A PI3K / Akt / FoxO3a útvonal szabályozását és az öregedés késleltetését szabályozó teljes koffeokininsav mechanizmusának vizsgálata Scutellaria baicalensisben
Az öregedés az életkorral összefüggő fokozatos fiziológiai hanyatlás, amely a túlélési képesség elvesztéséhez és fokozott sebezhetőséghez vezet. Az öregedést környezeti és genetikai tényezők befolyásolják, és tizenkét fő jellemzője van: genomi instabilitás, epigenetikai változások, telomerek kimerülése, táplálkozási érzékelési zavarok, fehérje homeosztázis egyensúlyhiány, mitokondriális diszfunkció, sejtek öregedése, abnormális intercelluláris kommunikáció, őssejtek kimerülése, makroautofágia inaktiválódása, krónikus gyulladás és bél mikrobióta diszbiózis. E jellemzők közül a "táplálkozási diszreguláció" az első, amelyet molekuláris szinten igazoltak, és amely az inzulin és az inzulinszerű növekedési faktor-1 (IGF-1) inzulinreceptorokhoz való kötődésén keresztül a downstream jelátviteli útvonalak szabályozásával befolyásolja az élettartamot. Az inzulin/IGF-1 az inzulinreceptorokhoz kötődve aktiválja a foszfatidil-inozitol-3-kinázt (PI3K), amely katalizálja a 3,4,5-trifoszfát foszfatidil-inozitol (PIP3) termelését a 4,5-difoszfát foszfatidil-inozitolból (PIP2). Ezt követően a protein kináz B (Akt/protein kináz B, Akt/PKB) a plazmamembránba rekrutálódik, és az Akt-ban lévő treonin a PIP3-függő kináz-1 és -2 (PDK-1 és PDK-2) révén fejeződik ki. A foszforiláció a szerin 308 (Thr308) és 473 (Ser473) pozíciójában történik, foszforilált Ak (t phosphop Akt, p-Akt) képződik, és aktiválja az Aktot. A villafejű doboz O3a osztályú (FOXO3a) a villafejű doboz transzkripciós faktor O alcsalád négy tagjának egyike. Az aktivált Akt foszforilálja a FoxO3a treonin 32-es helyét (Thr32) és szerin 253-as helyét (Ser253), foszforilált FOXO3-at képezve (a phosphop-FOXO3a, p-FOXO3a), amely elősegíti a FoxO3a kötődését a 14-3-3 fehérjéhez, ezáltal megakadályozza a FoxO3a magba jutását és a transzkripciós aktivitás elvesztését. A FoxO3a az öregedést szabályozó kulcsfontosságú transzkripciós faktor, amely az autofágia elősegítésével, az oxidatív rezisztencia fokozásával és az őssejtek pluripotenciájának fenntartásával szerepet játszhat a hosszú élet elősegítésében. Az oxidatív rezisztencia tekintetében a FoxO3a transzkripciós aktivációja fokozza az olyan gének expresszióját, mint a szuperoxid-dizmutáz (SOD), a glutation-peroxidáz (GSH Px) és a kataláz (CAT), tisztítja a reaktív oxigénfajokat (ROS), és csökkenti a lipidperoxidációs termék, a malondialdehid (MDA) szintjét, ezáltal késlelteti a szervezet öregedését és meghosszabbítja az élettartamot. Gerinctelen és gerinces modelleken végzett vizsgálatok kimutatták, hogy az inzulin/IGF-1 szintjének csökkentése és az inzulinreceptorok, a PI3K és az Akt mutációja elősegíti a FoxO3a nukleáris transzlokációját, fokozza transzkripciós aktivitását és késlelteti az öregedést.
