، گلوتاتیون پراکسیداز پلاسمایی (GPX) و SOD گلبول قرمز (RBC) اندازه‌گیری گردید.

یک کاهش مداوم با افزایش سن در آنتی‌اکسیدان‌های غیرآنزیمی و افزایش همزمان فعالیت آنتی‌اکسیدان‌های آنزیمی در سه گروه سنی جوان‌تر مشاهده شد، اما در صدساله‌ها اینگونه نبود، که در عوض بالاترین سطوح ویتامین A و E و فعالیت‌های SOD گلبول قرمز و پلاسمایی را نشان دادند که این فعالیت‌ها نسبت به سایر گروه‌های سنی افزایش یا کاهش نیافته بود.

از نتایج این مطالعات می‌توان این فرضیه را مطرح کرد که پیری طبیعی احتمالاً با وضعیت پرو-اکسیدانی همراه است که با کاهش آنتی‌اکسیدان‌های غیرآنزیمی و افزایش جبرانی فعالیت آنتی‌اکسیدان‌های آنزیمی همراه می‌باشد، در حالی که صدساله‌های سالم پروفایل کاملاً متفاوتی را نشان می‌دهند، به‌طوری‌که سطوح بالای ویتامین A و E با فعالیت‌های طبیعی یا کاهش‌یافته آنتی‌اکسیدان‌های آنزیمی همراه است.

همچنین حساسیت کمتر سلولی به حمله رادیکال‌های آزاد در صدساله‌ها در مطالعاتی که تغییرات ترکیب غشای پلاسمایی در صدساله‌ها را بررسی کرده‌اند، پیشنهاد شده است. به‌طور کلی، این مطالعات پیشنهاد کرده‌اند که غشاهای اریتروسیت از افراد صدساله دارای ویژگی‌های متمایزی نسبت به افراد سالمند هستند که ممکن است به‌عنوان یک عامل محافظتی در برابر آسیب‌ها عمل کند .

 

سایر ژن‌هایی که محصولات آن‌ها دارای عملکرد آنتی‌اکسیدانی هستند شامل GSTT1 می‌شوند.

ژن GSTT1 عضوی از خانواده فوق‌ژن Glutathione-S-Transferase است که نه تنها در محافظت در برابر ROS بلکه در برابر زنو‌بیوتیک‌ها و مواد سرطان‌زای اگزوژن نیز نقش دارد [145]. ما پلی‌مورفیسم‌های ژن‌های CYP1A1، GSTT1 و GSTM1 را مطالعه کردیم و دریافتیم که صدساله‌ها نسبت به گروه‌های کنترل جوان‌تر، نسبت بیشتری از حذف ژن GSTT1 را دارند . مطابق با این موضوع، مشاهده شده است که حضور یک یا دو آلل از این ژن با افزایش مرگ‌ومیر مرتبط است .

استرس اکسیداتیو منجر به بسیاری از اثرات مخرب سلولی می‌شود که در میان آن‌ها، اثرات بر DNA بیشترین آسیب را به عملکرد سلولی وارد می‌کنند. استرس اکسیداتیو منجر به ایجاد شکستگی‌های تک‌رشته‌ای DNA شده و باعث فعال‌سازی آنزیم ترمیم DNA به نام پلی (ADP-ریبوز) پلیمراز (PARP) می‌شود. پلی (ADP-ریبوزیلاسیون) یک تغییر پساترجمه‌ای پروتئین‌ها است که عمدتاً توسط PARP-1 ، یک پروتئین هسته‌ای فراوان که به شکستگی تک‌رشته‌ای DNA (SSB) متصل می‌شود و تشکیل پلیمرهای پلی (ADP-ریبوز) را روی خود و سایر پروتئین‌های پذیرنده کاتالیز می‌کند (Lindahl و همکاران 1995)، کاتالیز می‌شود.

تشکیل پلیمرهای پلی (ADP-ریبوز) برای محافظت از DNA در برابر شکستگی‌ها و جذب پروتئین‌های ترمیم DNA به محل آسیب اهمیت دارد . PARP-1 همچنین در ترمیم بازسازی باز (BER) نیز درگیر است [153]. ظرفیت پلی (ADP-ریبوزیلاسیون) در سلول‌های خونی مونونوکلئر با طول عمر اختصاصی گونه در 13 گونه پستاندار همبستگی مثبت دارد  و تفاوت‌های مشاهده‌شده در ظرفیت کاتالیتیک ممکن است با تفاوت‌های توالی در پروتئین PARP-1 توضیح داده شود . به‌طور مشابه، ظرفیت پلی (ADP-ریبوزیلاسیون) سلول‌های لیمفوبلاستوئید انسانی با طول عمر اهداکنندگان مرتبط است . فعالیت PARP-1 به نظر می‌رسد نرخ رویدادهای بی‌ثباتی ژنومی ناشی از عوامل آسیب‌زننده به DNA را به‌طور دقیق تنظیم می‌کند .

