Metabolismo y envejecimiento celular

El envejecimiento celular es un proceso que altera radicalmente el fenotipo  de células que tienen  capacidad para dividirse. Dos características  de la senescencia  celular son el paro irreversible de la proliferación celular y el desarrollo  de un fenotipo secretor asociado a la senescencia (SASP). Ambas características son inducidas en respuesta  a una variedad de estresores y señales fisiológicas que pueden tener efectos beneficiosos o perjudiciales en el organismo, dependiendo del contexto. Muchos de los estresores  que inducen la senescencia celular causan  daño genómico o epigenómico  y/o déficit metabólico, los cuales pueden poner a las células en riesgo de transformación oncogénica. Por lo tanto, el paro de la proliferación celular protege al organismo  de desarrollar cáncer. Adicionalmente, el SASP puede optimizar ciertos procesos fisiológicos, como la cicatrización de heridas y la formación de estructuras embrionarias especificas. Las células senescentes   se acumulan con la edad en muchos tejidos del organismo. En contraste con las células apoptóticas y quiescentes, las células senescentes  son metabólicamente muy activas. El agrandamiento en ausencia de división celular  es una característica  de las células senescentes que sugiere un desacoplamiento  de las señales que relacionan la proliferación celular con el tamaño de la célula. La actividad metabólica de las células senescentes puede derivar del SASP, lo cual implica la activación transcripcional  y la secreción de  factores  con actividades biológicas potentes  sobre  células y tejidos adyacentes.  Estas actividades incluyen la promoción de la inflamación, invasión, angiogénesis e –irónicamente- proliferación celular. El SASP puede explicar cómo un número relativamente pequeño  de células senescentes puede tener  potentes efectos locales y sistémicos que promueven patologías.  Las células senescentes  pueden contribuir  a la pérdida de la homeostasis celular a través de: (1) limitar  la capacidad regenerativa  de un tejido  debido al paro de la proliferación celular y (2) alteración de las funciones de las células vecinas  en virtud del SASP. Estudios recientes sugieren  que tanto el paro proliferativo y el SASP están íntimamente relacionados con el estado metabólico de la célula.

Hace décadas, Otto Warburg observó que las células cancerosas difieren  de las células normales por la manera  en que metabolizan la glucosa. Las células cancerosas a menudo  priorizan la glucólisis sobre la fosforilación oxidativa mitocondrial, aun en presencia de altos niveles de oxigeno. Esta “glucólisis aeróbica” ha sido estudiada extensamente por su rol en la promoción de tumores desde su descubrimiento hace varias décadas. Sin embargo, sólo recientemente  comienzan a ser estudiados la glucólisis y otros aspectos del metabolismo en el contexto de respuestas  supresoras de tumores, como la senescencia celular. Los nuevos hallazgos demuestran que el cáncer y la senescencia celular  pueden relacionarse  a través  de procesos metabólicos comunes.  Los primeros estudios reportaron un incremento de la glucólisis   asociado  con la senescencia celular en cultivos de células.  Adicionalmente, el envejecimiento celular está relacionado con incrementos en la relación ADP:ATP  y AMP:ATP y la adición de mononucleótidos al medio de cultivo  resulta en la detención  de la senescencia celular. Estudios posteriores identificaron  varios marcadores del incremento de la glucólisis que sugieren un “shift” metabólico como importante atributo de las células senescentes.

