Restricción calórica y longevidad

UNIVERSIDAD DE SEVILLA Facultad de Farmacia Grado en Farmacia RESTRICCIÓN CALÓRICA Y LONGEVIDAD BELÉN CABRERA FERNÁNDEZ UNIVERSIDAD DE SEVILLA FACULTAD DE FARMACIA GRADO EN FARMACIA TRABAJO FIN DE GRADO ``RESTRICCIÓN CALÓRICA Y LONGEVIDAD’’ TFG de carácter experimental BELÉN CABRERA FERNÁNDEZ Departamento de Fisiología Tutor: Sandro Arguelles Castilla SEVILLA, septiembre 2021 Resumen El envejecimiento se define como un proceso de acumulación de daños moleculares, celulares y orgánicos, que conduce a la pérdida de la homeostasis del organismo y a una mayor vulnerabilidad a la enfermedad y la muerte. En un intento por comprender los mecanismos que subyacen al envejecimiento, se descubrió que la restricción calórica era la intervención no genética más eficaz que puede prolongar la vida útil en multitud de organismos incluyendo, levaduras, nematodos, moscas y roedores. La restricción calórica (RC) se define como una intervención basada en la disminución de la ingesta de nutrientes que se consigue con una reducción de entre el 20% y el 40% de la ingesta calórica total, durante un tiempo determinado y sin causar desnutrición. Actualmente los gerontólogos han aceptado la restricción calórica como un enfoque para investigar las vías evolutivamente conservadas de la longevidad y para promover un envejecimiento saludable en los humanos, es decir, alargar los años de vida alejados de la enfermedad. Los efectos beneficiosos de la restricción calórica se producen a través de una serie de complejos mecanismos moleculares, que se solapan con los marcadores distintivos del envejecimiento. Se propone a la RC y a los miméticos de la RC como una intervención antienvejecimiento prometedora y los hallazgos científicos de los últimos años se discutirán a lo largo de este trabajo. Palabras clave: restricción calórica, longevidad, envejecimiento. Índice Resumen………………………………………………………………………………........................................................... 1. Introducción……………………………………………………………………………….........................................5 2. Objetivos…………………………………………………………………………………...........................................7 3. Metodología…………………………………………………………………………………......................................8 4. Resultados y discusión…………………………………………………………………………………………………..….8 4.1 Principales características del envejecimiento……………………………………………….……..………8 4.1.1 Inestabilidad genómica……………………………………………………………………………….…………8 4.1.2 Desgaste telomérico………………………………………………………………………………….............8 4.1.3 Alteraciones epigenéticas………………………………………………………………………………….....8 4.1.4 Agotamiento de células madre…………………………………………………………………………..…9 4.1.5 Senescencia celular…………………………………………………………………………………...............9 4.1.6 Pérdida de proteostasis………………………………………………………………..........................10 4.1.7 Disfunción mitocondrial………………………………………………………………………………........11 4.1.8 Alteración de la comunicación intercelular…………………………………….………………….…11 4.1.9 Desregulación de los sistemas de detección de nutrientes……………….…………………12 4.2 Estrategias no farmacológicas para el control del envejecimiento…………….………...….…13 4.2.1 Ejercicio físico……………………………..……………………………..……………………….………………13 4.2.2 Restricción calórica……………………………..……………………………..………….……………………14 4.3 Mecanismos a través de los cuales la restricción calórica aumenta la longevidad ………………………....……………………………..……………………………..………………….…………….………16 4.3.1 Restricción calórica y la estabilidad genómica……………………………..………………………16 4.3.2 Restricción calórica y las alteraciones epigenéticas…………………………………….…..……18 4.3.3 Restricción calórica y la proteostasis……………………………………………………………….…..22 4.3.4 Restricción calórica y la función mitocondrial…………………………………..……………….…24 4.3.5 Restricción calórica y la comunicación intercelular………………………………..……….……25 4.3.6 Restricción calórica y las vías de regulación de nutrientes……………………………….…..26 4.3.7 Restricción calórica y el agotamiento de células madre…..……………………………….….28 4.3.8 Restricción calórica y la senescencia celular………………………………………………….…..…29 5. CONCLUSIONES……………………………………………………………………………………………………………….32 6. BIBLIOGRAFÍA…………………………………………………………………………………………………………….……33 5 1. INTRODUCCIÓN En la actualidad podemos definir el envejecimiento como un proceso universal, endógeno, progresivo e irreversible que se caracteriza por una acumulación de cambios a nivel biológico, fisiológico, morfológico y psicológico, que conducen al deterioro funcional del organismo con el paso del tiempo que provoque finalmente el deterioro de las funciones en el organismo (Anton & Leeuwenburgh, 2013) y dará lugar a un aumento en la vulnerabilidad a la muerte. Este deterioro, es el principal factor de riesgo de desarrollar numerosas patologías y enfermedades que nos acompañan en la actualidad, como la diabetes, el cáncer, los trastornos cardiovasculares, las afecciones musculoesqueléticas y las enfermedades neurodegenerativas. La pérdida de la