با این حال، فعال‌سازی بیش‌ازحد PARP-1 می‌تواند منجر به مرگ سلولی شود (فرضیه خودکشی) و احتمالاً در انواع مختلف آسیب‌ها از جمله ایسکمی مغزی و قلبی، پارکینسونیسم ناشی از 1-methyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrahydropyridine، آسیب تروماتیک نخاع و دیابت القا شده با استرپتوزوتوسین دخیل است [158] و فرض شده است که PARP-1 می‌تواند واسطه مرکزی در تمام مکانیزم‌هایی باشد که از طریق آن‌ها هایپرگلیسمی منجر به اختلال عملکرد عروق در دیابت می‌شود . همچنین فرض شده است که PARPها ممکن است به‌عنوان تعدیل‌کننده‌های ضروری برنامه‌های رونویسی مرگ و بقا، سرنوشت سلولی را تنظیم کنند .

نتایج اخیر نشان می‌دهد که فعالیت PARP-1 ممکن است در سالمندان مختل شده باشد. به‌ویژه، نتایج یک مطالعه اخیر [160] نشان می‌دهد که افزایش سن با کاهش ظرفیت PARP-1 در ترمیم DNA از طریق BER همراه است که این موضوع احتمالاً به دلیل کاهش دسترسی زیستی یون‌های روی در سالمندان است. جالب است که این اختلال در PARP-1 در بیماران مسن مبتلا به عفونت (مراحل حاد و بهبودی از عفونت برونش‌پنومونی) تشدید می‌شود، اما در صدساله‌ها معکوس شده است، جایی که دسترسی زیستی خوب به یون‌های روی و ظرفیت بالاتر PARP-1 در ترمیم DNA از طریق BER مشاهده شده است .

تأثیر واریاسیون ژنتیکی ژن‌های PARP و SOD2 بر تغییرپذیری بین‌فردی طول عمر انسان در یک مطالعه ارتباطی [161] بررسی شده است که در آن یک پلی‌مورفیسم تکرار (gt)n در اگزون 1 از ژن PARP-1 و یک جایگزینی T/C (که والین 16 را به آلانین 16 تغییر می‌دهد) در ناحیه هدف‌گیری میتوکندری ژن SOD2 در دو گروه سنی شامل صدساله‌ها (109 نفر از شمال ایتالیا و 87 نفر از جنوب ایتالیا) و افراد کنترل جوان‌تر (از 10 تا 85 سال، 119 نفر از شمال ایتالیا و 239 نفر از جنوب ایتالیا) که از نظر جنسیت و منطقه جغرافیایی همسان‌سازی شده بودند، بررسی شد. نتایج این مطالعه نشان داد که این پلی‌مورفیسم‌ها بر تغییرپذیری بین‌فردی امید به زندگی تأثیر نمی‌گذارند.

دو مطالعه دیگر نیز نتایج منفی در مورد ارتباط احتمالی پلی‌مورفیسم‌های ژن PARP-1 و طول عمر انسان به دست آوردند. در اولین مطالعه، 437 نمونه DNA (239 صدساله و 198 کنترل) از نظر یک تکرار دینوکلئوتیدی پلی‌مورفیک واقع در ناحیه پروموتر ژن PARP-1 مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت اما هیچ غنی‌سازی معنی‌داری از هیچ یک از آلل‌ها یا ژنوتیپ‌های شناسایی‌شده در میان صدساله‌ها یا کنترل‌ها مشاهده نشد. در همان مطالعه، فعالیت PARP-1 تحریک‌شده توسط الیگونوکلئوتید در بیشترین مقدار در خطوط سلولی لیمفوبلاستوئید به‌طور معنی‌داری در صدساله‌ها (n=49) بالاتر از کنترل‌های جوان‌تر (n=51) بود.

مطالعه دوم  با تجزیه و تحلیل دو پلی‌مورفیسم تک‌نوکلئوتیدی در ژن PARP-1 در 648 نمونه DNA از یک جمعیت فرانسوی (324 صدساله و 324 کنترل) انجام شد و حتی در این مورد نیز تفاوت معنی‌داری در فراوانی ژنوتیپ مشاهده نشد. علاوه بر این، هیچ‌یک از ترکیبات ژنوتیپی در هیچ جایگاه پلی‌مورفیک مورد مطالعه با سطوح بالا یا پایین ظرفیت پلی (ADP-ریبوزیلاسیون) مرتبط نبود، که نشان می‌دهد تفاوت‌های مربوط به طول عمر در ظرفیت پلی (ADP-ریبوزیلاسیون) خطوط سلولی لیمفوبلاستوئید انسانی را نمی‌توان با پلی‌مورفیسم‌های ژنتیکی در توالی کدکننده PARP-1 که تاکنون مطالعه شده است، توضیح داد.

با این حال، شواهد تجربی به نظر می‌رسد نشان‌دهنده ارتباط بین پلی (ADP-ریبوزیلاسیون) و طول عمر در پستانداران باشد .

