Исследование механизма действия общей кофейной кислоты, регулирующей путь PI3K/Akt/FoxO3a и задерживающей старение у Scutellaria baicalensis
Старение - это постепенное физиологическое ухудшение, связанное с возрастом, приводящее к потере способности к выживанию и повышению уязвимости. Старение происходит под влиянием экологических и генетических факторов и имеет двенадцать основных характеристик: нестабильность генома, эпигенетические изменения, истощение теломер, нарушение восприятия питания, дисбаланс белкового гомеостаза, дисфункция митохондрий, клеточное старение, нарушение межклеточной коммуникации, истощение стволовых клеток, инактивация макроавтофагии, хроническое воспаление и дисбиоз микробиоты кишечника. Среди этих особенностей "пищевая дисрегуляция" является первой, подтвержденной на молекулярном уровне, которая влияет на продолжительность жизни путем регулирования нижележащих сигнальных путей через связывание инсулина и инсулиноподобного фактора роста-1 (IGF-1) с рецепторами инсулина. Инсулин/ИФР-1 связывается с рецепторами инсулина и активирует фосфатидилинозитол-3-киназу (PI3K), которая катализирует производство 3,4,5-трифосфата фосфатидилинозитола (PIP3) из 4,5-дифосфата фосфатидилинозитола (PIP2). Впоследствии протеинкиназа B (Akt/protein kinase B, Akt/PKB) рекрутируется в плазматическую мембрану, а треонин в Akt экспрессируется через PIP3-зависимые киназы-1 и -2 (PDK-1 и PDK-2), соответственно. Фосфорилирование происходит в положениях 308 (Thr308) и 473 (Ser473) серина, образуя фосфорилированный Ак (t phosphop Akt, p-Akt) и активируя Akt. Вилочковая коробка класса O3a (FOXO3a) является одним из четырех членов подсемейства транскрипционных факторов O вилочковой коробки. Активированный Akt фосфорилирует участок треонина 32 (Thr32) и участок серина 253 (Ser253) FoxO3a, образуя фосфорилированный FOXO3 (фосфоп-FOXO3a, p-FOXO3a), который способствует связыванию FoxO3a с белком 14-3-3, тем самым предотвращая попадание FoxO3a в ядро и потерю транскрипционной активности. FoxO3a - ключевой транскрипционный фактор, регулирующий старение, который может играть роль в обеспечении долголетия путем стимулирования аутофагии, повышения окислительной резистентности и поддержания плюрипотентности стволовых клеток. Что касается окислительной резистентности, транскрипционная активация FoxO3a усиливает экспрессию таких генов, как супероксиддисмутаза (SOD), глутатионпероксидаза (GSH Px) и каталаза (CAT), очищает организм от реактивных видов кислорода (ROS) и снижает уровень продукта перекисного окисления липидов - малондиальдегида (MDA), тем самым задерживая старение организма и увеличивая продолжительность жизни. Исследования на моделях беспозвоночных и позвоночных показали, что снижение уровня инсулина/IGF-1 и мутации инсулиновых рецепторов, PI3K и Akt могут способствовать ядерной транслокации FoxO3a, усилению его транскрипционной активности и задержке старения.
Erigeron breviscapus (Vant.) Hand- Mazz.), также известный как Dengzhan Hua, впервые записанный в "Dian Nan Ben Cao", обладает эффектами стимулирования циркуляции крови, разблокирования меридианов, облегчения боли, рассеивания ветра и рассеивания холода. В основном используется для лечения инсультной гемиплегии, боли в груди, ревматизма, головной и зубной боли. Основными активными компонентами Scutellaria baicalensis являются флавоноиды и кофеоилхиновая кислота (CQA). Предыдущие исследования с использованием сетевой фармакологии и молекулярного докинга показали, что флавоноиды и соединения CQA являются потенциальными активными ингредиентами в антивозрастных свойствах Scutellaria baicalensis, которые могут оказывать антивозрастное действие путем регулирования четырех ключевых мишеней: p53, AKT, HDAC1 и SIRT1. При молекулярном докинге кофейные соединения, включая отдельные компоненты CQA 4-CQA, 5-CQA, хлорогеновую кислоту и компоненты дикаффеоилхиновой кислоты (DCQA) 4,5-DCQA, 3,4-DCQA, 3,5-DCQA, 1,3-DCQA и 1,5-DCQA, имеют более высокие показатели стыковки с AKT, чем их ингибирующие лиганды. Эксперимент по изучению продолжительности жизни показал, что все эти компоненты обладают эффектом продления жизни нематод. Среди них было подтверждено с помощью мутантных штаммов и трансгенных нематод, что 3,5-DCQA ингибирует активность PI3K и AKT гомологов AGE-1 и AKT-1 у нематод, способствует проникновению FoxO3a гомолога DAF-16 в ядро и, таким образом, оказывает эффект, способствующий долголетию. Полученные результаты позволяют предположить, что компоненты CQA в Scutellaria baicalensis могут замедлять старение путем ингибирования активности AKT и регулирования пути PI3K/Akt/FoxO3a. Целью данного исследования является изучение антивозрастного эффекта общей кофейной кислоты из Erigeron breviscapus (EBCQA) на основе предыдущих исследований, а также изучение механизма антивозрастного действия EBCQA на основе пути PI3K/Akt/FoxO3a.

