Μηχανισμοί ευπλαστότητας του νευρικού συστήματος και ο ρόλος σηματοδοτικών μορίων στην αναγέννηση των ιστών

Abstract

The motor system (MS), motor cortex, cerebellum, basal ganglia, spinal cord, motoneurons, neuromuscular junction and muscoskeletal system, is characterized by dramatic structural and functional plasticity during the embryonic and post-natal development. During aging, the MS undergoes adaptive changes at every level of connectivity to maintain its functionality and ensure appropriate levels of mobility. High mobility status level is indicative of healthy aging and a prerequisit of longevity. The dramatic increase in human life expectancy has raised the risk of disability, dementia and chronic diseases prior to death. Thus, pre-death morbidity is complex and the contribution of aging processes itself on late-life functional phenotypes is not fully defined. Studies in genetic model organisms, such as Drosophila melanogaster, may aid to identify evolutionary conserved mechanisms underlying healthy aging and the transition to-impairment-to death. In a previous study the demography of normal late life behavioral pathophysiologies were described. Here it was shown that all symptoms of motor decay and collapse during aging, found earlier in male Oregon flies were apparent in Oregon females and in both genders of the short-lived, wild type strain Lausanne S, suggesting that they are independent of genetic backround. Finally, male flies mutated for the gene methousaleah live longer but their longevity comes at the expense of late life quality.Nine late-life pathological states/signs were quantified, and used to compare late life quality in sixteen cohorts raised in different carbohydrate/protein ratio diets, with/out antioxidant supplementation. The physical status of each individual fly was examined on a daily basis until the end of their lifetime. The results showed that: (1) high levels of carbohydrates in the diet increase lifespan (2) The administration of the antioxidants curcumin and Super Fruit (a mixture containing acai, goji, noni, pomegrante and magnostein extracts among other compounds) extended lifespan without additive effect. (3) In addition, administration of curcumin in particular had a negative effect on the quality of life of aging females and was accompanied by the development of a metabolic syndrome. Thus for two male and one female populations (raised in high carbohydrate diet) lifespan and healthspan extension was accompanied by morbidity compression (more escapers than delayers and milder disabilities for delayers). In contrast, pre-death morbidity was expanded in two female populations (those treated with curcumin). Overall, these observations show that extending lifespan in Drosophila does not substantially change the period of disability but its prevalence and severity among the elderly individuals. This is the first study in Drosophila that challenges the hypothesis developed for humans, that lifespan extention can be achieved by reducing morbidity (morbidity compression hypothesis).The plasticity of the nervous system was studied in young animals. Following are two examples of functional or/and structural regeneration.It was shown here that premature death in young age caused by desication, starvation or oxidative stress (through H2O2 supply in the food) recapitulates many of the characteristics of normal, age-dependent, death. These findings allowed to study the functional decay of the GFS, the neural network underlying the escape response of the fly. Electrophysiological analysis revealed that starved flies loose their ability for climbing and escape. Escape failure is caused by a functional blockade of signal transmission in the plastic part of GFS, while the stereotypic part of GFS remains intact. Remarkably functionality in GFS returns by providing food to young starvers. In contrast functionality can not be rescued in old individuals or in young flies undergoing oxidative stress. The study provides a model in Drosophila that will allow to investigate molecular targets, vulnerable during aging, in the young brain. Lifespan and late life quality were studied in mutant flies for the transcription factor CORL. The dCORL (drosophila CORL) is a gene in the fourth chromosome, expressed in CNS neurons (muchroom body neurons, dILP2 – drosophila insulin like peptides 2 neurons) only. The homologe genes in mouse (mCORL1,2 or mSKOR1,2) functions as a transcriptional co-repressor and is expressed in dorsal interneurons (mCORL1) and in Purkinje neurons (mCORL2) of the cerebellum. The human homologους genes are Fussel15, homologous to mSKOR1 and Fussel18, homologous to mSKOR2 and mutations in Fussel15 lead to ataxias. dCORL reporter gene is expressed in all Drosophila insulin-like peptide 2 (dILP2) neurons of the pars intercerebralis (PI) of the larval and adult brain. dCORL mutant virgin male and female adult brains are missing a sub-population of dILP2 neurons. This may be caused by failed differentiation of some dILP2 neurons from neuroblasts or by loss of expression of dILP2 peptides in some of the dILP2 neurons. The number or dILP2 peptides expression is rescued by mating and reproduction. dILP2 loss caused a significant effect on longevity and late life quality of dCORL mutant flies. dCORL mutant virgins live shorter with better late life quality compared to mated dCORL mutants. Thus, the data suggest that dCORL participates in a neural network connecting the insulin signaling pathway, longevity and mating.