¿Cómo puede este cambio metabólico manejar la senescencia? La proteína quinasa activada por AMP (AMPK) es un regulador de las respuestas celulares  al estrés energético. La AMPK responde  al incremento en la relación AMP:ATP y ADP:ATP  activando una serie de respuestas que incluyen la oxidación de ácidos grasos (también llamada β-oxidación), la inhibición de la síntesis de ácidos grasos,  el incremento de la biogénesis mitocondrial y la estimulación de la captación de glucosa.  La activación de la AMPK puede inducir el paro del ciclo celular y en última instancia la senescencia a través de dos distintos mecanismos. En primer lugar, la AMPK fosforila directamente la p53  en múltiples residuos, pero principalmente en el residuo serina 15. Este residuo de la p53 también es fosforilado por ATM  en respuesta  al estrés genotóxico y es requerido por su capacidad para detener el ciclo celular  a través de la regulación transcripcional hacia arriba del inhibidor dependiente de ciclina, p21. La AMPK en si misma es activada (fosforilada) de una manera dependiente de ATM en respuesta al estrés genotóxico. En segundo lugar, la AMPK inhibe la degradación  dependiente  de antígeno Hu de los ARNm que codifican a los inhibidores dependientes de ciclina  p21 y  p16, lo cual resulta en el cese de la proliferación celular. Entonces, la AMPK  actúa como un sensor bioenergético durante el estrés energético que puede resultar en senescencia. Además de su capacidad para detener  la proliferación de células senescentes, la p53 también juega un rol importante en la regulación de la glucólisis. (1) La p53antagoniza la captación de glucosa disminuyendo la expresión de los transportadores de glucosa GLUT1 y GLUT4. (2)  La p53 activa  transcripcionalmente la expresión del regulador de la apoptosis y la glucólisis inducible por TP-53 (TIGAR), el cual desfosforila a la fructosa -2-6-bifosfato para antagonizar las reacciones  iniciales de la glucólisis. (3) La p53 inhibe a la fosfoglicercato mutasa, enlenteciendo la tasa de conversión de glucosa en piruvato, promoviendo por tanto la senescencia. (4) La p53 se une a la glucosa-6-fosfato deshidrogenasa, inhibiendo su actividad y por consiguiente la ruta de la pentosa fosfato. (5) La p53 promueve la fosforilación oxidativa mitocondrial  induciendo la síntesis de la citocromo c oxidasa 2 e inhibiendo a la piruvato deshidrogenasa quinasa 2. En conjunto, estas actividades de la p53 antagonizan la glucólisis y promueven la respiración mitocondrial. Por lo tanto, la p53  actúa limitando  la actividad glucolítica de las células senescentes. La p53 también limita la extensión  del SASP, lo que sugiere que el SASP es al menos en parte  regulado por la glucólisis.

El piruvato es un metabolito clave en el cruce de glucólisis y respiración mitocondrial. En la glucólisis se producen  dos moléculas de piruvato, dos moléculas de ATP y dos moléculas de NAD+ son convertidas en NADH. El piruvato es activo en múltiples procesos metabólicos. En células con fenotipo glucolítico como las células senescentes, el piruvato y la NADH son sustratos para la deshidrogenasa láctica que produce  NAD+ y lactato. El cual es excretado. Dado que la NADH  es producida por la gliceraldehido-3-fosfato deshidrogenasa (GAPDH) durante las reacciones iniciales de la glucolisis, el exceso  de NADH puede inhibir a la GAPDH y por lo tanto es la reacción limitante  de la glucólisis. El piruvato también sirve como fuente de carbono primaria para la acetil-coenzima A (acetil-CoA), la cual entra al ciclo de ácido tricarboxílico (CAT). De esta manera, la mitocondria genera mucha de su energía vía metabolismo del piruvato. Si el piruvato se convierte  en lactato o entra al ciclo ATC es determinado por la fosforilación de la piruvato deshidrogenasa (PDH), la cual cataliza la formación de acetil-CoA a partir de piruvato, esta decisión determina si una célula se vuelve senescente  en respuesta a oncogenes activados. Entonces, el metabolismo del piruvato es clave para determinar si una célula puede generar suficiente energía  a través de la glucólisis o se vuelve senescente. El exceso de especies reactivas de oxígeno (ROS) puede inducir una respuesta de senescencia y el piruvato también ayuda a atrapar ROS. El piruvato interactúa  con H₂O₂ para formar acetato, CO₂ y H₂O, contribuyendo a la defensa antioxidante de la célula.  No está clara la importancia de las propiedades antioxidantes del piruvato en las células senescentes. Irónicamente, las concentraciones suprafisiológicas (milimolar) de piruvato disminuyen la duración de la vida de fibroblastos humanos a través  de la producción mitocondrial de ROS. Estos datos sugieren que los efectos antioxidantes del piruvato no pueden contrarrestar el incremento en la producción de ROS que resulta de su metabolismo.