capacidad, así como la morbilidad relacionada con la edad, afectan de manera negativa a la calidad de vida del individuo, y de la sociedad (Madeo et al., 2019) (Figura 1). Figura 1. Gráfica basada en los datos de la Organización Mundial de la Salud (OMS) sobre el aumento en la prevalencia de enfermedades crónicas como causa de muerte en el mundo Fuente:(https://www.who.int/es/news-room/fact-sheets/detail/the-top-10-causes-of-death). Son muchas las teorías que a lo largo de los años han descrito el proceso del envejecimiento, pero sin duda la Teoría de los radicales libres posee muchos apoyos en la literatura científica. Aunque en condiciones fisiologías las especies de oxígeno reactivas (ROS) contribuyen a la homeostasis, su aumento descontrolado desborda la capacidad de los sistemas antioxidantes y protectores para 6 protegernos, generando estrés oxidativo que dañará a las biomoléculas y estructuras celulares, alterando la homeostasis (G. Barja, 2005). Las investigaciones sobre la biología del envejecimiento en mamíferos han experimentado un enorme avance en los últimos años para comprender los mecanismos subyacentes que lo acompañan, y ha atraído gran atención por parte de los científicos, con el descubrimiento de que el ritmo del envejecimiento está controlado, por vías genéticas y procesos bioquímicos conservados a lo largo de la evolución (Kritsilis et al., 2018). El objetivo final no es sólo conocer y entender las reglas básicas de la naturaleza, también lo es poder mejorar la calidad de vida de las personas, tanto a corto como a largo plazo, promoviendo un envejecimiento humano saludable libre de discapacidad. Según datos de la Organización Mundial de la Salud (OMS), la media de vida en los países más desarrollados es de 83,4 años para las mujeres y 78,1 años para los hombres. En España, según las proyecciones del Instituto Nacional de Estadística (INE), la esperanza de vida al nacer en el año 2033 alcanzaría los 82,9 años en los hombres y los 87,7 años en las mujeres, esto supone un aumento respecto a los valores actuales de 2,4 y 1,9 años respectivamente (Fuente https://www.ine.es/jaxiT3/Tabla.htm?tpx=27290). España es uno de los países del mundo con mejor esperanza de vida (Figura 2). Figura 2.Representación gráfica de los veinte países con más esperanza de vida según los datos recogidos por la Organización Mundial de la Salud (OMS) (Fuente https://www.who.int/es/newsroom/fact-sheets/detail/the-top-10-causes-of-death). 7 En base a estos antecedentes, multitud de investigaciones han llevado a identificar una serie de marcadores distintivos del envejecimiento. La identificación de estos marcadores condujo a la búsqueda de estrategias no farmacológicas, como son la restricción calórica y el ejercicio físico. En este TFG se indicarán como la restricción calórica sin causar desnutrición contribuye a la longevidad mediante la mejora de los marcadores del envejecimiento en distintos organismos modelo. 2. OJETIVOS Objetivo general Dar conocer los principales efectos beneficiosos de la restricción calórica sobre la longevidad. Objetivos específicos  Ilustrar las principales características del envejecimiento.  Dar a conocer algunas estrategias farmacológicas y no farmacológicas para el control del envejecimiento.  Mecanismos a través de los cuales la restricción calórica aumenta la longevidad y retrasa el envejecimiento. 3. METODOLOGÍA Con el objetivo de poder realizar este Trabajo final de grado, se realizó la revisión bibliográfica y la búsqueda minuciosa de documentos que proporcionaran la suficiente información sobre el tema a desarrollar. Para ello se consultaron bases de datos y editoriales de prestigio que contienen literatura científica contrastada de todo el mundo, destacando así entre ellas, PubMed, Elsevier, SciELO (Scientific Electronic Library Online). Para realizar una búsqueda más exhaustiva y comprimir los resultados se utilizaron términos como ‘’longevity’’, ‘’Caloric restriction’’, ‘’lifespan’’ ‘’aging’, ‘’mimetics’’, ‘’fasting’’, ‘’diet restriction’’ solos o combinando los términos. La bibliografía se ha elaborado a través del programa informático Mendely. La búsqueda de artículos bibliográficos en inglés y castellano se ha filtrado en base a los últimos 12 años de investigación. 8 4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 4.1 Principales características del envejecimiento Los avances en el campo de la biología del envejecimiento en los últimos años ha permitido un mejor entendimiento de los procesos bioquímicos y fisiológicos, resultando en la identificación de ‘’marcadores distintivos’’ del envejecimiento, los cuales acelerarán el proceso del envejecimiento si aumentan exponencialmente con la edad, y cuya reducción podría retrasarlo, provocando un aumento en la longevidad (Balasubramanian et al., 2017) (López-Otín et al., 2013). 