 

p53

ژن سرکوبگر تومور p53 (TP53، Trp53) یک ژن محوری در کنترل ترمیم DNA، چرخه سلولی، آپوپتوز و پیری سلولی است. به دلیل مشارکت گسترده آن در پدیده‌های زیستی که برای حیات و مرگ سلول بسیار حیاتی هستند، قابل تصور است که ژن p53 می‌تواند در پیری و طول عمر نیز دخیل باشد. مطابق با این موضوع، گزارش شده است که موش‌هایی با فعالیت افزایش‌یافته p53، مقاومت بیشتری در برابر سرطان، فنوتیپ پیری زودرس و طول عمر کاهش‌یافته نشان می‌دهند . کمبود کامل p53 منجر به کاهش چشمگیر امید به زندگی می‌شود که در این مورد ناشی از افزایش بروز سرطان در هر دو گونه موش  و انسان (بیماران Li-Fraumeni، ) است.

بنابراین p53 باید به‌عنوان یک ژن تضمین‌کننده طول عمر در نظر گرفته شود از این جهت که با محافظت در برابر سرطان‌ها در سنین جوانی از مرگ زودرس جلوگیری می‌کند، و در عین حال به‌عنوان یک ژن درگیر در پیری محسوب می‌شود، زیرا به نظر می‌رسد بیان آن در حالی که از سرطان محافظت می‌کند، موجب پیری ارگانیسم می‌شود. بر اساس این نتایج، ما به بررسی احتمال دخالت پلی‌مورفیسم‌های ژن p53 در پیری و طول عمر پرداختیم.

در واقع، مشخص است که ژن p53 شامل تعدادی پلی‌مورفیسم است که بیشترین مطالعه بر روی آن‌ها، ترانس‌ورژن G به C در کدون 72 در اگزون 4 است. این جهش منجر به تغییر آمینواسیدی در موقعیت 72 پروتئین از آرژنین به پرولین می‌شود . این جهش در ناحیه غنی از پرولین قرار دارد و تفاوت‌های بیوشیمیایی و زیستی متعددی را به دو ایزوفرم حاصل از p53 می‌دهد  و به‌ویژه در مورد آپوپتوز، آلل Arg پتانسیل آپوپتوزی بیشتری نسبت به آلل Pro دارد .

در مقابل، آلل Pro به نظر می‌رسد در توقف چرخه سلولی و پیری سلولی بسیار کارآمدتر باشد . جالب است که این تفاوت‌ها زمانی آشکارتر شد که سلول‌ها از افراد مسن و صدساله به‌دست آمدند . در جمعیت قفقازی، فراوانی آلل Arg حدود 70٪ و آلل Pro حدود 30٪ است . ما این پرسش را مطرح کردیم که آیا این پلی‌مورفیسم می‌تواند بر طول عمر تأثیر بگذارد یا خیر، و برای آزمون این فرضیه، مطالعه‌ای بر روی 1086 فرد ایتالیایی در سنین مختلف (از جوان تا سالمند، شامل 307 صدساله) انجام دادیم.

علاوه بر این ترانس‌ورژن G به C، دو پلی‌مورفیسم دیگر ژن p53 شامل درج/حذف 16 جفت‌بازی (Ins/Del) در اینترون 3 و جایگزینی C به T در اینترون 6 نیز بررسی شدند، و تفاوتی در توزیع فراوانی این پلی‌مورفیسم‌ها در گروه‌های سنی مورد مطالعه مشاهده نشد. ما نتیجه‌گیری کردیم که پلی‌مورفیسم‌های p53 تأثیری بر طول عمر ندارند .

در مقابل، van Heemst و همکاران گزارش کردند که در یک مطالعه بر روی 1226 نفر 85 ساله و بالاتر، افراد هموزیگوت Pro/Pro طول عمر بیشتری داشتند، با وجود آنکه مرگ‌ومیر ناشی از سرطان در این گروه 2.54 برابر افزایش یافته بود . نتیجه این مطالعه این بود که مزیت بقا ناشی از آلل Pro بر افزایش خطر ابتلا به سرطان غلبه می‌کند.

با این حال، اختلاف این نتایج با داده‌های دیگر  تردیدهایی را در مورد این نتیجه‌گیری کلی ایجاد می‌کند. خود نویسندگان اذعان دارند که این مطالعه ممکن است از نظر آماری توان کافی نداشته باشد و باید در جمعیت‌های دیگر تکرار شود. در واقع، ژنوتیپ Pro/Pro نادرتر است و بنابراین تعداد زیادی از نمونه‌ها برای به‌دست آوردن قدرت آماری قوی مورد نیاز است که احتمالاً توسط یک مطالعه واحد قابل دستیابی نیست. علاوه بر این، ممکن یا حتی محتمل است که اثرات مشاهده‌شده توسط تمام این مطالعات خاص جمعیت باشد.

به نظر ما، این دلیل اختلاف ظاهری نتایج است. بر اساس نتایج اولیه ما، این احتمال وجود دارد که پلی‌مورفیسم کدون 72 ژن p53 نه تنها بر سرطان، بلکه بر سایر بیماری‌های شایع مرتبط با سن نیز تأثیر بگذارد و مجموع جبری اثرات مثبت و منفی این بیماری‌های مختلف به صفر برسد، حداقل در جمعیت ایتالیایی، به‌طوری که در مطالعات انجام‌شده بر روی افراد ایتالیایی، توزیع فراوانی ژنوتیپ‌های کدون 72 p53 با افزایش سن تغییر نکند، اما در جمعیت‌های دیگر (از نظر قومی متفاوت)، این توزیع ممکن است تغییر کند، جایی که مجموع جبری این اثرات متفاوت است.