El malato es otro metabolito que regula la senescencia. El malato es producido  a partir de fumarato  por la fumarasa y es descarboxilado  a piruvato y CO2 a través de  la reducción  de NAD+ a NADH (enzima málica 2 mitocondrial, ME2) o  NADP+ a NADPH (enzima málica 1 citoplasmática, ME1). ME1 y ME2 son recíprocamente reguladas por la p53  en las células senescentes. La expresión de ME1 y ME2  disminuye en las células senescentes. La pérdida de alguna de las enzimas málicas  disminuye los niveles de NADPH, lo cual reduce las funciones dependientes de NADPH como síntesis de lípidos, consumo de glucosa, glutaminolisis y defensa antioxidante. La depleción de ME2 incrementa los niveles de ROS, lo cual activa a la AMPK que causa la fosforilación (activación) de la p53 y senescencia. Entonces, el metabolismo del malato  puede antagonizar la senescencia reforzando las defensas antioxidantes de la célula. Un rol adicional del malato en la prevención de la senescencia  deriva  de estudios sobre inhibición  de la enzima malato deshidrogenasa 1 (MDH1), un componente del “shuttle” malato-aspartato, el cual transfiere equivalentes reductores de NADH del citoplasma  a la matriz mitocondrial. Como ocurre con las enzimas málicas, los niveles y la actividad de MDH1  disminuyen en las células senescentes y la depleción de MDH1  induce una respuesta senescente.  Sin embargo, a diferencia de la depleción de ME2 que reduce  la NADPH mitocondrial; la depleción de MDH1 disminuye la relación NAD+/NADH citoplasmática.  Por otra parte,  la inhibición de la transaminasa glutámico-oxaloacética 1 (GOT1), una enzima del shuttle malato-aspartato,  disminuye la relación NAD+/NADH citoplasmática e induce senescencia.  Más aún, MDH1 y GOT1 son requeridas  para la síntesis de aspartato dependiente de NAD+ en respuesta a la inhibición de la cadena transportadora de electrones y la pérdida de alguna de estas enzimas previene la proliferación celular. Entonces, el malato está en los nexos  de muchas reacciones redox y su pérdida  induce senescencia celular.

Múltiples manipulaciones mitocondriales  -pérdida de  sirtuinas (SIRT3 o SIRT5), o proteínas chaperonas  HSPAS, o inhibición de la cadena transportadora de electrones o depleción de ADN- inducen una respuesta senescente. A diferencia del estrés genotóxico o la activación  de oncogenes, la disfunción mitocondrial induce un SASP distinto que carece de factores proinflamatorios que dependen de la señal del receptor de la IL-1 (IL1R). La senescencia asociada  a disfunción mitocondrial (MiDAS) ilustra la plasticidad del SASP. El piruvato no sólo previene la detención del crecimiento de células MiDAS, sino que también restaura el brazo dependiente de IL1R del SASP. Las células  MiDAS tienen una disminución de la relación NAD+/NADH, pero la adición de piruvato restaura esta relación, al tiempo que disminuye la relación ADP/ATP, restaura la síntesis  de aspartato y promueve la proliferación celular. La MiDAS activa la AMPK, lo cual resulta en activación  de la p53 y senescencia. La actividad p53 a su vez inhibe al factor de transcripción NF-κB, un regulador mayor del SASP. Entonces, la regulación metabólica  de la p53 durante la disfunción mitocondrial controla dos aspectos  de la respuesta senescente: la detención de crecimiento y el SASP.  La masa mitocondrial y el contenido de ADN aumentan 2 a 3 veces en las células senescentes y la eliminación de alguno de ellos antagoniza al paro senescente y al SASP. El incremento de mitocondrias, generalmente disparado por la señal mTOR (blanco mecanístico de rapamicina) puede incrementar el contenido de ROS y el daño de ADN. Por otra parte, la disminución de masa mitocondrial en las células senescente no solo disminuye las ROS mitocondrial sino también la señal de respuesta al daño de ADN (DDR), lo cual es requerido  para la detención de crecimiento y el brazo IL1R del SASP. Entonces, la expansión de mitocondrias  en las células senescentes  puede reforzar los fenotipos senescentes promoviendo la señal DDR.

Como ya se mencionó una relación NAD+/NADH baja promueve la senescencia celular, al menos en parte, limitando la glucólisis y la producción de ATP. Asimismo, la relación NADP+/NADH controla el estatus redox de la célula, pero la NAD+  puede regular  la homeostasis celular y la senescencia de manera independiente de NADH o NADPH. La NAD+  es el donador ADP-ribosa primario para la poli-ADP ribosa polimerasa (PARP), un mediador de la reparación de ADN en respuesta al estrés genotóxico. La inhibición de la PARP promueve daño de ADN sensibilizando a la célula  a la senescencia. Adicionalmente, la PARP1 es requerida para la activación de NF-κB y SASP. Entonces, bajos niveles de NAD+ promueven la senescencia y la inhibición de la nicotinamida monocluéotido fosforibosiltransferasa (NAMPT) induce senescencia  sin el brazo IL1R del SASP, mientras la sobre  expresión de NAMPT suprime la senescencia. La expresión de NAMPT se pierde en varios tejidos durante el envejecimiento. La NAD+ es un cofactor para las sirtuinas, proteínas  que remueven grupos acetil, sucinil y similares  de las proteínas, algunas de la cuales promueven la longevidad. Los bajos niveles de NAD+ disminuyen la actividad de las sirtuinas.  La SIRT1 desacetila varios sustratos asociados con la senescencia, incluyendo p53, Ku70 y NF-κB. La SIRT2 desacetila a la BUBR1 (mitotic checkpoint kinase budding uninhibited by benzimidazole-related 1) de una manera dependiente de NAD+. La BUBR1 antagoniza la senescencia y la depleción de NAD+ o SIRT2 desestabiliza a la BUBR1. Entonces, la NAD+ regula los fenotipos  senescentes  a través de varios mecanismos.