4.1.1 Inestabilidad genómica La acumulación de daños en el ADN es un factor común que acompaña al envejecimiento. La integridad y la estabilidad genómica son amenazadas por factores exógenos y endógenos a lo largo de la vida, un ejemplo son los errores en la replicación del ADN o ROS. Este daño en el ADN se acumula en las células de los organismos envejecidos generando células disfuncionales que deben ser eliminadas mediante apoptosis o senescencia para garantizar la homeostasis celular. Gracias a los mecanismos de reparación del ADN evolutivamente conservados podemos minimizar estas lesiones, pero estos disminuyen progresivamente con la edad (López-Otín et al., 2013). Deben explorarse intervenciones que refuercen la estabilidad genómica y la reparación del ADN que tengan un impacto positivo en el envejecimiento fisiológico. 4.1.2 Desgaste telomérico Los telómeros son los extremos de un cromosoma y desempeñan un importante papel protegiendo el ADN genómico de la degradación. La longitud de los telómeros disminuye con la edad, contribuyendo a la senescencia celular Existe una asociación entre la longitud de los telómeros, inflamación crónica y el estrés oxidativo (Arsenis et al., 2017). La evidencia científica muestra que reactivando genéticamente la telomerasa, se puede revertir el envejecimiento prematuro de ratones deficientes en esta (Vera et al., 2013). 4.1.3 Alteraciones epigenéticas La epigenética hace referencia a modificaciones en el ADN que pueden activar o desactivar la expresión de ciertos genes. El envejecimiento va acompañado de cambios epigenéticos entre los 9 que se engloba la remodelación de la cromatina, la metilación del ADN, la acetilación, desacetilación o metilación de las histonas (López-Otín et al., 2013). El silenciamiento o la expresión de muchos genes se asocian con las modificaciones de las histonas. Los miembros de la familia de las sirtuinas, que son desacetilasas de proteínas dependientes de la nicotinamida adenina (NAD), han demostrado recientemente que en los mamíferos median en muchos efectos de la restricción calórica sobre el metabolismo y la longevidad. Por ejemplo, las dianas transcripcionales de SIRT1, como son p53 y FOXO provocan un equilibrio en los mecanismos de reparación frente a la apoptosis durante la respuesta al daño (Guarente, 2011). Además, SIRT6 promueve la longevidad al regular la estabilidad genómica, la señalización de NF-kB y la homeostasis de la glucosa mediante la desacetilación de histonas H3K9 (Zhong et al., 2010). También se ha informado de que la sobreexpresión de SIRT3 mejora la capacidad de regeneración en las células madre hematopoyéticas envejecidas. 4.1.4 Agotamiento de células madre El agotamiento de las células madre es uno de los responsables últimos del envejecimiento de los tejidos (López-Otín et al., 2013). Estudios recientes muestran que el aumento en la señalización del factor de crecimiento de fibroblastos (FGF2) en el nicho de células madre musculares envejecidas conduce a una disminución de la capacidad de estas para regenerarse, mientras que la supresión de esta vía de señalización rescata estos defectos (Chakkalakal et al., 2012). En esta dirección, se ha informado que la RC aumenta las funciones de las células madre intestinales y musculares, y se están explorando intervenciones farmacológicas como la rapamicina para mejorar la función de las células madre (Cerletti et al., 2012). 4.1.5 Senescencia celular La senescencia está causada por el acortamiento de los telómeros, la activación aberrante de oncogenes, el deterioro de la autofagia, y otros factores asociados al estrés oxidativo y la disfunción mitocondrial. Es posible que la acumulación de células senescentes en el envejecimiento refleje un desequilibrio entre la tasa de generación y eliminación, como consecuencia de un sistema inmune debilitado (Kritsilis et al., 2018). Debido a este aumento, se ha asumido que la senescencia contribuye al envejecimiento, pero la evidencia muestra que el objetivo principal de ésta, es evitar la propagación de las células dañadas, además del papel beneficioso que ejerce sobre la respuesta antitumoral. Esto nos lleva a afirmar que la senescencia celular es una respuesta homeostática, 16 Tabla 1. Breve resumen de los tipos de restricción calórica (Di Francesco et al., 2018). Por último, mencionar un importante y reciente estudio en el que se demostró que un ayuno intermitente durante 30 días desde el amanecer hasta el atardecer ejerce efectos protectores contra el cáncer, regula al alza proteínas que protegen contra la obesidad, la diabetes y el síndrome metabólico, induce proteínas clave que participan en la reparación del ADN y el sistema inmunológico y protege también de enfermedades degenerativas como el Alzheimer (Mindikoglu et al., 2020). 4.3 Mecanismos a través de los cuales la restricción calórica aumenta la longevidad Una vez analizados los ´´marcadores distintivos´´ del envejecimiento, a continuación, se detallará cómo la restricción calórica afecta a cada uno de estos rasgos clave para, en última instancia promover la longevidad. 