در نتیجه، پلی‌مورفیسم کدون 72 p53 به نظر می‌رسد بر طول عمر تأثیر بگذارد و این اثر ممکن است خاص جمعیت بوده و احتمالاً به تعامل با ذخیره ژنی و شرایط محیطی وابسته باشد.

 

mtDNA و طول عمر انسان

میتوکندری‌ها اندامک‌هایی با عملکرد نیمه‌خودگردان هستند که برخی فرآیندهای حیاتی سلولی مانند متابولیسم لیپیدی، چرخه اسید سیتریک و زنجیره تنفسی متصل به فسفریلاسیون اکسیداتیو (OXPHOS) که تقریباً ۹۰٪ آدنوزین تری‌فسفات (ATP) سلولی را تولید می‌کند، در آن‌ها رخ می‌دهد . میتوکندری‌ها همچنین دارای یک ژنوم کوچک به نام DNA میتوکندریایی (mtDNA) هستند که تنها مخزن اطلاعات ژنتیکی خارج از هسته محسوب می‌شود.

mtDNA انسانی یک ژنوم دایره‌ای دو رشته‌ای با طول 16,569 جفت باز است که شامل 37 ژن است که 13 پروتئین (که همگی اجزای ضروری زنجیره تنفسی هستند)، 22 tRNA و 2 rRNA را کد می‌کنند؛ این ژنوم در هر سلول در صدها تا هزاران نسخه وجود دارد و تنها از طریق وراثت مادری به‌صورت یک واحد غیرترکیبی منتقل می‌شود . نرخ جهش mtDNA حدود ده برابر بیشتر از ژنوم هسته‌ای است زیرا mtDNA به دلیل نزدیکی زیاد به محیط اکسیداتیو موجود در میتوکندری‌ها، بسیار بیشتر از ژنوم هسته‌ای در معرض آسیب ناشی از ROS قرار دارد . علاوه بر این، mtDNA فاقد حفاظت مشابه هیستون است و سیستم‌های ترمیم DNA کم‌کارآمدتری دارد، که منجر به تجمع جهش‌های مختلف در بافت‌های میتوتیک و پسامیتوتیک  می‌شود.

با این وجود، شواهدی وجود دارد که mtDNA در کمپلکس‌های پروتئین-DNA به نام نوکلئوئیدهای میتوکندریایی (mt nucleoid) بسته‌بندی شده است که در سلول‌های انسانی به‌صورت نقاط کروی دیده می‌شوند . در میان پروتئین‌هایی که با mtDNA در نوکلئوئیدهای میتوکندریایی تعامل دارند، برخی دارای عملکردهای شناخته‌شده مرتبط با تعاملات mtDNA هستند و برخی دیگر ناشناخته‌اند. در پستانداران، در میان پروتئین‌های موجود در نوکلئوئیدهای mtDNA، عواملی مرتبط با تکثیر و رونویسی mtDNA مانند TFAM، Twinkle، mtSSB، پلی‌مراز گاما، BRCA1، PRSS15 (LON) و دیگرانی که در چرخه TCA درگیرند مانند آکونیتاز وجود دارند . می‌توان نقش حفاظتی این پروتئین‌ها در برابر آسیب ROS بر mtDNA را فرض کرد.

تجمع جهش‌ها در mtDNA همراه با شواهد قوی از کاهش ظرفیت OXPHOS میتوکندری‌ها با افزایش سن در انواع بافت‌ها مانند عضلات اسکلتی، قلب، مغز، کبد و سایر اندام‌ها  از «نظریه میتوکندریایی پیری»  که توسعه‌ای از نظریه اصلی «رادیکال آزاد اکسیژن پیری» ارائه‌شده توسط Harman است ، پشتیبانی می‌کند. این نظریه بیان می‌کند که تجمع جهش‌ها در mtDNA و به دنبال آن اختلال عملکرد میتوکندری، از عوامل اصلی پیری و بیماری‌های نورودژنراتیو مرتبط با سن هستند.

در سال 2002، Lin و گروهش دریافتند که mtDNA استخراج‌شده از مغز افراد مسن دارای حجم تجمعی بالاتری از جهش‌ها نسبت به mtDNA مغز افراد جوان‌تر است . با این حال، به گفته برخی محققان، هنوز جهش‌های نقطه‌ای خاص mtDNA که مسئول نقص‌های مشاهده‌شده در پیری و بیماری‌های مرتبط با سن هستند، شناسایی نشده‌اند.

اخیراً جهش‌های سوماتیک در ناحیه کنترل (CR) mtDNA با پیری مرتبط دانسته شده‌اند . جهش‌های A189G و T408A در عضله اسکلتی با افزایش سن تجمع می‌یابند ، در حالی که جهش C150T در گلبول‌های سفید خون و فیبروبلاست‌های پوستی صدساله‌ها نسبت به افراد جوان و سالمند در جمعیت ایتالیایی بیشتر مشاهده شده است . با این حال، ارتباط بین تجمع جهش‌های سوماتیک، پیری و طول عمر همچنان مورد بحث است .

