Sestrins as modulators of aging processes and diseases related to age

Starzenie jest złożonym procesem, z którym wiąże się wiele zmian patologicznych, takich jak zaburzenia metaboliczne, osłabienie układu odpornościowego czy problemy neurologiczne [24, 30]. Może doprowadzić do powstania zmian nowotworowych, cukrzycy, neurodegeneracji i miopatii [4]. Strategie opóźniania i potencjalnego odwracania procesu starzenia były od dawna przedmiotem wielu badań, jednak mechanizmy molekularne leżące u jego podstaw wciąż nie są w pełni poznane. Sugeruje się, że w procesie starzenia znaczący udział mają białka indukowane stresem o nazwie sestryny [76]. Są to wysoce konserwatywne białka indukowane stresorami środowiskowymi, wśród których można wymienić stres oksydacyjny, uszkodzenia DNA, niedotlenienie, niedobory składników odżywczych [48]. Sestryny dzięki plejotropowym właściwościom biologicznym pełnią ważną rolę w łagodzeniu różnych zaburzeń związanych z wiekiem, w tym dysfunkcji mitochondriów, oporności na insulinę, nietolerancji glukozy, neurodegeneracji czy chorób sercowo-naczyniowych [49, 50, 58, 77].Wynika ona z dwóch zasadniczych funkcji biologicznych sestryn: działania antyoksydacyjnego oraz hamowania kompleksu 1 kinazy mTOR (mTORC1) [8].

Do rodziny sestryn należą trzy izoformy: sestryna 1 (Sesn1, znana także jako PA26), sestryna 2 (Sesn2, znana także jako Hi95) i sestryna 3 (Sesn3) o prawie 50% identycznej sekwencji aminokwasowej, kodowane odpowiednio przez geny Sesn1 (6q21), Sesn2 (1p35.3) i Sesn3 (11q21) [48]. Przez długi czas funkcje biochemiczne sestryn były trudne do określenia ponieważ białka te nie zawierają znanych domen strukturalnych lub motywów katalitycznych. Dopiero zidentyfikowanie pewnego podobieństwa sekwencyjnego sestryn do oksydoreduktaz bakteryjnych doprowadziło do odkrycia ich silnych właściwości antyoksydacyjnych [48].

Pierwsze informacje dotyczące sestryn pojawiły się w 1999 r., gdy opisano wzrost wzrost ekspresji genu PA26 (Sesn1) indukowany w odpowiedzi na uszkodzenie wywołane promieniowaniem jonizującym, UV oraz cytostatykami jako nowy cel białka supresorowego nowotworu - p53. Wyniki tych badań sugerowały, że Sesn1 ma właściwości typowe dla genów naprawczych GADD (growth arrest and DNA damage-inducible) i genów indukowanych uszkodzeniem DNA, a przez to stanowi nowy, potencjalny regulator wzrostu komórkowego [78]. Trzy lata później, dzięki zastosowaniu hybrydyzacji mikromacierzy cDNA do identyfikacji genów uczestniczących w odpowiedzi komórkowej na hipoksję odkryto nowy gen Hi95 (Sesn2), który wykazywał znaczącą homologię zPA26 (Sesn1) [9]. Przedłużone niedotlenienie, uszkodzenie DNA i stres oksydacyjny (ale nie hipertermia czy deprywacja surowicy) powodowało nasilenie transkrypcji Hi95. Wykazano również, że nadekspresja pełnej długości cDNA genu Hi95 jest toksyczna dla wielu rodzajów komórek, prowadząc albo do ich uwrażliwienia na niedobory odżywcze i uszkodzenie DNA albo do apoptozy [76]. Zasugerowano zatem istotny udział Sesn2 w regulacji przeżycia komórek w odpowiedzi na różne rodzaje stresu.

Odpowiedzialne za indukcję transkrypcji genów Sesn1-3 są: białko p53 (Sesn1 i Sesn2), białko AP-1 (Sesn2 i Sesn3), czynniki transkrypcyjne Nrf2, HIF-1/2 i c/EBPβ (Sesn2) oraz czynniki transkrypcyjne FoxOs (Sesn3) (ryc. 1) [3, 14, 69, 74].