4.3.1 Restricción calórica y la estabilidad genómica La importancia y las graves consecuencias de un ADN alterado han llevado a los Gerontólogos a una investigación sin precedentes para prevenir las enfermedades asociadas al envejecimiento y promover una vida más saludable y longeva. Se ha documentado que la RC ofrece un retraso en la aparición de los cambios fisiológicos y patológicos asociados a la edad, así como una prolongación en la duración de la vida de los animales incluyen el aumento de la capacidad de reparación del ADN, la alteración de la expresión de diversos genes, un cambio transcripcional hacia el metabolismo energético y la reducción del estrés oxidativo (Anderson & Weindruch, 2012). La literatura científica Tipo de RC Descripción Ayuno intermitente (Intermittent Fasting; IF) Se restringe la ventana de alimentación a 12-22 horas. Protocolo 12/12, 16/8, 20/4, 22/2 Ayuno en días alternos (Alternate Day Fasting; ADF) Alternancia de 24 horas de ayuno (o 25% de las necesidades energéticas diarias) con un periodo de alimentación ad libitum de 24 horas Dieta que mimetiza el ayuno (Fasting Mimetic Diet; FMD) Intervención de 5-7 días donde se ingieren entre 500-800 kcal/día, simulando los efectos de un ayuno prolongado 17 muestra cómo una RC del 40% en ratones durante 6 semanas redujo la producción de especies reactivas de oxígeno mitocondrial (ROS) y los valores de la 8-hidroxi-2' -desoxiguanosina (8-OHdG) en el ADN nuclear y mitocondrial, en distintos tejidos (Sohal et al., 1994). Esto va acompañado de un menor daño oxidativo sobre las proteínas y la peroxidación lipídica y afecta de manera positiva al ritmo del (G. Barja, 2005; Gustavo Barja, 2004). Esto es importante debido a que las ROS pueden causar la alteración o la pérdida permanente de la información genética, y resulta alentador conocer que estas alteraciones asociadas a la edad pueden ser revertidas gracias a la RC (Figura 5). Figura 5. Esquema de los resultados disponibles en mamíferos en relación con el envejecimiento, el estrés oxidativo y la restricción calórica (Gustavo Barja, 2004). Double bond index (DBI); Malondialdehyde (MDA,); Lipoxidation-derived protein modification (Prot. ox.). En 2020 se realizó un amplio estudio del perfil transcripcional de Rattus Norvegicus para analizar el envejecimiento y observar cómo la RC lo modula a nivel unicelular. Se analizaron unas 200.000 células en nueve tejidos de ratas jóvenes y viejas alimentadas ad libitum y sometidas a un 30% de RC, entre los 18 y 27 meses de edad. Algunos de los datos que considero importantes a destacar de este estudio es que, se regularon genes que codifican factores de transcripción involucrados en la inmunomodulación y en el metabolismo. Además, la acumulación de células senescentes en distintos tejidos envejecidos (tejido adiposo blanco, renal y hepático) se revirtió con la RC. La acumulación de la citoquina proinflamatoria TNF-α en el suero de las ratas envejecidas fue 18 suprimida también gracias a la RC. En resumen, este estudio sugiere que la RC moderada retrasa la aparición de fenotipos asociados al envejecimiento y prolonga la vida útil de estos mamíferos (Ma et al., 2020). 4.3.2 Restricción calórica y alteraciones epigenéticas Los efectos beneficiosos de la RC se producen a través de un amplio abanico de mecanismos moleculares, que se solapan en gran medida con los rasgos distintivos del envejecimiento, entre los cuales destacan los factores epigenéticos. Entre los muchos factores del estilo de vida, los factores nutricionales se consideran uno de los más influyentes en las modificaciones epigenéticas. En este contexto, es comprensible la influencia epigenómica de la RC en las modificaciones del envejecimiento (Gensous et al., 2019). Dos códigos epigenéticos principales dependientes de la RC se cree que poseen el control para desempeñar un papel crucial en el retraso del envejecimiento y la longevidad; la metilación del ADN y la modificación de las histonas (ver figura 6). Restricción calórica y metilación del ADN: La metilación del ADN se trata de una de las modificaciones epigenéticas más importantes, y se basa en la adición de un grupo metilo a un residuo de citosina, preferentemente en dinucleótidos CpG, agrupándose en islas CpG, y suelen encontrarse alrededor de los sitios de unión de inicio de la transcripción de los genes. Por un lado, el nivel global de metilación de ADN genómico disminuye con la edad y se sabe que la cantidad de metilación del ADN en una región reguladora de un gen está inversamente relacionada con la activación de dicho gen. Por otra parte, se produce una metilación de loci genómicos específicos. Algunas islas CpG cerca de los promotores de genes que se hipermetilan con la edad, provocando la represión de genes cercanos como ocurre con RUNX3, implicado en la tumorogénesis y el envejecimiento (Bridger et al., 2016). Los estudios muestran que la RC es capaz de mediar sobre los aberrantes perfiles de metilación del ADN inducidos por el envejecimiento. Se demostró que la RC aumentó los niveles de metilación de algunos protooncogenes como Ras, en células pancreáticas de rata (Tabla 2). Como se ha discutido, un promotor génico hipermetilado puede ser reconocido por complejos represores transcripcionales, lo que lleva a silenciar la expresión de estos oncogenes (Gensous et al., 2019). En otro estudio se utilizó un sistema in vitro con células de mamífero mediante la reducción de glucosa en el medio de cultivo. Se encontró que una hipermetilación del ADN de un sitio de unión al factor de transcripción E2F-1 en el promotor del gen p16INK4a (tabla 2) provocaba su regulación a la baja contribuyendo así la RC a la prolongación de la vida útil (Li et al., 2011). En este sentido, existe una tendencia a que 19 la vía de la metilación del ADN controle fundamentalmente genes clave relacionados con el cáncer durante la RC. Tabla 2. Algunos de los genes regulados por factores epigenéticos durante la restricción calórica. Tabla modificada de (Li et al., 2011). Otro aspecto importante en los cambios relacionados con la edad va dirigido a las enzimas ADN metiltransferasas (DNMT), que catalizan la adición del grupo metilo al ADN. Se observa una clara disminución de la actividad y/o expresión de la DNMT1 durante el envejecimiento. En respuesta a la RC la actividad de la DNMT1 se eleva significativamente corrigiendo así, los niveles de hipometilación. Además, estas enzimas desempeñan un papel crítico en la regulación de la senescencia celular de las células madre humanas, y el aumento de su expresión mediante la RC mejora la función cerebral en el hipocampo del ratón. En base a estos estudios es probable que la RC module la metilación del ADN, a través de los niveles de expresión y/o de las actividades enzimáticas de las DNMT individuales. En un estudio realizado en monos Rhesus de entre 22-30 años, expuestos a una RC del 30% desde los 7 a los 14 años, se mostraron los efectos de la RC sobre la metilación del ADN que fueron detectables en distintos tejidos, descubriendo que la RC protege Gen implicado Función en el envejecimiento Regulación Epigenética Efecto de la RC p16INK4a Gen supresor de tumor que inhibe el ciclo celular. Se acumula en el envejecimiento Metilación del ADN Metilación y acetilación de histonas (mediada por SIRT1 y HDAC) Regulación negativa RUNX3 Factor de transcripción que interviene en el desarrollo. Aumenta la metilación con la edad Metilación del ADN Regulación positiva H-ras Oncogén que acelera el envejecimiento Metilación del ADN Regulación negativa Ku70 Proteína necesaria en el proceso de reparación no homóloga del ADN. Regula la apoptosis y reparación de ADN en el envejecimiento Acetilación de histonas (mediada por SIRT1) Regulación negativa 20 contra la desregulación de la metilación del ADN asociada a la edad y conectando estas modificaciones epigenéticas con un aumento en la duración de la vida (Maegawa et al., 2017). La restricción calórica y remodelación de las histonas: El ADN se enrolla en torno a unas proteínas llamadas histonas, formando la estructura básica de la cromatina, el nucleosoma. Con el envejecimiento, en ellas se producen modificaciones postraduccionales que pueden inducir cambios en la estructura de la cromatina de diversas especies, incluyendo la metilación, acetilación y desacetilación (ver Figura 6). Las modificaciones de las histonas a su vez, son catalizadas por enzimas específicas, entre ellas las sirtuinas. La activación de las sirtuinas se observa en diversos organismos incluidos los humanos sometidos a RC y contribuyen a un aumento de la salud y la longevidad al participar en la regulación epigenética de genes específicos (Sen et al., 2016). Acetilación y Desacetilación de histonas: Los procesos de acetilación y desacetilación de las histonas son catalizados por enzimas específicas HAT y HDAC denominadas histona acetiltransferasa e histona desacetilasa respectivamente. Las sirtuinas son enzimas desacetilasas de proteínas dependientes de la nicotinamida adenina (NAD+) asociadas a la acetilación de proteínas. Se descubrió que las sirtuinas retrasaban el envejecimiento en organismos inferiores y, más recientemente, se ha demostrado que de los 7 tipos de sirtuinas (SIRTs 1-7) que existen en los mamíferos, las que parecen mediar en los efectos sobre el metabolismo y la longevidad son sólo SIRT1, SIRT3 y SIRT6 (Bridger et al., 2016). Es importante destacar el descubrimiento de que la sobreexpresión sistémica o específica de tejido de alguna de estas sirtuinas también aumenta la estabilidad genómica, reduce la señalización de NF-kB y mejora la homeostasis metabólica a través de la desacetilación de histonas (Fontana & Partridge, 2015). En un estudio en el que se utilizaron líneas celulares humanas de fibroblastos de pulmón, se reportó la SIRT1, activada por la restricción de glucosa, puede unirse directamente al promotor de p16INK4a y disminuir su expresión (Tabla 2), a través de sus efectos de desacetilación, contribuyendo así a retrasar el envejecimiento y a prolongar la vida útil celular (Li et al., 2011). Además de su función de desacetilación, las HDACs participan en la regulación de la expresión génica a través de multitud de factores de transcripción, y proteínas reguladoras específicas y se ha informado de que la actividad epigenética de la HDAC aumenta con la intervención de la RC. Estudios en ratones muestran que la RC regula al alza la expresión de SIRT1 debido al aumento de los niveles de NAD+. 