Το κινητικό σύστημα (ΚΣ), δηλαδή ο κινητικός φλοιός, η παρεγκεφαλίδα, τα βασικά γάγγλια, ο νωτιαίος μυελός, οι κινητικοί νευρώνες, η νευρομυϊκή σύναψη και το μυοσκελετικό σύστημα, χαρακτηρίζεται από εκτεταμένη δομική και λειτουργική ευπλαστότητα κατά την εμβρυϊκή και μεταγεννητική ανάπτυξη. Η ευπλαστότητα του ΚΣ κατά τη γήρανση χαρακτηρίζεται από προσαρμοστικές αλλαγές που αποσκοπούν στην διατήρηση της λειτουργικότητας των επιμέρους μονάδων του ΚΣ και κατά συνέπεια της κινητικότητας του ατόμου. Η καλή κινητική κατάσταση είναι απαραίτητο χαρακτηριστικό της υγιούς γήρανσης που είναι προϋπόθεση για τη μακροζωία. Η δραματική αύξηση του προσδόκιμου ζωής στον άνθρωπο έχει αυξήσει τον κίνδυνο χρόνιων νοσημάτων, κινητικής δυσλειτουργίας και άνοιας. Κατά συνέπεια, η νοσηρότητα στα χρόνια πριν το θάνατο είναι πολύπλοκη και η συνεισφορά της γήρανσης αυτής καθ’ αυτής στο λειτουργικό προφίλ των ηλικιωμένων επισκιάζεται από τη δράση συννοσηροτήτων και είναι δύσκολο να αξιολογηθεί. Μελέτες σε γενετικά συστήματα μοντέλα, όπως η μύγα των φρούτων Drοsophila melanogaster, μπορεί να βοηθήσουν στην κατανόηση εξελικτικά συντηρημένων μηχανισμών που υπόκεινται τόσο της υγιούς γήρανσης (διατήρηση η και ανανέωση του φυσιολογικού αποθέματος) όσο και της λειτουργικής μετάπτωσης κατά τη φάση της προθανάτιας νοσηρότητας. Στη παρούσα εργασία μελετήθηκε ο ρόλος διατροφικών παρεμβάσεων και γενετικών μοχλεύσεων στην ευπλαστότητα του κινητικού συστήματος ηλικιωμένων ατόμων της Drοsophila melanogaster. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιήθηκαν πληθυσμοί αγρίου τύπου (Oregon R, Lausanne S) γενετικά τροποποιημένα στελέχη (methusaleah, dCORL) και οι γονικές τους σειρές (W1118, yw). Τα αποτελέσματα από την μελέτη της κινητικής κατάστασης 16 πληθυσμών (~2000 άτομα) όπου το κάθε άτομο εξετάσθηκε χωριστά, σε καθημερινή βάση μέχρι το τέλος της ζωής του, έδειξαν ότι: (1) υψηλά επίπεδα υδατανθράκων στη δίαιτα αυξάνουν τόσο τη διάρκεια ζωής όσο και την ποιότητα της ύστερης ενήλικης ζωής, (2) Η χορήγηση των αντιοξειδωτικών ουσιών κουρκουμίνη και Super Fruit (μείγμα που περιέχει εκχυλίσματα acai, goji, noni, pomegrante και magnostein μεταξύ άλλων ενώσεων) επέκτεινε τη διάρκεια ζωής χωρίς προσθετικό αποτέλεσμα. (3) Επιπλέον, η χορήγηση ιδιαίτερα της κουρκουμίνης είχε αρνητικό αποτέλεσμα στη ποιότητα ζωής των γερασμένων θηλυκών ατόμων και συνοδεύτηκε με την εμφάνιση ενός μεταβολικού συνδρόμου. Έτσι για δύο αρσενικούς και έναν θηλυκό πληθυσμό (που εκτρέφονταν σε δίαιτα με υψηλή περιεκτικότητα σε υδατάνθρακες), η επέκταση της διάρκειας ζωής και της υγιούς ζωής συνοδεύονταν από συμπίεση της νοσηρότητας (περισσότερα άτομα με καλύτερη κινητική κατάσταση και ηπιότερες αναπηρίες). Αντίθετα, η νοσηρότητα πριν το θάνατο επεκτάθηκε σε δύο θηλυκούς πληθυσμούς (αυτούς που έλαβαν κουρκουμίνη).Συνολικά, αυτές οι παρατηρήσεις δείχνουν ότι η παράταση της διάρκειας ζωής στη Drosophila δεν αλλάζει ουσιαστικά την περίοδο της αναπηρίας, αλλά την επικράτηση και τη σοβαρότητα της κινητικής δυσλειτουργίας των ηλικιωμένων ατόμων.Παράλληλη μελέτη αρσενικών και θηλυκών ατόμων μιας άλλης αγρίου τύπου σειράς (Lausanne S) με μικρότερη διάρκεια ζωής έδειξε ότι τα βασικά χαρακτηριστικά της κινητικής έκπτωσης δεν εξαρτώνται από τo γενετικό υπόβαθρο. Τέλος αρσενικά άτομα που φέρουν μετάλλαξη στο γονίδιο methusaleah, η οποία προσδίδει μακροζωία, έδειξαν ότι η επέκταση στη διάρκεια ζωής γίνεται με τεράστιο κόστος στη ποιότητα της ύστερης ενήλικης ζωής τους.