Erigeron breviscapus (Vant.) Hand- Mazz.)， Dengzhan Hua néven is ismert, először a "Dian Nan Ben Cao"-ban jegyezték fel, hatása a vérkeringés elősegítése, a meridiánok feloldása, a fájdalom enyhítése, a szél és a hideg elűzése. Elsősorban a stroke hemiplegia, mellkasi fájdalom, reumás fájdalom, fejfájás és fogfájás kezelésére használják. A Scutellaria baicalensis fő aktív összetevői a flavonoidok és a koffeoilkininsav (CQA). A hálózati farmakológiát és molekuláris dokkolást alkalmazó korábbi tanulmányok megállapították, hogy a flavonoidok és a CQA vegyületek a Scutellaria baicalensis öregedésgátló tulajdonságainak potenciális hatóanyagai, amelyek négy kulcsfontosságú célpont: a p53, AKT, HDAC1 és SIRT1 szabályozásával fejthetnek ki öregedésgátló hatást. A molekuláris dokkolás során a koffeoilvegyületek, beleértve a 4-CQA, 5-CQA, klorogénsav és a dikafeoilkininsav (DCQA) 4,5-DCQA, 3,4-DCQA, 3,5-DCQA, 1,3-DCQA és 1,5-DCQA komponenseket, magasabb dokkolási pontszámot értek el az AKT-vel, mint a gátló ligandumok. Az élettartam-kísérlet megállapította, hogy ezek a komponensek mindegyike meghosszabbítja a fonálférgek élettartamát. Közülük mutáns törzsek és transzgenikus fonálférgek segítségével igazolták, hogy a 3,5-DCQA gátolja a PI3K és az AGE-1 és AKT-1 homológok AGE-1 és AKT-1 aktivitását fonálférgekben, elősegíti a FoxO3a homológ DAF-16 bejutását a sejtmagba, és így élettartam-növelő hatást fejt ki. A fenti eredmények arra utalnak, hogy a Scutellaria baicalensis CQA komponensei késleltethetik az öregedést az AKT aktivitás gátlásával és a PI3K/Akt/FoxO3a útvonal szabályozásával. E tanulmány célja az Erigeron breviscapusból származó teljes koffeoilkininsav (EBCQA) öregedésgátló hatásának megfigyelése a korábbi kutatások alapján, valamint az EBCQA öregedésgátló mechanizmusának feltárása a PI3K/Akt/FoxO3a útvonal alapján.

Az öregedés az élet természetes folyamata, és bár elkerülhetetlen, a táplálkozás szabályozásával, genetikai manipulációval, gyógyszeres beavatkozással és más eszközökkel késleltethető. Ami még fontosabb, hogy ezek az öregedésgátló beavatkozások nemcsak az élettartamot hosszabbítják meg, hanem a szervezet általános egészségi állapotát is jelentősen javítják. Korábbi tanulmányainkban megállapítottuk, hogy az EBCQA potenciális öregedésgátló hatással rendelkezik, és összefüggésben állhat az AKT-aktivitás szabályozásával. Ebben a vizsgálatban megerősítettük, hogy az EBCQA meghosszabbítja a fonálférgek élettartamát, fokozza az oxidatív és hőállóságot, valamint javítja a motilitást. A fonálférgek mutáns törzsein keresztül megerősítettük, hogy az EBCQA öregedésgátló hatása a PI3K/Akt/FoxO3a útvonal szabályozásához, az antioxidáns enzimaktivitás fokozásához és az MDA-szint csökkentéséhez kapcsolódik; D-galaktózzal indukált öregedő patkányokban az EBCQA javítja a tanulási és memória képességeket, a tímusz és a lép koefficiensét, gátolja a PI3K és Akt aktivációt, valamint a FoxO3a foszforilációt, fokozza az antioxidáns enzimaktivitást és csökkenti az MDA-szintet.