21 La SIRT1 activada desacetila la proteína p53 (un importante gen supresor de tumores), inhibiendo su transactivación y expresión génica. Además el estrés oxidativo genera daños en el ADN, y SIIRT 1 y SIRT6 desacetilan diversos componentes de la maquinaria de reparación del ADN como la proteína Ku70, lo que le permite inactivar el factor pro-apoptótico Bax, inhibiendo la apoptosis (K. W. Chung et al., 2013; Guarente, 2011). Figura 6. Esquema de la regulación de las vías epigenéticas a través de la restricción calórica (Li et al., 2011).DNA methyltransferases (DNMTs); Histone deacetylase (HDAC); Histone acetyltransferase (HAT); Peroxisome proliferator-activated receptor gamma coactivator 1-alpha (PGC-1α); Human telomerase reverse transcriptase (hTERT). 22 Metilación de Histonas: Las diferentes formas de metilación de las histonas muestran patrones únicos de asociación con proteínas específicas, que reconocen estos marcadores y conducen al silenciamiento o a la activación de los genes. Los estudios en células humanas demuestran que el estado de metilación de los residuos de lisina de las histonas puede regular la expresión de ciertos genes como p16INK4a y la transcriptasa inversa de la telomerasa humana (hTERT) contribuyendo al aumento de la vida útil en condiciones de RC (Li et al., 2011). Por tanto, se sugiere que los cambios epigenéticos capaces de modular la RC, son un valioso mecanismo para retrasar el proceso de envejecimiento y las enfermedades asociadas al mismo, permitiendo en última instancia un aumento de la longevidad. 4.3.3 Restricción calórica y la proteostasis La actividad proteolítica general está alterada en el proceso del envejecimiento y se ha contrastado en estudios que muestran cómo las ratas alimentadas ad libitum, muestran una respuesta autofágica-proteolítica disminuida en las ratas de 6 meses y es casi insignificante en las ratas de mayor edad, detectando también proteínas de larga vida en el hígado que no se degradaron adecuadamente (Del Roso et al., 2003). La hipótesis de que la RC funciona como un estresor leve generando una respuesta hormética que lleva a un aumento de la expresión de proteínas de resistencia al estrés está bien respaldada por la literatura científica. La HSP70 es una chaperona molecular perteneciente a la familia de proteínas de choque térmico (HSF/HSP) que desempeña una función crucial en la proteostasis y reduce la proteotoxicidad. Se ha demostrado que la sobreexpresión de HSP70 prolonga la vida del nematodo C. elegans en un 50%. Por ejemplo, en un estudio de comprobaron que la RC del 40% a lo largo de la vida indujo en un 150% los niveles de HSF1 y HSP70 en el músculo sóleo de ratas viejas de 22 meses (Selsby et al., 2005). En humanos, se demostró que la RC a largo plazo regula significativamente las transcripciones de la vía HSF y aumenta los niveles de proteína HSP70 en el músculo esquelético, sugiriendo que la RC desempeña su papel antienvejecimiento al participar en la desaceleración de la acumulación de proteínas dañadas y disfuncionales y mantener la homeostasis en respuesta al estrés (Yang et al., 2016). En esta dirección, la actividad proteolítica y la alteración en la señalización de nutrientes están directamente asociadas con la autofagia. En condiciones de estrés, incluido el déficit de nutrientes que causa la RC, se activa eficazmente la autofagia para preservar la función y promover la supervivencia celular del organismo, a través de sensores de nutrientes clave como mTOR, AMPK y las sirtuinas (SIRT1), cuyas vías están estrechamente interconectadas (López-Otín et al., 2016). 