Старение - естественный процесс жизни, и хотя оно неизбежно, его можно отсрочить с помощью регулирования питания, генетических манипуляций, лекарственного вмешательства и других средств. Что еще более важно, эти антивозрастные меры не только продлевают жизнь, но и значительно улучшают общее состояние организма. В предыдущих исследованиях мы обнаружили, что EBCQA обладает потенциальным антивозрастным эффектом и может быть связан с регулированием активности AKT. В этом исследовании мы подтвердили, что EBCQA продлевает продолжительность жизни нематод, повышает окислительную и тепловую устойчивость, а также улучшает подвижность. С помощью мутантных штаммов нематод мы подтвердили, что антивозрастной эффект EBCQA связан с регулированием пути PI3K/Akt/FoxO3a, повышением активности антиоксидантных ферментов и снижением уровня МДА; У крыс, старение которых вызвано D-галактозой, EBCQA улучшает способности к обучению и памяти, коэффициенты тимуса и селезенки, ингибирует активацию PI3K и Akt, а также фосфорилирование FoxO3a, повышает активность антиоксидантных ферментов и снижает уровень МДА.
Компоненты класса CQA являются важным классом фенольных активных ингредиентов в Scutellaria baicalensis, а также присутствуют во многих продуктах питания (таких как фиолетовый сладкий картофель, зеленый кофе) и лекарственных травах. Соединения CQA обладают нейропротекторным, сердечно-сосудистым, антиоксидантным, противовоспалительным, противодиабетическим и другими эффектами. С точки зрения борьбы со старением, экстракт зеленого кофе и экстракт жимолости, богатые компонентами CQA, увеличивали продолжительность жизни нематод, но до сих пор неясно, задействуют ли их механизмы борьбы со старением путь PI3K/Akt/FoxO3a; об антивозрастном действии компонентов CQA у млекопитающих сообщается редко. В соответствии с предыдущими сообщениями о способности компонентов CQA продлевать продолжительность жизни нематод, мы обнаружили, что EBCQA продлевает продолжительность жизни нематод с максимальной скоростью удлинения 17,7%, а также повышает окислительную устойчивость, теплоустойчивость и подвижность. Доказано, что модель старения крыс, вызванная D-галактозой, эффективно имитирует естественное старение и поэтому широко используется для изучения механизмов старения и поиска препаратов, замедляющих старение. Снижение способности к обучению и памяти - обычные физиологические явления, связанные со старением, а некоторые из них могут перерасти в нейродегенеративные заболевания, такие как болезнь Альцгеймера. По мере увеличения возраста или возникновения заболеваний иммунные возможности организма обычно постепенно снижаются. Тимус и селезенка являются важными иммунными органами, и их показатели могут в определенной степени отражать величину иммунного потенциала организма. Поэтому способность к обучению и запоминанию, а также индекс тимуса/селезенки являются широко используемыми показателями для оценки старения и антистарения. Старение крыс, вызванное D-галактозой, показало снижение способности к обучению и памяти, а также уменьшение коэффициентов тимуса и селезенки. Прием EBCQA эффективно улучшил способности к обучению и памяти, а также увеличил коэффициенты тимуса и селезенки. Полученные результаты свидетельствуют о том, что EBCQA оказывает антивозрастной эффект как на беспозвоночных нематод, так и на позвоночных крыс, старение которых вызвано D-галактозой.