Sesn2 jest najlepiej poznaną izoformą sestyn. Badania struktury ludzkiej Sesn2 (hSesn2) z użyciem krystalografii rentgenowskiej wykazały, że cząsteczkę hSens2 tworzą dwie strukturalnie podobne subdomeny (Sesn-A i Sesn-C) połączone domeną helisa-skręt-helisa (Sesn-B) [72]. Specyficzne miejsca w tych domenach warunkują oddziaływanie sestryn z innymi białkami i modulację ich funkcji [41]. I tak katalityczna cysteina (C125) w domenie Sesn-A wraz z otaczającymi ją konserwatywnymi resztami aminokwasowymi tyrozyny oraz histydyny (Y127 i H132) odpowiadają za funkcje antyoksydacyjne hSesn2.

Ryc. 1

Natomiast dwie reszty kwasu asparaginowego (D406 i D407) w domenie C są odpowiedzialne za interakcję Sesn2 z białkiem GATOR (GTPase activating protein towards Rags) i negatywną regulację mTORC1. Miejsce wiążące leucynę, obecne także w domenie Sesn-C, sugeruje znaczenie hSesn2 jako bezpośredniego sensora dostępności tego aminokwasu [80]. Ponadto wykazano, że Sesn2 oddziałuje z białkiem represorowym Keap1 (Kelch-like ECH-associated protein 1) wiążącym Nrf2, białkiem p62/SQTM oraz inicjatorem autofagii ULK1 (uncoordinated-51-like kinase-1) potwierdzając tym samym jej rolę jako łącznika między odpowiedzią antyoksydacyjną i autofagią [70].

Ponieważ z wiekiem dochodzi do nasilenia stresu oksydacyjnego i szlaku mTOR, sestryny stały się głównie celem badań nad komórkowymi mechanizmami starzenia się organizmu i metodami ich spowalniania [28]. Dostępne dane wykazują jednak, że sestryny odgrywają również istotną rolę w hamowaniu rozwoju nowotworów, stanów zapalnych i chorób neurologicznych [40, 42, 85].

Ścieżka sygnałowa Keap1/Nrf2 jest jednym z najważniejszych wewnątrzkomórkowych szlaków antyoksydacyjnych [10]. Nrf2 to czynnik transkrypcyjny o wysokiej wrażliwości na stres oksydacyjny, który wiąże się w jądrze komórkowym z fragmentem DNA określanym jako element odpowiedzi antyoksydacyjnej ARE (antioxidant response elements). Sekwencję nukleotydową ARE zidentyfikowano jako 5′-TGACNNNGC-3′, ‘N’ oznacza dowolny nukleotyd. Geny zawierające w swoich promotorach ARE kodują enzymy antyoksydacyjne, tj. S-transferazy glutationowe (GSTs, glutatione S-transferases), reduktazę NAD(P)H:chinon 1 (NQO1, NQO1 – NAD(P)H quinone dehydrogenase 1), oksygenazę hemową 1 (HO-1, heme oxygenase), syntetazę γ-glutamylocysteinową (γ-GCS, γ-glutamylcysteine synthetase) i wiele innych [62].

W warunkach fizjologicznych Nrf2 jest związany z białkiem supresorowym Keap1 i zakotwiczony w cytoszkielecie aktyny, a przez to ograniczona jest jego aktywność transkrypcyjna [38]. Stres oksydacyjny powoduje, że Nrf2 oddziela się od Keap1 i ulega translokacji do jądra komórkowego. To umożliwia jego wiązanie do ARE i pobudzenie transkrypcji genów kodujących enzymy antyoksydacyjne [59]. Na aktywację oraz szybkość translokacji Nrf2 do jądra komórkowego ma także wpływ stopień jego ufosforylowania, który jest zależny od funkcji kinaz. Dotychczas wykazano, że w regulację odpowiedzi Nrf2 na stres oksydacyjny są zaangażowane m.in. kinazy białkowe aktywowane przez mitogeny (MAPKs, mitogen activated protein kinases), kinaza 3-fosfatydyloinozytolu (PI3K, phosphoinositide-3 kinase), kinaza białkowa C (PKC, protein kinase C) czy też kinaza białkowa retikulum endoplazmatycznego (PERK, RNA-dependent protein kinase (PKR)-like endoplasmic reticulum kinase) [83, 87].