23 mTOR: Señales como los factores de crecimiento (IGF-1), la insulina o los aminoácidos activan esta vía. El complejo proteico mTORC1 está relacionado con los cambios de señalización de la autofagia. mTORC1 se activa en condiciones de riqueza de nutrientes y/o energía y su activación es suficiente para inhibir la autofagia fosforilando directamente el gen ULK1 y otros componentes del complejo ATG (genes relacionados con la autofagia). Además, mTOR puede reprimir la autofagia fosforilando el factor de transcripción EB (TFEB), que participa en la expresión de genes lisosomales y autofágicos y el cual se activa durante la privación de energía (Kaeberlein et al., 2013) (Figura 7). Figura 7. Las señales de detección de nutrientes regulan la autofagia (Ki Wung Chung & Chung, 2019). Mammalian target of rapamycin (mTOR); AMP-activated protein kinase (AMPK); Sirtuin-1 (SIRT1); insulin-like growth factor-1 (IGF); protein kinase B (AKT); Peroxisome proliferator factor-activated receptor α (PPARα); CRE-binding protein (CREB). AMPK: Las principales causas por las que disminuye la concentración celular de ATP son el ayuno, la restricción calórica y el ejercicio. El aumento de los niveles de AMP: ATP activan directamente la AMPK mediante la enzima quinasa hepática B1 (LKB1) e induce a la célula a ahorrar energía para 24 mantener la homeostasis metabólica. A continuación la AMPK induce la autofagia por varios mecanismos que resultan en la inhibición de la vía de señalización mTOR (Rubinsztein et al., 2011) (Figura 7). Al reducir la ingesta de alimentos potenciamos el ayuno y a través de este se producen cambios en los niveles plasmáticos de glucosa, insulina y glucagón. En este sentido, la RC también puede inducir la autofagia inhibiendo la señalización del IGF1. Durante la RC, la regulación de la proteína de unión al CRE (CREB) y el receptor activado por el proliferador de peroxisomas (PPAR) por el glucagón, inducen la expresión de genes autofágicos como ATG7, ULK1 y TFEB (Ki Wung Chung & Chung, 2019). Por último, la baja disponibilidad de energía celular aumenta los niveles de NAD+ y se activa la sirtuina 1 (SIRT1), pudiendo inhibir a mTORC1. Cada vez hay más pruebas que apoyan la idea de que la autofagia desempeña un papel crucial en los efectos beneficiosos de la RC en todas las especies y los estudios respaldan el hecho de que el aumento de la función autofágica, puede ser una diana interesante para retrasar el envejecimiento y promover la longevidad (Yang et al., 2016). 4.3.4 Restricción calórica y la función mitocondrial Las mitocondrias y sus componentes son vulnerables al estrés oxidativo lo que termina perjudicando a la función celular y aumentando posibilidad de muerte celular. Se examinaron los hepatocitos en presencia de suero de ratas sometidas a un 40% de RC a largo plazo (6-12 meses) y fueron comparadas con los de ratas alimentadas ad libitum. Se demostró que la RC produce un aumento significativo en la expresión de genes implicados en el metabolismo energético mitocondrial además de conseguir un transporte de electrones altamente eficiente a través de la cadena respiratoria. Se observó que la expresión de los factores respiratorios nucleares (NRF) y de PPARα fueron regulados al alza, los cuales controlan la expresión de genes que codifican los complejos mitocondriales y promueven el aumento de la respiración, demostrando que la RC mejora la función mitocondrial e induce mayor cantidad de mitocondrias eficientes (López-Lluch et al., 2006). Se realizó un importante estudio en humanos no obesos para examinar la función mitocondrial del músculo esquelético, bajo una RC del 25% durante 3 meses. Se observó una notable inducción del contenido de ADNmit, siendo este un marcador de la masa mitocondrial. Además, la expresión del ARNm de SIRT1 aumentó en un 113% en los grupos de RC. El déficit de energía provoca el aumento de los niveles de AMP celular, activando la AMPK y esta a su vez promueve la expresión de SIRT1. SIRT1 desacetila entonces al coactivador transcripcional PGC-1α que se desplaza al núcleo y modula la 25 biogénesis mitocondrial, además de favorecer la eliminación de mitocondrias disfuncionales mediante la activación de autofagia (Civitarese et al., 2007). Recientemente también se ha informado de que la SIRT3 desempeña un rol importante en la función mitocondrial. Los ratones con una dieta de RC del 30% respecto a los alimentados Ad.lib durante 12 meses, mostraron un aumento de los niveles de SIRT3 en el hígado y músculo esquelético. SIRT3 desacetila y activa enzimas mitocondriales implicadas en la β-oxidación de los ácidos grasos y promueve la activación de los sistemas antioxidantes mediante la desacetilación de la superóxido dismutasa de manganeso (MnSOD), suprimiendo así la producción de las ROS. Además se observó que SIRT3 se une a FOX03a promoviendo la transcripción de genes de respuesta al estrés oxidativo. A su vez, la translocación de FOX03a a las mitocondrias a través de una vía dependiente de AMPK, provoca la desacetilación de FOX03a dependiente de SIRT3, regulando al alza la expresión de diversos genes mitocondriales y vinculando así las vías AMPK-FOX0-SIRTs con los efectos antienvejecimiento de la RC (Kincaid & Bossy-Wetzel, 2013). En definitiva, se propone que la restricción calórica actúa como un potente inductor de la biogénesis de mitocondrias eficientes, así como un regulador clave del metabolismo energético mitocondrial, mostrando una estrecha relación entre la resistencia al estrés oxidativo y la longevidad. 