Συμπερασματικά, η κινητική κατάσταση των ηλικιωμένων ατόμων της Drosophila μπορεί να βελτιωθεί ή να υποβαθμιστεί ανάλογα με τους γενετικούς η περιβαλλοντικούς χειρισμούς. Αυτή είναι η πρώτη εργασία στη Drosophila που εξέτασε την υπόθεση ότι η μακροζωία μπορεί να επιτευχθεί με ταυτόχρονη συμπίεση της νοσηρότητας (morbidity compression hypothesis).Η ευπλαστότητα του νευρικού συστήματος μελετήθηκε στο νεαρό οργανισμό. Δύο παραδείγματα λειτουργικής η/και δομικής αναγέννηση παρατίθενται παρακάτω. Μελέτες σε νεαρά άτομα Oregon έδειξαν ότι τα χαρακτηριστικά του πρόωρου θανάτου (θάνατος σε νεαρή ηλικία λόγω έλλειψης τροφής η/και νερού η λόγω οξειδωτικού stress διαμέσου χορήγησης Η2Ο2) προσομοιάζουν με αυτά του φυσιολογικού ηλικιο-εξαρτώμενου θανάτου. Αυτό το εύρημα επέτρεψε να μελετηθεί κατά τον πρόωρο θάνατο η λειτουργική έκπτωση του νευρωνικού κυκλώματος GFS που ευθύνεται για τη συμπεριφορά διαφυγής του εντόμου. Η ηλεκτροφυσιολογική μελέτη έδειξε ότι άτομα που λιμοκτονούν και χάνουν την ικανότητα για αναρρίχηση, χάνουν επίσης την ικανότητα για διαφυγή λόγω διακοπής του ηλεκτρικού σήματος στο εύπλαστο τμήμα του νευρωνικού κυκλώματος GFS, ενώ το στερεοτυπικό τμήμα του κυκλώματος παραμένει λειτουργικά άθικτο. Το ίδιο χαρακτηριστικό παρατηρήθηκε σε ηλικιωμένα άτομα λίγο πριν το θάνατο τους. Αξιοσημείωτα, στα νεαρά λιμοκτονούντα άτομα η λειτουργία του κυκλώματος επανέρχεται με χορήγηση τροφής σε αντίθεση με τα ηλικιωμένα άτομα ή με τα νεαρά άτομα που υπέστησαν οξειδωτικό stress. Η μελέτη αυτή έδειξε τη χρησιμότητα του μοντέλου πρόωρου θανάτου στη Drosophila που επιτρέπει την εξερεύνηση μοριακών στόχων, ιδιαίτερα ευάλωτων κατά τη γήρανση, στο νεαρό οργανισμό.Δεύτερο, η διάρκεια ζωής και η κινητική κατάσταση κατά την ύστερη ενήλικη ζωή μελετήθηκαν σε μεταλλαγμένα στελέχη για έναν παράγοντα μεταγραφής (CORL). To dCORL, ένα γονίδιο στο τέταρτο χρωμόσωμα, εκφράζεται σε νευρώνες του ΚΝΣ που εκκρίνουν dILP2 (ινσουλινο-μιμητικά πεπτίδια 2). Το ομόλογο γονίδιο στο ποντίκι (mCORL1,2 ή mSKOR1,2) λειτουργεί ως μεταγραφικός συν-καταστολέας και εκφράζεται σε ραχιαίους ενδονευρώνες (mCORL1) και σε κύτταρα purkinje στην παρεγκεφαλίδα (mCORL2). Τα αντίστοιχα γονίδια στον άνθρωπο είναι τα Fussel15, ομόλογο με το mSKOR1 και Fussel18, ομόλογο με το mSKOR2 και μεταλλάξεις στο Fussel15 συνδέονται με δύο αταξίες. Η απαλοιφή του CORL στη Drosophila οδήγησε στη ανάπτυξη μειωμένων σε αριθμό dILP2 νευρώνων σε παρθένα αρσενικά και θηλυκά άτομα. Αυτό μπορεί να οφείλεται είτε σε αποτυχία διαφοροποίησης συγκεκριμένων dILP2 νευρώνων από νευροβλάστες είτε στη μη έκφραση των dILP2 πεπτιδίων από τους νευρώνες που κατά τα άλλα διαφοροποιήθηκαν κανονικά. Ο αριθμός των dILP2 νευρώνων ή η έκφραση των dILP2 πεπτιδίων επανέρχεται μετά από ζευγάρωμα και γονιμοποίηση των παρθένων ατόμων. Η ύπαρξη ή όχι των dILP2 νευρώνων είχε μεγάλη επίδραση στη διάρκεια ζωής και στην ποιότητα του κινητικού συστήματος στα ηλικιωμένα άτομα. Παρθένα dCORL άτομα ζουν λιγότερο και παρουσιάζουν καλύτερη ποιότητα ύστερης ενήλικης ζωής σε σχέση με τα γονιμοποιημένα άτομα. Κατά συνέπεια τα δεδομένα προτείνουν την ύπαρξη ενός δικτύου που συνδέει το dCORL με το σηματοδοτικό μονοπάτι της ινσουλίνης, τη μακροζωία και τη γονιμοποίηση.