La activación de varios proto-oncogenes induce una respuesta senescente como mecanismo  de protección contra el cáncer. Los cambios metabólicos han sido estudiados  en el contexto de la oncogénesis desde hace varios años, pero sólo recientemente el metabolismo ha sido estudiado en el contexto de la senescencia inducida por oncogenes (OIS) y otras formas de senescencia. La OIS implica un cambio en el metabolismo del piruvato.  Los fibroblastos humanos transformados con BRAF, una mutación oncogénica inductora de senescencia, exhiben varios cambios metabólicos incluyendo  incremento en el consumo de oxígeno y la liberación de glutamato así como también disminución de la secreción de piruvato. Estos cambios están asociados con una disminución de la fosforilación de la PDH que resulta del incremento en la expresión de la piruvato deshidrogenasa fosfatasa (PDP2) y la disminución en los niveles de la piruvato deshidrogenasa quinasa (PDK1). La fosforilación de la PDH inhibe su actividad  y el efecto neto de estas alteraciones es  el incremento en  la actividad del ciclo CAT y la respiración mitocondrial. La depleción de PDP2 o la sobre expresión de PDK1  permiten a las células que expresan BRAF evitar la senescencia. Dado que la cadena transportadora de eelctrones es una fuente mayor de ROS, el estrés oxidativo  derivado de las mitocondrias puede manejar  la OIS.

La OIS también está relacionada con un incremento de la oxidación de ácidos grasos. La inhibición de la carnitina palmitoiltransferasa (CPT1A) previene la transferencia  de ácidos grasos en la mitocondria, lo cual a su vez previene el incremento en el consumo de oxigeno. Con esta disminución de la actividad mitocondrial se reduce el SASP proinflamatorio. Entonces, como en el caso  de MiDAS, el estatus bioenergético de la célula senescente influye fuertemente en el brazo proinflamatorio del SASP. ¿Por qué la activación  de oncogenes reprograma el metabolismo celular? Una posibilidad es que la evolución seleccionó los cambios metabólicos que promueven  la senescencia para prevenir la tumorigénesis. Alternativamente, dado que la activación  de  oncogenes es a menudo mitogénica, es posible que  esas células reprogramen el metabolismo para cubrir los requerimientos energéticos del estímulo mitogénico. Estos cambios pueden ofrecer oportunidades  para desviar el balance metabólico en las células tumorales de tumorigénesis a senescencia.