4.3.5 Restricción calórica y la comunicación intercelular Ha sido ampliamente estudiado por la literatura científica que una importante alteración de la comunicación intercelular es la inflamación. La desregulación de los procesos inflamatorios está asociada con muchas enfermedades metabólicas y degenerativas, y existe evidencia de que la RC puede contrarrestarlos (López-Otín et al., 2013). Una fuente de generación de ROS relacionada con la inflamación es la ciclooxigenasa (COX), que da lugar a la producción de tromboxanos, prostaglandinas y prostracilinas. Se ha observado que la RC ejerce una potente modulación de la actividad del NF-kB, que a su vez es responsable de la transcripción de muchas proteínas proinflamatorias como el TNF-α, varias interleucinas y enzimas como la óxido nítrico sintasa inducible (iNOS) y la COX-2. Se demostró que la RC regula significativamente a la baja los factores de transcripción del factor NF-kB, suprimiendo la mayoría de estos mediadores proinflamatorios, y demostrando así que la RC amortigua la inflamación crónica asociada a la edad en humanos (Yang et al., 2016). Por otro lado, los investigadores descubrieron que los niveles de expresión del ARNm de los PPARs en riñones de ratones envejecidos se reestablecían con la RC. Es importante resaltar la importancia fisiológica que ejerce la RC sobre la familia de receptores PPARs, ya que regulan al alza 32 en distintos organismos incluidos los humanos. Además, se demostró que una dieta rica en poliaminas reduce la mortalidad de los ratones envejecidos (Madeo et al., 2019). La espermidina se considera un compuesto antienvejecimiento que comparte muchos rasgos beneficiosos y vías moleculares con la RC. En este sentido, la espermidina disminuye la acetilación de proteínas mediante la inhibición de varias acetiltransferasas. La EP300 es una de las acetiltransferasas reguladas por la espermidina, e inhibe la acetilación de genes relacionados con la autofagia. Por tanto la inhibición de EP300 por la espermidina es suficiente para inducir la autofagia (Ki Wung Chung & Chung, 2019). Además el control autofágico que ejerce la espermidina parece estar mediado por la regulación del factor de transcripción FOXO, así como por la inhibición de las histonas acetiltransferasas (HAT) (Bridger et al., 2016), dando lugar a una reprogramación epigenética. Por otro lado, la espermidina regula la inflamación mediante la inducción de macrófagos antiinflamatorios (M2) y reclutando al factor NF-κB en el citoplasma, reduciendo la expresión de genes proinflamatorios. Estos efectos se comprobaron con un estudio en el que los macrófagos de los ratones tratados con espermidina mejoraron la enfermedad intestinal inflamatoria (Liu et al., 2020). En general, se ha demostrado que la espermidina desempeña un papel fundamental en la homeostasis general, y que la suplementación con esta se asocia a una menor mortalidad cardiovascular, y a una mejor respuesta inmunitaria contra el cáncer al favorecer la inmunovigilancia y al suprimir la tumorigénesis. También preserva la función mitocondrial, mejora la proteostasis y previene la senescencia de las células madre (Madeo et al., 2018). Por tanto estos resultados en conjunto califican a la espermidina como otro candidato prometedor que imita los efectos beneficiosos de la RC, siendo otra intervención que retrasa el envejecimiento y las enfermedades asociadas al mismo, promoviendo la longevidad. 33 5. CONCLUSIONES Gracias al conocimiento del que disponemos hoy día sobre la biología del envejecimiento y a la identificación de los rasgos distintivos que lo caracterizan, se han propuesto una serie de vías de la longevidad que están íntimamente conectadas entre sí y resulta alentador saber que existen estrategias no farmacológicas como la restricción calórica, así como miméticos de la restricción calórica que se oponen a los cambios fisiopatológicos asociados a la edad. Ha sido demostrado que reducir un pequeño porcentaje de la ingesta calórica total sin causar desnutrición es capaz de regular el envejecimiento a través de diferentes mecanismos moleculares y producir alteraciones epigenéticas y metabólicas que promueven la longevidad en multitud de especies animales. Se espera por tanto que la combinación de estrategias nutricionales y farmacológicas de lugar a futuras intervenciones que retrasen el envejecimiento, mejoren la salud humana, y aumente la calidad de vida de las personas a medida que envejecemos, alejándonos de la enfermedad. 6. BIBLIOGRAFÍA 1. Almendáriz-Palacios, C., Mousseau, D. D., Eskiw, C. H., & Gillespie, Z. E. (2020). Still Living Better through Chemistry: An Update on Caloric Restriction and Caloric Restriction Mimetics as Tools to Promote Health and Lifespan. International Journal of Molecular Sciences, 21(23), 9220. https://doi.org/10.3390/ijms21239220 2. Anderson, R. M., & Weindruch, R. (2012). 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