Protein synthesis and aging: is translation rate a major regulator?

Pinto, Rómio Júnior Silva

http://hdl.handle.net/10400.1/19571

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Authors

Pinto, Rómio Júnior Silva

Advisor(s)

Nóbrega, Clévio

Abstract(s)

O envelhecimento é um processo biológico universal caracterizado por uma acumulação de danos e outros efeitos nocivos que levam a uma perda progressiva da integridade fisiológica e funcional que culminam na morte do organismo. As alterações que acompanham o envelhecimento ocorrem nos diversos níveis da organização do ser vivo, ou seja, a nível molecular, dos organelos, celular, dos tecidos, órgãos e sistemas. O envelhecimento constitui um dos fatores principais das patologias humanas, como o cancro, a diabetes, doenças cardiovasculares e doenças neurodegenerativas, nomeadamente, as doenças de Alzheimer e Parkinson. Por esta razão e o aumento progressivo da população idosa, nas últimas décadas têm ocorrido um aumento e progresso na investigação focada no envelhecimento. Notavelmente, ao longo das últimas décadas, tem ocorrido uma mudança gradual no foco da investigação sobre o envelhecimento, ao invés de focar-se nos efeitos e sintomas do envelhecimento, tem-se concentrado nos mecanismos moleculares subjacentes ao processo de envelhecimento. Esta nova abordagem levou à descoberta de que a taxa de envelhecimento é controlada, pelo menos até certo ponto, por vias genéticas e processos bioquímicos conservados na evolução, o que permitiu identificar e categorizar as características celulares e moleculares do envelhecimento, sendo estes definidos como os biomarcadores do envelhecimento. Foram propostos nove biomarcadores do envelhecimento: instabilidade genómica, encurtamento dos telómeros, alterações epigenéticas, perda de homeostasia proteica, desregulação da sensibilidade de nutrientes, disfunção mitocondrial, senescência celular, exaustão das células estaminais, alteração da comunicação intercelular. De entre os diversos mecanismos moleculares que impactam o envelhecimento, as alterações que afetam o proteoma celular têm um papel fulcral. Quase todos os processos fisiológicos são dependentes de proteínas e, portanto, a preservação da integridade do proteoma é imperativa para a vida do organismo. Vários fatores especializados são dedicados a preservar a integridade do proteoma celular, desde o processo de pré-tradução até o final do ciclo de vida funcional da proteína. A manutenção da homeostase celular correlaciona-se diretamente com a manutenção de um equilíbrio preciso da síntese, degradação e função de cada proteína. Quando esse equilíbrio é perturbado, as proteínas danificadas se acumulam progressivamente, levando a um estado prejudicial e até mesmo à morte celular. O distúrbio deste equilíbrio ocorre naturalmente com o envelhecimento, à medida que a integridade e a eficácia da maquinaria da síntese proteica e dos sistemas de controlo de qualidade das proteínas diminuem gradualmente devido ao inevitável acúmulo de danos com a idade. Em particular diversos estudos demonstram que a síntese proteica reduz com a idade em diversos organismos, tendo-se observado uma redução de diferentes componentes da maquinaria de tradução, nomeadamente, abundância dos ribossomas e atenuação da atividade e dos níveis dos principais fatores de iniciação e alongamento. Apesar destas descobertas e do crescente número de estudos, vários aspetos da síntese proteica no contexto do envelhecimento permanecem elusivos, especialmente a nível mecanístico. Neste sentido, o presente estudo tem como objetivo elucidar o papel da síntese proteica e do controle da tradução no envelhecimento e na expectativa de vida, assim como compreender a sua conexão funcional com os vários biomarcadores do envelhecimento. Para isso, analisou-se o perfil da taxa global de tradução em modelos celulares. De modo a estabelecer uma ligação entre o envelhecimento e a síntese proteica focamos na proteína de ligação a poliadenilato 1 (PABP1), uma proteína central no controle da tradução e estabilidade de mRNA. Esta proteína promove a circularização do mRNA, levando à estabilização e estimulação da iniciação da tradução. Por isso, PABP1 poderá desempenhar um papel fulcral na mediação de mudanças na síntese proteica com o envelhecimento. Para o estabelecimento da relação entre síntese proteica e o envelhecimento, primeiramente analisou-se a variação do PABP1 com o envelhecimento em modelo celular e em morganhos. Seguidamente, o PABP1 foi sobre-expresso no hipotálamo de morganhos envelhecidos e analisou-se diferentes proteínas ligadas ao envelhecimento, nomeadamente: mTOR, relacionado à desregulação da sensibilidade de nutrientes; Ataxina-2, referente à tradução de mRNA; LC3B e P62, alusivo à perda de homeostasia proteica; IL-6 e NF-κB, concernente à alteração da comunicação intercelular, particularmente, inflamação; e por fim PGC-1α, respeitante à disfunção mitocondrial. O hipotálamo foi o foco da sobre-expressão do PABP1 devido o seu envolvimento com diversas funções fisiológicas que diminuem com o envelhecimento, tais como: desenvolvimento, metabolismo, reprodução, ritmo circadiano e homeostase. Por conectar sistema neuroendócrino aos processos fisiológicos, supõe-se que o hipotálamo seja um regulador chave no envelhecimento sistemático. Foi possível observar que de uma forma geral a taxa de síntese proteica sofre realmente alterações com o envelhecimento. Os resultados obtidos apontam para um papel fundamental da PABP1 no envelhecimento ao induzir a expressão de P62. A expressão de P62 induzida por PABP1 poderá ter, potencialmente, um papel na inflamação, pois podem afetar os níveis de citocinas cruciais, levando à sua redução. Observou-se que danos celulares que geram instabilidade genómica ou condições de estresse podem afetar a taxa geral de síntese proteica, provavelmente, afetando a longevidade. Em conclusão, há uma corelação complexa entre o envelhecimento e síntese proteica. A síntese proteica pode ser alterada por danos celulares que afetam os componentes da maquinaria de tradução, como mutações que causam instabilidade genómica ou estresse oxidativo, impactando subsequentemente a longevidade. PABP1, um componente central na maquinaria de tradução, poderá ter um papel no contexto do envelhecimento por induzir a expressão de P62, que está envolvida em vários processos celulares que implicam o envelhecimento. A PABP1 também, potencialmente, poderá diminuir a inflamação no hipotálamo, indiretamente induzindo a diminuição do IL-6 através do P62, o que permite mitigar várias patologias associadas à inflamação com o envelhecimento. No entanto, devido à complexidade da relação da síntese proteica com o envelhecimento, mais estudos futuros são necessários para elucidar o papel da síntese proteica no envelhecimento.