A CQA osztályú komponensek a Scutellaria baicalensis fenolos hatóanyagainak fontos osztályát alkotják, és számos élelmiszerben (például a lila édesburgonyában, a zöld kávéban) és gyógynövényekben is jelen vannak. A CQA vegyületek neuroprotektív, szív- és érrendszeri védő, antioxidáns, gyulladáscsökkentő, cukorbetegség elleni és egyéb hatásokkal rendelkeznek. Az öregedésgátlás tekintetében a CQA-komponensekben gazdag zöld kávé kivonat és a lonc kivonat meghosszabbította a fonálféreg élettartamát, de még nem világos, hogy az öregedésgátló mechanizmusaik a PI3K/Akt/FoxO3a útvonalat érintik-e. A CQA-komponensek öregedésgátló hatásairól emlősökben ritkán számoltak be. Összhangban a korábbi jelentésekkel, amelyek szerint a CQA komponensek képesek meghosszabbítani a fonálférgek élettartamát, azt találtuk, hogy az EBCQA meghosszabbítja a fonálférgek élettartamát 17,7% maximális megnyúlási sebességgel, és fokozza az oxidatív rezisztenciát, a hőállóságot és a motilitást. A D-galaktózzal indukált öregedési patkánymodell bizonyítottan hatékonyan szimulálja a természetes öregedést, ezért széles körben használják az öregedési mechanizmusok tanulmányozására és az öregedést késleltető gyógyszerek szűrésére. A csökkent tanulási és memóriaképességek az öregedéssel járó gyakori élettani jelenségek, és némelyikükből neurodegeneratív betegségek, például az Alzheimer-kór alakulhatnak ki. Az életkor növekedésével vagy a betegségek megjelenésével a szervezet immunrendszerének kapacitása általában fokozatosan csökken. A tímusz és a lép fontos immunszervek, és szervi indexeik bizonyos mértékig tükrözhetik a szervezet immunkapacitásának nagyságát. Ezért a tanulási és memória képesség, valamint a thymus/lép szervi index általánosan használt mutatók az öregedés és az öregedésgátlás értékelésére. A D-galaktózzal indukált öregedő patkányok csökkent tanulási és memória képességeket, valamint csökkent tímusz- és lép-koefficienseket mutattak. Az EBCQA beadása hatékonyan javította a tanulási és memória képességeket, és növelte a thymus és a lép együtthatókat. Ezek az eredmények azt mutatják, hogy az EBCQA öregedésgátló hatással rendelkezik mind a gerinctelen fonálférgekben, mind a gerinces D-galaktóz által kiváltott öregedő patkányokban.
A PI3K/Akt/FoxO3a útvonal egy evolúciósan konzervált jelátviteli útvonal, amelyet az inzulin, az IGF-1 és más tényezők szabályoznak. Az öregedés szabályozásában a PI3K és az Akt pro-aging, míg a FOXO3a anti-aging szerepet játszik. A fonálférgekben az AGE-1, az AKT-1 és a DAF-16 az emlős PI3K, Akt, illetve a FoxO3a homológjai. Az AGE-1 mutációval rendelkező fonálférgek élettartama átlagosan 40%-ről 65%-re hosszabbodik, az AKT-1 mutációval rendelkezők szintén jelentősen hosszabb élettartammal rendelkeznek, a DAF-16 mutáció pedig jelentősen lerövidíti az élettartamot. Emlősökben az AKT-1 túlexpressziója indukálja a sejtek öregedését. Az AKT-1 mutációval rendelkező (Akt1+/-) egereknél a hímek élettartama 8%-vel, a nőstényeké pedig 15%-vel nő. A hosszú életű populációkon végzett kutatások azt is megállapították, hogy az IGF-1 receptorok, az inzulinreceptorok vagy ezek downstream faktorainak (pl. PI3K, AKT) funkcióvesztéséhez vezető genetikai polimorfizmusok/mutációk az emberi élettartam meghosszabbodásával járnak. A