Ważnym odkryciem było określenie roli Sesn2 w utrzymaniu homeostazy komórkowej w warunkach stresu oksydacyjnego. Najważniejsza dla niej okazała się obecność w Sesn2 konserwowanej reszty cysteinowej Cys125, łatwo ulegającej utlenieniu [3]. Pod wpływem reaktywnych form tlenu (ROS) Sesn2 aktywuje Nrf2 przez osłabienie jego oddziaływania z Keap1 i umożliwienie tym samym translokacji do jądra komórkowego (ryc. 2) [33]. Wykazano, że w brunatnej tkance tłuszczowej Sesn2 może także wstrzymywać kinazę p38 MAP uruchamianą przez ROS oraz białko rozprzęgające 1. Ponadto, Sesn2 w mechanizmie zależnym od Nrf2 osłabia stres oksydacyjny w mózgu i nerkach [27, 36].

Ryc. 2

Podstawowym aspektem korzystnego działania sestryn jako białek spowalniających procesy starzenia jest ich wpływ na szlak sygnałowy kinazy białkowej aktywowanej przez AMP (AMPK)/mTORC1.

Kinaza mTOR (mammalian target of rapamycin kinase), sensor dostępności energii i składników odżywczych oraz regulator wzrostu, należy do kinaz homologicznych z PI3K. Stanowi ona podjednostkę katalityczną dwóch funkcjonalnie i biochemicznie różnych kompleksów: wysoce wrażliwego na rapamycynę mTORC1 i niewrażliwego na rapamycynę kompleksu 2 kinazy mTOR (mTORC2) [81].

Kompleks mTORC1 tworzy kinaza mTOR, białka Raptor (regulatory associated protein of mTOR) i mLST8/GβL (mammalian LST8/G protein β-subunit like protein) oraz endogenne inhibitory, takie jak PRAS40 (proline-rich AKT1 substrate 40), DEPTOR (DEP domain-containing mTOR interacting protein) i FKBP38. Wiadomo, że mTORC1 jest wewnątrzkomórkowym ogniwem sprzęgającym sygnały metaboliczne i środowiskowe (tj. tlen, czynniki wzrostu, składniki odżywcze, stres) z regulacją biosyntezy białek i lipidów, wzrostem komórek, biogenezą rybosomów oraz autofagią [81]. Zatem mTORC1 aktywuje procesy anaboliczne, a hamuje reakcje kataboliczne będące źródłem adenozynotrifosforanu (ATP). Nadmierna aktywacja mTORC1 może towarzyszyć zaburzeniom metabolicznym związanym z wiekiem i otyłością [34].

mTORC1 podlega regulacji przez umiejscowiony wyżej w kaskadzie sygnałowej kompleks TSC (tuberous sclerosis complex) złożony z białek TSC1 (hamartyna) i TSC2 (tuberyna). Podjednostka TSC2 działa jako białko aktywujące GTP i negatywny regulator białka Rheb (Ras homolog enriched in brain). Rheb jest silnym stymulatorem aktywności kinazy mTOR [47]. Aktywność TSC2 regulują różne kinazy białkowe, tj. Akt, Erk1/2 czy AMPK.

Ryc. 3

Dwoma najbardziej znanymi celami działania mTORC1 na szlaku przekazywania sygnału są regulatory syntezy białek: kinaza rybosomalna S6 (S6K) i białko wiążące eukariotyczny czynnik translacji 4E(4E-BP1) [81]. Kompleks mTORC1 jest także negatywnym regulatorem autofagii hamującym przez fosforylację składniki kompleksu inicjującego autofagię - białka ULK1 i ATG13 (autophagy-related protein 13) [32]. Połączenie mTOR1 z kompleksem inicjującym autofagię ULK1:ATG13:FIP200 utrzymuje bowiem ATG13 w stanie hiperfosforylacji osłabiając przez to jego powinowactwo do ULK1 i możliwość zapoczątkowania tworzenia błon izolujących [64].