Aging is a universal biological process characterized by an accumulation of damage and other deleterious changes that lead to a progressive loss of physiological integrity, functionality, and fitness, ultimately resulting in death. It constitutes the primary risk factor for major human pathologies such as cancer, diabetes, cardiovascular disorders, and neurodegenerative diseases. It was proposed nine hallmarks of aging (genomic instability, telomere attrition, epigenetic alterations, loss of proteostasis, deregulated nutrient sensing, mitochondrial dysfunction, cellular senescence, stem cell exhaustion, and altered intercellular communication) that are considered to contribute to the aging process and cooperatively determine the aging phenotypes. Among these multiple molecular mechanisms underlying aging, alterations that affect protein synthesis seem to play a central role. Accumulating evidence suggests that protein synthesis and translation control could significantly influence lifespan. Therefore, this study aims to elucidate the role of protein synthesis and translation control in aging and lifespan and understand their functional connection with several hallmarks of aging. To this end, the translation rate profile was analyzed in different cellular models. Furthermore, to establish a link between aging and protein synthesis, we focused on polyadenylate binding protein 1 (PABP1), a central protein in the control of mRNA translation and stability. PABP1 was overexpressed in old mice's hypothalamus, and key proteins tightly linked with the hallmarks of aging were analyzed. We found that the overall rate of protein synthesis is altered with aging. Moreover, we observed that cellular damage generating genomic instability or stress conditions could impact the overall rate of protein synthesis, possibly affecting lifespan. In addition, our data point to a key role of PABP1 in aging by inducing the expression of p62. PABP1-induced expression of p62 could potentially have a role in inflammaging, as it could reduce the levels of crucial cytokines such as IL-6. Altogether, the results revealed a complex relationship between protein synthesis and aging; therefore, more studies are necessary to elucidate the role of protein synthesis in aging.