اخیراً یک مدل موشی برای درک این موضوع ایجاد شده است که آیا تجمع جهش‌های mtDNA علت پیری است یا نتیجه آن. در این مدل، حیواناتی که نسخه فاقد proofreading از پلی‌مراز گاما mtDNA را بیان می‌کنند، جهش‌های mtDNA را تجمع داده و ویژگی‌های پیری تسریع‌شده را نشان می‌دهند . شگفت‌آور است که در این موش‌های جهش‌یافته mtDNA افزایش استرس اکسیداتیو مشاهده نمی‌شود . بر اساس این نتایج، می‌توان فرض کرد که توانایی حفظ یکپارچگی mtDNA و جلوگیری از تجمع جهش‌های mtDNA احتمالاً ویژگی مرتبط با طول عمر است. با این حال، این مدل واقعاً پیری طبیعی را شبیه‌سازی نمی‌کند بلکه بیشتر به‌عنوان نوعی "بیماری ژنتیکی" در نظر گرفته می‌شود، زیرا موش‌های جهش‌یافته بیشتر در بافت‌های با نرخ تجدید بالا جهش‌ها را تجمع می‌دهند تا بافت‌های پسامیتوتیک، و نویسندگان پیشنهاد می‌کنند که فنوتیپ حاصل ممکن است به دلیل خستگی سلول‌های بنیادی باشد، پدیده‌ای که هنوز در پیری فیزیولوژیک ثابت نشده است، جایی که محیط "قدیمی" نقش حیاتی در عملکرد سلول‌ها ایفا می‌کند (برای بحث بیشتر، به Santoro و همکاران  مراجعه کنید).

جالب است که یافته‌های اخیر توسط Sato و همکاران نشان می‌دهد که پدیده‌های تکمیل میتوکندریایی وجود دارند. آن‌ها پیشنهاد می‌کنند که میتوکندری‌ها می‌توانند مولکول‌های mtDNA و محصولات آن‌ها را به اشتراک بگذارند تا از بیان فرم‌های جهش‌یافته بیماری‌زا mtDNA جلوگیری کنند. فرض می‌شود که اختلاط آزاد اجزای ژنتیکی میتوکندریایی در سراسر شبکه میتوکندری می‌تواند از بیان مستقیم نقص‌های تنفسی ناشی از تجمع جهش‌های mtDNA جلوگیری کند. اگر این یافته نوآورانه تأیید شود، نظریه میتوکندریایی پیری به چالش کشیده شده و نقش میتوکندری در پیری و طول عمر مورد بازبینی قرار خواهد گرفت.

علاوه بر جهش‌های سوماتیک، mtDNA دارای تغییرپذیری توالی ارثی یا بین‌فردی نیز هست. مطالعات بر روی تغییرات mtDNA در جمعیت‌های انسانی جهش‌های خاصی را شناسایی کرده‌اند که فرض بر این بود که خنثی هستند و بنابراین از حذف توسط انتخاب طبیعی جلوگیری شده و از طریق رانش ژنتیکی غالب شده‌اند. این فرض توضیح می‌دهد که چگونه جهش‌هایی که هزاران سال پیش رخ داده‌اند، امروزه با فراوانی بالا حضور دارند و گروه‌هایی از هاپلوگروپ‌های mtDNA مرتبط با هم (به نام هاپلوگروپ‌ها) ایجاد می‌کنند که مجموعه‌ای خاص از سایت‌های پلی‌مورفیک پایدار را به اشتراک می‌گذارند .

با این حال، یافته‌های اخیر در مورد توزیع خاص جمعیتی و قاره‌ای این هاپلوگروپ‌ها، نشان داده است که این واریانت‌ها ممکن است به اندازه‌ای که قبلاً تصور می‌شد، خنثی نباشند، بلکه متابولیسم میتوکندریایی را تحت تأثیر و تعدیل قرار دهند، به‌طوری‌که عواملی مانند اقلیم، غذا یا در دسترس بودن اکسیژن می‌توانند آن‌ها را انتخاب کنند . اگر این فرضیه صحیح باشد، قابل تصور است که تغییرپذیری ارثی mtDNA می‌تواند بر انواع فنوتیپ‌ها از جمله پیری، طول عمر و بیماری‌های مرتبط با سن تأثیر بگذارد. مطابق با این موضوع، تجزیه و تحلیل هاپلوگروپ‌های mtDNA در حال حاضر بینش‌های جدیدی در ارتباط واریانت‌های ارثی mtDNA با چندین بیماری نورودژنراتیو مانند بیماری پارکینسون و آلزایمر فراهم کرده است .

در مورد پیری، مشاهده شده است که در مردان صدساله از شمال ایتالیا هاپلوگروپ J mtDNA بیشتر دیده می‌شود  که نشان‌دهنده نقش حفاظتی این واریانت mtDNA در برابر پیری است. با این حال، هنگامی که یک جمعیت بزرگ از جنوب ایتالیا مورد مطالعه قرار گرفت، هیچ ارتباطی بین هاپلوگروپ J و طول عمر یافت نشد. در مجموع، این نتایج بار دیگر از این ایده پشتیبانی می‌کنند که تأثیر واریانت‌های ارثی mtDNA بر طول عمر خاص جمعیت بوده و به شدت به تعامل با محیط وابسته است.