Las células senescentes  también presentan alteraciones en el metabolismo de proteínas que pueden influir  en la detención del crecimiento y en el SASP.  Hay dos maneras de alteración de la proteostasis  celular en las células senescentes. (1) La degradación acelerada  disminuye los niveles  de proteínas que antagonizan al fenotipo  senescente. (2) Las alteraciones  en la eficiencia traslacional  cambian los niveles  de las proteínas asociadas  con la senescencia. Múltiples evidencias  indican un incremento  en la autofagia asociada con la senescencia, especialmente la macroautofagia, el proceso por el cual complejos de proteínas y organelos asociados con autofagosomas unidos a la membrana  eventualmente se fusionan con lisosomas.  En las células endoteliales, la activación de la autofagia determina  si el estrés inducido por la glicación de colágeno resulta en senescencia o muerte celular, aunque esta determinación puede ser debida a autofagia de lípidos dañados  más que de proteínas. Por el contrario, la inhibición de la autofagia predispone a la senescencia. Por otra parte, aunque la macroautofagia es elevada durante la senescencia, la pérdida de  programas autofágicos específicos  es esencial para el desarrollo del SASP. La degradación autofágica  de organelos y proteínas  dañados  ocurre en los lisosomas, un organelo unido a la membrana que sirve como centro de reciclaje. Hay evidencia de alteración de la actividad lisosomal en las células senescentes. La β-galactosidasa, un marcador  de células senescente, es una proteína lisosomal. Adicionalmente, en la senescencia ocurren asociaciones  entre la mTOR quinasa y los lisosomas y la disrupción de esta asociación  previene la síntesis  de ciertos factores del SASP. Los lisosomas, por lo tanto, juegan un rol importante en el fenotipo senescente. Un segundo complejo  de degradación de proteína, el proteasoma, también cambia en la senescencia. Las células senescentes aumentan selectivamente la actividad proteasoma; esta degradación de proteínas asociada a la senescencia  reduce los niveles de proteínas requeridas para la progresión del ciclo celular y la función mitocondrial. Las proteínas son dirigidas al proteasoma a través de la actividad  de las enzimas que conjugan la ubiquitina, muchas de las cuales  juegan roles claves en la senescencia. El estatus de ubiquitinación de proteínas cambia notablemente con la senescencia, especialmente en las proteínas  responsables de regular la traslación, incluyendo factores de elongación, subunidades ribosomales y complejos de señalización mTOR.  Entonces, la degradación de proteínas, por autofagia  o el proteasoma, juega un importante rol en el fenotipo senescente.

En la literatura reciente  se menciona una relación entre senescencia celular y drogas que extienden el tiempo de vida en muchas especies. Una de tales drogas es la rapamicina, un inhibidor del complejo mTORC1 de la mTOR quinasa  e inductor de autofagia. La rapamicina reduce el brazo manejado por IL1R del SASP a través de la inhibición  de la traslación  de IL-1α y MAPKAPK2, mediadores claves de los elementos proinflamatorios del SASP. La rapamicina también previene el incremento en ADN mitocondrial y ROS asociado  con la senescencia inducida por estrés genotóxico. La rapamicina o la inhibición de mTOR previenen la fosforilación de 4EBP1 a través de una ruta  que también es inhibida por estresores metabólicos como la restricción calórica. Dado que la rapamicina y la restricción calórica  extienden el tiempo de vida  en muchas especies, estos hallazgos sugieren que   la senescencia podría ser un potencial  enlace  entre los efectos traslapados de rapamicina y restricción calórica. Entonces, la proteostasis está vinculada con la senescencia  a través de la autofagia  y la traslación.

En conclusión, la senescencia celular es una respuesta compleja  que detiene la proliferación  de células en riesgo de transformación oncogénica. Los avances recientes  han expandido el conocimiento de la relación entre metabolismo, señalización celular y senescencia celular, lo cual puede ser importante en una variedad de patologías relacionadas con la edad, incluyendo el cáncer.  Sin embargo, el conocimiento de la reprogramación metabólica que ocurre durante la senescencia celular es aún incipiente.  La relación entre la senescencia y el metabolismo de la NAD ha sido mencionada por mucho tiempo, pero es ahora que está claro que tanto los niveles de NAD+ como las relaciones NAD+/NADH controlan aspectos  de los fenotipos senescentes  a través de diferentes rutas. Recientemente, compuestos que elevan la NAD+, incuyendo nicotinamida mononucléotido (NMN), nicotinamida ribosido (NR) y P7C3, han sido propuestos  como posibles fármacos  en la prevención de varias patologías relacionadas con la edad. Como la elevación de NAD+  también incrementa la relación NAD+/NADH, estos compuestos  pueden prevenir la MiDAS y otras formas de senescencia. Sin embargo, restaurar la relación NAD+/NADH  en el contexto de una disfunción mitocondrial también puede resultar en proliferación de células con mitocondrias comprometidos y la secreción de factores proinflamatorios que promueven degeneración tisular. La relación entre senescencia  y glucólisis ha sido confirmada en muchos estudios, pero aún no está claro porque las células senescentes se vuelven más glucolíticas.  Como las células senescentes  aumentan su tamaño  después de la detención  de la proliferación  y el SASP demanda considerable biosíntesis de macromoléculas, es posible que las células senescentes como muchas células cancerosas  favorecen la glucólisis  por su capacidad  para proporcionar precursores  para una alta demanda  de proteínas, lípidos y otros compuestos celulares.

Fuente: Wiley CD y Campisi J (2016). From ancient pathways to aging cell-connecting metabolism and celular senescence.  Cell Metabolism 23: 1013-1021.