Путь PI3K/Akt/FoxO3a - это эволюционно сохраненный сигнальный путь, регулируемый инсулином, IGF-1 и другими факторами. В регуляции старения PI3K и Akt играют роль, способствующую старению, а FOXO3a - антивозрастную. У нематод AGE-1, AKT-1 и DAF-16 являются гомологами PI3K, Akt и FoxO3a млекопитающих, соответственно. У нематод с мутациями AGE-1 средняя продолжительность жизни увеличивается от 40% до 65%, мутации AKT-1 также значительно увеличивают продолжительность жизни, а мутации DAF-16 значительно сокращают продолжительность жизни. У млекопитающих сверхэкспрессия AKT-1 вызывает клеточное старение. У мышей с мутациями AKT-1 (Akt1+/-) продолжительность жизни самцов увеличивается на 8%, а самок - на 15%. Исследование популяций долгожителей также показало, что генетические полиморфизмы/мутации, приводящие к потере функции рецепторов IGF-1, рецепторов инсулина или их последующих факторов (таких как PI3K, AKT), связаны с увеличением продолжительности жизни человека. Изучение долгожителей среди американцев японского происхождения, ханьцев, калифорнийцев, жителей Новой Англии, евреев-ашкенази, датчан, немцев и итальянцев показало, что генетические полиморфизмы rs2764264, rs2802292 и т.д. FOXO3a связаны с долголетием и здоровым старением. В регуляции пути PI3K/Akt/FoxO3a, Akt активируется при фосфорилировании Thr308 и Ser473, а FoxO3a ингибируется при фосфорилировании Thr32 и Ser253. В данном исследовании EBCQA увеличивал продолжительность жизни нематоды N2 дикого типа и способствовал ядерной транслокации DAF-16, но не влиял на продолжительность жизни мутантов AGE-1, AKT-1 и DAF-16, указывая на то, что роль EBCQA в увеличении продолжительности жизни зависит от регуляции пути PI3K/Akt/FoxO3a. У крыс, получавших D-галактозу, наблюдалось повышение экспрессии PI3K, Akt, p-Akt и p-FOXO3a, в то время как экспрессия FOXO3a была снижена. Это согласуется с предыдущими сообщениями об изменениях у стареющих крыс, вызванных D-галактозой, и естественно стареющих маленьких/больших крыс. Эти изменения в экспрессии белков могут привести к снижению способности к обучению и памяти, а также к уменьшению коэффициентов тимуса и селезенки, тем самым вызывая старение. После введения EBCQA эти изменения были подавлены, что может оказывать антивозрастной эффект.
В 1956 году британский ученый Хармна впервые предложил теорию свободнорадикального старения, считая, что клеточная дисфункция, вызванная атаками свободных радикалов на биомолекулы, является одной из основных причин старения организма. В данном исследовании EBCQA повышал активность SOD, GSH Px и CAT у нематод, обработанных паракватом, и крыс, обработанных D-галактозой, одновременно снижая уровень МДА. Повышение активности этих антиоксидантных ферментов может приводить к снижению уровня ROS и окислительного повреждения, тем самым способствуя замедлению старения. Одним из механизмов, с помощью которого путь PI3K/Akt/FoxO3a влияет на продолжительность жизни, является регуляция окислительной резистентности. У нематод некоторые долгоживущие мутантные штаммы, такие как daf-2 (e1368) и age-1 (hx546), демонстрируют повышенную активность антиоксидантных ферментов SOD, GSH Px и CAT, которые зависят от DAF-16. После мутации DAF-16 активность антиоксидантных ферментов у этих мутантных штаммов почти такая же, как у нематоды N2 дикого типа. У млекопитающих FoxO3a регулирует экспрессию антиоксидантных ферментов, таких как SOD, GSH Px, CAT, а ингибирование активности FoxO3a приводит к накоплению ROS в клетках, ускорению развития атеросклероза и повышению риска развития рака. EBCQA способствует ядерному проникновению нематоды DAF-16 и ингибирует фосфорилирование крысиного FoxO3a, указывая на то, что EBCQA может играть антивозрастную роль, усиливая транскрипционную активность FoxO3a и активность антиоксидантных ферментов.
Таким образом, EBCQA может эффективно продлевать продолжительность жизни нематод и противодействовать D-галактозному старению крыс. Механизм его действия может заключаться в ингибировании активации PI3K и Akt, снижении фосфорилирования FOXO3a, повышении ядерной и транскрипционной активности FOXO3a, усилении активности антиоксидантных ферментов, ингибировании окислительного стресса и, таким образом, замедлении старения.