این مشاهده در دو مطالعه اروپایی دیگر  و در صدساله‌های ژاپنی تأیید شده است، جایی که یک زیرشاخه از هاپلوگروپ D بیشتر دیده شده است . علاوه بر این، مشخص شده است که ژن سیتوکروم b در mtDNA صدساله‌ها دارای واریانت‌های ارثی متفاوتی از واریانت‌های یافت شده در بیماران پارکینسون است . بنابراین، داده‌های موجود از این فرضیه حمایت می‌کنند که دودمان‌های mtDNA از نظر کیفی با یکدیگر متفاوت هستند، جهش‌هایی را حمل می‌کنند که می‌توانند عملکرد میتوکندریایی را تغییر دهند و در نتیجه بر احتمال رسیدن به طول عمر بالا و جلوگیری از بیماری‌ها تأثیر بگذارند. در این رابطه، گزارش شده است که میتوکندری‌هایی با mtDNA متعلق به هاپلوگروپ‌های H و T تفاوت معنی‌داری در فعالیت کمپلکس‌های I و IV زنجیره تنفسی در سلول‌های اسپرم نشان داده‌اند .

ما اخیراً داده‌های in vitro در یک مدل خطوط سلولی سایبری به‌دست آورده‌ایم که نشان می‌دهد هاپلوگروپ‌های mtDNA می‌توانند بر بیان ژن‌های سایتوکاین و گیرنده‌های سایتوکاین تأثیر بگذارند و این موضوع نشان می‌دهد که یک تعامل متقابل بین ژنوم میتوکندریایی و هسته‌ای وجود دارد و هاپلوگروپ‌های mtDNA به‌صورت متفاوتی بیان ژن‌های هسته‌ای را تنظیم می‌کنند .

پروتئازوم و ایمونوپروتئازوم

پیری با تجمع پروتئین‌های اکسیدشده مشخص می‌شود، پروتئین‌هایی که به‌طور طبیعی توسط پروتئازوم تجزیه می‌شوند. علاوه بر افزایش استرس اکسیداتیو، این تجمع می‌تواند ناشی از اختلال در عملکرد پروتئازوم 20S در سلول‌های پیر باشد. برای آزمون اهمیت این پدیده در پیری و طول عمر انسان، ما بیان و فعالیت پروتئولیتیک پروتئازوم را در سلول‌های صدساله‌ها مورد بررسی قرار دادیم. تحلیل سطح بیان RNA چندین زیرواحد پروتئازوم، اندازه‌گیری فعالیت یک پپتیداز و شناسایی پروتئین‌های اکسیدشده نشان داد که سلول‌های صدساله‌ها عملکرد پروتئازومی حفظ‌شده‌ای دارند .

علاوه بر این، مشخص شد که سلول‌های صدساله‌ها در هر سه آزمون ویژگی‌هایی مشابه سلول‌های جوان‌تر، و نه اهداکنندگان مسن‌تر گروه کنترل، نشان می‌دهند. سپس به بررسی دخالت احتمالی واریانت‌های ژنتیکی زیرواحدهای ایمونوپروتئازوم در پیری و طول عمر پرداختیم. ایمونوپروتئازوم واقعاً یک کمپلکس حیاتی برای پردازش آنتی‌ژن‌ها و ارائه MHC-I است. بنابراین ما پلی‌مورفیسم‌های ژن‌های LMP-2، LMP-7 و MECL-1 را که بیان آن‌ها برای مونتاژ ایمونوپروتئازوم ضروری است، بررسی کردیم.

یک تغییر جفت‌باز غیرمحافظه‌کارانه در موقعیت اسید آمینه 60 (در اگزون 3) در ژن LMP2 که منجر به دو آلل آرژنین (R) یا هیستیدین (H) می‌شود، با بیماری‌های خودایمنی مختلف مرتبط بوده است، اما با پیری ارتباطی نداشته است . با این حال، قابل توجه است که یک مدولاسیون در فعالیت پروتئازوم وابسته به پلی‌مورفیسم R60H در LMP2 در بافت‌های به‌دست‌آمده از افراد سالمند (مغز و خون) مشاهده شده است .

به‌ویژه، مدولاسیون آپوپتوز القا‌شده توسط TNF-α در سلول‌های هسته‌دار خون محیطی (احتمالاً به واسطه تخریب IkB-α توسط پروتئازوم‌ها) تنها در افراد سالمند قابل تشخیص بود و در نمونه‌های افراد جوان وجود نداشت. این نتایج نشان می‌دهد که اثر پلی‌مورفیسم وابسته به بافت و وابسته به سن است. در یک مطالعه اخیر، ما پیشنهاد کردیم که اسید آمینه 60 در LMP2 در یک شیار اتصال فرضی برای یک مولکول تنظیم‌کننده قرار دارد که قادر به افزایش فعالیت پروتئازوم 20S است.