japán-amerikaiak, han-kínaiak, kaliforniaiak, új-angliaiak, askenázi zsidók, dánok, németek és olaszok hosszú életű populációinak vizsgálata azt mutatja, hogy a FOXO3a rs2764264, rs2802292 stb. genetikai polimorfizmusai kapcsolatban állnak a hosszú életkorral és az egészséges öregedéssel. A PI3K/Akt/FoxO3a útvonal szabályozásában az Akt a Thr308 és Ser473 foszforilációjára aktiválódik, míg a FoxO3a a Thr32 és Ser253 foszforilációjára gátolódik. Ebben a vizsgálatban az EBCQA meghosszabbította a vad típusú N2 fonálféreg élettartamát és elősegítette a DAF-16 nukleáris transzlokációját, de nem volt hatással az AGE-1, AKT-1 és DAF-16 mutánsok élettartamára, ami azt jelzi, hogy az EBCQA élettartamot meghosszabbító szerepe a PI3K/Akt/FoxO3a útvonal szabályozásától függ. A D-galaktózzal kezelt patkányoknál a PI3K, Akt, p-Akt és p-FOXO3a expressziójának felfelé történő szabályozását mutatták, míg a FOXO3a expressziója lecsökkent. Ez összhangban van a D-galaktózzal indukált öregedő patkányok és a természetesen öregedő kis/nagy patkányok változásáról szóló korábbi jelentésekkel. Ezek a fehérjeexpresszióban bekövetkező változások csökkent tanulási és memória képességekhez, valamint csökkent tímusz- és lépkoefficienshez vezethetnek, ezáltal öregedést indukálva. Az EBCQA beadása után ezek a változások gátolták, ami öregedésgátló hatással bírhat.
Harmna brit tudós 1956-ban vetette fel először a szabadgyökös öregedés elméletét, mivel úgy vélte, hogy a biomolekulák szabadgyökös támadásai által okozott sejtműködési zavarok a szervezet öregedésének egyik alapvető oka. Ebben a vizsgálatban az EBCQA növelte a SOD, a GSH Px és a CAT aktivitását paraquattal kezelt fonálférgekben és D-galaktózzal kezelt patkányokban, miközben csökkentette az MDA-szintet. Ezen antioxidáns enzimek aktivitásának növekedése a ROS és az oxidatív károsodás csökkenéséhez vezethet, ezáltal segítve az öregedés késleltetését. Az egyik downstream mechanizmus, amellyel a PI3K/Akt/FoxO3a útvonal befolyásolja az élettartamot, az oxidatív rezisztencia szabályozása. A fonálférgekben egyes hosszú életű mutáns törzsek, például a daf-2 (e1368) és az age-1 (hx546), a DAF-16-tól függő SOD, GSH Px és CAT antioxidáns enzimek fokozott aktivitását mutatják. A DAF-16 mutáció után ezeknek a mutáns törzseknek az antioxidáns enzimaktivitása csaknem hasonló a vad típusú N2 fonálféregéhez. Emlősökben a FoxO3a szabályozza az antioxidáns enzimek, mint a SOD, GSH Px, CAT expresszióját, és gátolja a FoxO3a aktivitását, ami a ROS felhalmozódásához vezet a sejtekben, felgyorsítja az érelmeszesedést és növeli a rák kockázatát. Az EBCQA elősegíti a nematóda DAF-16 nukleáris belépését és gátolja a patkány FoxO3a foszforilációját, ami arra utal, hogy az EBCQA öregedésgátló szerepet játszhat a FoxO3a transzkripciós aktivitásának és antioxidáns enzimaktivitásának fokozásával.
Összefoglalva, az EBCQA hatékonyan meghosszabbíthatja a fonálférgek élettartamát és ellensúlyozhatja a D-galaktóz okozta öregedést patkányokban. Hatásmechanizmusa a PI3K és Akt aktiváció gátlásán, a FOXO3a foszforilációjának csökkentésén, a FOXO3a nukleáris és transzkripciós aktivitásának elősegítésén, az antioxidáns enzimaktivitás fokozásán, az oxidatív stressz gátlásán és így az öregedés késleltetésén keresztül valósulhat meg.