به‌طور کلی، داده‌ها نشان دادند که فعالیت/بیان چنین پروتئین فرضی باید به‌طور دقیق تنظیم شود و می‌تواند بر اساس عوامل مختلفی مانند بافت مورد تجزیه‌وتحلیل و سن فرد متفاوت باشد. علاوه بر این، محل تنظیمی فرضی در ایمونوپروتئازوم پیش‌بینی شده است و هیچ داده‌ای درباره ایزوفورم ساختاری پروتئازوم موجود نیست. از این رو، ما تمایل داریم که حدس بزنیم افزایش محتوای ایمونوپروتئازوم در طول پیری در بافت‌های خاصی مانند مغز انسان  می‌تواند توانایی مدولاسیون مولکول تنظیم‌کننده فرضی/پیش‌بینی‌شده و در نتیجه اهمیت پلی‌مورفیسم کدون 60 LMP2 را بر کل فعالیت پروتئازوم افزایش دهد.

با این حال، در سلول‌هایی مانند فیبروبلاست‌ها که مستقیماً در پردازش آنتی‌ژن دخیل نیستند، اخیراً گزارش شده است که سطح زیرواحدهای ایمونوپروتئازوم کاهش نمی‌یابد اما القای آن‌ها توسط IFN-γ در سلول‌های پیر از دست می‌رود .

 

نتیجه‌گیری‌ها

یک مجموعه چشمگیر و منسجم از داده‌های اپیدمیولوژیک در جمعیت‌های مختلف (آمریکایی‌های نیو انگلند، مورمون‌ها، یهودیان اشکنازی، ایسلندی‌ها، ژاپنی‌های اوکیناوا، ایتالیایی‌ها، ایرلندی‌ها، هلندی‌ها و دیگران) نشان‌دهنده وجود یک مؤلفه خانوادگی قوی در طول عمر است. این مطالعات نشان می‌دهند که والدین، خواهر و برادرها و فرزندان افراد با طول عمر بالا (اما نه همسران این افراد که بیشتر طول عمر بزرگسالی خود را با آن‌ها گذرانده‌اند) دارای مزیت بقا قابل‌توجه، احتمال بالاتر برای طولانی‌عمر شدن و ریسک کمتر ابتلا به بیماری‌های مهم مرتبط با سن، مانند بیماری‌های قلبی-عروقی و مغزی-عروقی، دیابت و سرطان هستند، در مقایسه با گروه‌های کنترل مناسب .

بنابراین، طول عمر در نسل‌های مختلف یک خانواده با وجود تغییرات گسترده در سبک زندگی و امید به زندگی در قرن گذشته دیده می‌شود و این موضوع به‌شدت نشان می‌دهد که این ویژگی خانوادگی تا حد زیادی توسط ژنتیک تعیین می‌شود. از طرف دیگر، بسیاری از مدل‌های آزمایشی نشان داده‌اند که تغییر حتی یک ژن می‌تواند پیری یا طول عمر حیوانات را به‌شدت تغییر دهد.

در سال‌های اخیر، تعداد زیادی از مطالعات با هدف شناسایی این مؤلفه ژنتیکی در طول عمر انسان انجام شده است، به‌ویژه با جستجوی ژن‌هایی که واریانت‌های آن‌ها با افزایش (یا کاهش) طول عمر مرتبط باشد. رویکردهای متفاوتی استفاده شده‌اند، مانند مطالعات ارتباطی، مطالعات مورد-شاهدی، مطالعات اپیدمیولوژیک و مطالعات طولی بر روی گروه‌های سالمندان، در تلاش برای یافتن ژن‌ها یا واریانت‌های ژنی که با طول عمر (یا برعکس، با پیری یا بیماری‌های مرتبط با سن) در انسان ارتباط داشته باشند.

با این حال، مطالعات انسانی با مشکلات اجتناب‌ناپذیری روبه‌رو هستند که نتایج حاصل از این مطالعات را نسبت به مدل‌های حیوانی با کنترل دقیق، «مبهم‌تر» می‌کند، زیرا در این مدل‌ها متغیرهایی مانند سبک زندگی، شرایط محیطی، مخازن ژنی و غیره به حداقل می‌رسند. به‌طور پارادوکسیک، این موضوع همچنین نقطه قوت مطالعات انسانی است، زیرا این مطالعات از محدودیت‌های ذاتی ناشی از شرایط «مصنوعی» که حیوانات در مطالعات بیوجرونتولوژیک برای بررسی تعیین‌کننده‌های طول عمر در آن‌ها قرار می‌گیرند، رنج نمی‌برند.

مثال واضح در این زمینه، مطالعات در مورد پیری سیستم ایمنی و نقش ایمنی‌سنی در شروع بیماری‌های مرتبط با سن است. مطالعات بر روی انسان‌ها، به‌ویژه صدساله‌ها، به‌وضوح پیش‌بینی‌کننده مجموعه‌ای از مشاهدات کلیدی بوده‌اند، مانند شکل‌گیری تدریجی یک وضعیت التهابی مزمن خاص که ما پیشنهاد کردیم آن را «التهاب-پیری» (inflammaging) بنامیم، تجمع سلول‌های حافظه با افزایش سن، اتمام سلول‌های T بکر و نقش ویروس‌هایی مانند CMV .

این مشاهدات در شرایط «پاک» و کنترل‌شده حیوانات که کاملاً با شرایط واقعی «وحشی» متفاوت است، جایی که حیوانات در طول زندگی خود در معرض انواع پاتوژن‌ها هستند، مختل یا دارای سوگیری شدید می‌شوند. در واقع این شرایط بودند که در طول تکامل، ژنوم ما و سایر حیوانات را شکل دادند. ما حدس می‌زنیم که چنین سوگیری‌هایی ممکن است در مطالعات ژنتیک طول عمر نیز زمانی که مطالعات انسانی با مدل‌های حیوانی مقایسه یا تعمیم داده می‌شوند، رخ دهد.

علاوه بر این، انسان‌ها از نظر زیستی و فرهنگی به‌وضوح با تمام حیوانات دیگر متفاوت و پیچیده‌تر هستند. به‌ویژه، تمام عواملی که به محیط و سبک زندگی مربوط می‌شوند، با هر محیط آزمایشگاهی غیرقابل‌مقایسه هستند و تأثیر فرهنگ را نمی‌توان نادیده گرفت. به همین دلایل، نتایج این مطالعات اغلب «آزاردهنده» هستند، به این معنا که مقایسه آن‌ها با یکدیگر دشوار یا حتی متناقض است.

در واقع، تنها در موارد معدودی نتایج در جمعیت‌های مختلف تکرار شده‌اند (مانند مورد APOE4). در مقابل، همان‌طور که در طول این مرور مورد بحث قرار گرفت، بسیاری از ارتباطات بین واریانت‌های ژنی و طول عمر تنها در جمعیت‌های خاص یافت شده‌اند. این موضوع نباید غیرمنتظره باشد، زیرا پیری و طول عمر صفات پیچیده‌ای هستند که نه‌تنها و نه به‌طور انحصاری از ژنتیک ناشی می‌شوند، بلکه از تعاملات بین ژنتیک، محیط و شانس حاصل می‌شوند.

از این منظر، قابل تصور است که طول عمر می‌تواند با ترکیب‌های مختلفی از این سه مؤلفه به‌دست آید، و بنابراین، زمانی که مخزن ژنی و محیط تغییر می‌کند، ترکیب‌هایی که به طول عمر منجر می‌شوند نیز تغییر می‌کنند .

در نتیجه، درس اصلی از این مطالعات این است که شناسایی «ژن‌های طول عمر» در انسان با مطالعات ارتباطی «کلاسیک» بسیار دشوار است، زیرا گونه‌های وحشی (مانند انسان‌ها) دارای چنین پیچیدگی ذاتی ژنتیکی هستند و شرایط محیطی می‌تواند از کشوری به کشور دیگر بسیار متفاوت باشد، به‌طوری‌که ترکیب‌های تضمین‌کننده طول عمر و در نتیجه «ژن‌های طول عمر» تقریباً منحصراً خاص هر جمعیت هستند.

این موضوع نباید به کاهش علاقه به ژن‌هایی که اثرات آن‌ها بر طول عمر تنها در یک یا چند جمعیت مشخص است، منجر شود، بلکه به‌جای آن، نشان می‌دهد که ما به‌شدت به رویکردهای جدیدی برای ارتقای درک عمومی خود از صفات پیچیده‌ای مانند طول عمر انسان نیاز داریم.

این رویکردها می‌تواند شامل:

• مطالعات بر روی نمونه‌های بزرگ جمعیتی شامل افراد با خاستگاه‌های قومی مختلف برای انجام مقایسه‌های داخلی بدون سوگیری‌های روش‌شناختی؛

• مطالعات بر روی خانواده‌ها (خواهر و برادرها یا فرزندان افراد طول‌عمر)؛

• تحلیل‌های با توان بالا از پلی‌مورفیسم‌های متعدد برای به‌دست‌آوردن داده‌های اطلاعاتی بیشتر درباره ژن‌های کاندید باشد.

ثانیاً، رویکردهای محاسباتی جدید باید توسعه یابند تا داده‌ها تفسیر شوند. ثالثاً، مدل‌های بیوانفورماتیک in silico باید به‌عنوان ابزارهای مفید برای تکمیل داده‌های آزمایشگاهی در نظر گرفته شوند.

در نهایت باید در نظر گرفت که طول عمر یک پدیده پس از تولیدمثل است، بنابراین طول عمر به خودی خود تحت انتخاب تکاملی قرار نگرفته و بنابراین، ژنتیک طول عمر احتمالاً با قوانین کلاسیک ژنتیکی مطابقت ندارد . این موضوع، همراه با پدیده‌های دیگری مانند «پلیوتروپی متضاد» (antagonistic pleiotropy)، مطالعه این جنبه خاص از ژنتیک انسانی را پیچیده‌تر می‌کند. تحقیقات در این زمینه هنوز در مراحل اولیه است و مطالعات انجام‌شده تاکنون باید به‌عنوان کارهای پیشگامانه‌ای در نظر گرفته شوند که راه را برای کشف این جنبه هیجان‌انگیز از علم و زندگی انسان هموار کرده‌اند.

 

منبع:

Salvioli, S., Olivieri, F., Marchegiani, F., Cardelli, M., Santoro, A., Bellavista, E., ... & Franceschi, C. (2006). Genes, ageing and longevity in humans: problems, advantages and perspectives. Free Radical Research, 40(12), 1303-1323.