Natomiast mTORC2 zawiera białka: mTOR, Rictor (rapamycin-insensitive companion of mTOR), mLST8/GβL, Protor-1/2 (protein observed with rictor-1/2), mSIN1 (mammalian stress-activated protein kinase interacting protein 1) oraz endogenne inhibitory, takie jak DEPTOR i XPLN (exchange factor found in platelets, leukemic, and neuronal tissues). Kompleks ten bierze udział w regulacji cytoszkieletu aktynowego oraz wzroście i rozprzestrzenianiu komórek [42]. Po aktywacji, wyłącznie przez czynniki wzrostu, mTORC2 reguluje przez fosforylację aktywność kinaz - głównie AKT, SGK (serum and glucocorticoid-regulated kinase) i PKC [81].

AMPK natomiast jest kluczowym enzymem regulującym homeostazę energetyczną, zarówno na poziomie komórki, jak i całego organizmu. Jej aktywacja następuje pod wpływem deficytów energetycznych (np. podczas hipoksji, głodzenia czy wysiłku fizycznego), a więc w warunkach spadku stężenia ATP przy równoczesnym wzroście poziomu AMP. AMPK spełnia zatem rolę swoistego „czujnika” statusu energetycznego komórki. Jest też negatywnym regulatorem mTOR. AMPK to heterotrimeryczna kinaza serynowo-treoninowa zbudowana z katalitycznej podjednostki α występującej w dwóch izoformach (α1, α2) oraz dwóch podjednostek regulatorowych β (β1, β2) i γ (γ1, γ2, γ3) [73]. Funkcją podjednostki α jest oddziaływanie z podjednostkami β i γ oraz autoinhibicja [23]. Podjednostka β utrzymuje konformację całej cząsteczki, a γ odpowiada za wiązanie AMP i ATP [82]. Poziom ekspresji poszczególnych izoform wykazuje swoistość tkankową i jest zależny od umiejscowienia w konkretnych kompartmentach komórki. Izoforma α1 znajduje się głównie w tkance tłuszczowej, płucach, trzustce, nerkach i śledzionie. Izoforma α2, podobnie jak β2, występuje w mięśniu sercowym i mięśniach szkieletowych. Natomiast izoformy β1, γ1 i γ2 są szeroko rozpowszechnione w ludzkich tkankach, w odróżnieniu od γ3, dla której istotną ekspresję mRNA stwierdzono tylko w mięśniach szkieletowych [20].

Aktywność AMPK podlega kilku mechanizmom regulacyjnym pozwalającym na szybką reakcję komórki w odpowiedzi na niewielkie nawet zmiany stosunku AMP/ATP [58]. Przyłączenie dwóch cząsteczek AMP do specyficznej domeny podjednostki γ (zwanej motywem CBS) powoduje allosteryczną aktywację AMPK. Następnie możliwa jest fosforylacja treoniny 172 (Thr172) zlokalizowanej w podjednostce α i dalszy (nawet 100-krotny) wzrost aktywności AMPK [60]. Fosforylacja α-Thr172 zachodzi z udziałem trzech kinaz, tj. LKB1 (liver kinase B1), CAMKK (Ca²⁺/calmodulin-dependent protein kinase α) oraz TAK1 (transforming growth factor β-activated kinase). LKB1 odgrywa ważną rolę w aktywacji AMPK w odpowiedzi na AMP [73]. Aktywność AMPK może być również regulowana dzięki interakcjom białko-białko, np. z białkiem KSR2 (kinase suppressor of Ras 2) [22]. Ponadto, związanie AMP przez podjednostkę γ-uniemożliwia defosforylację α-Thr172, a tym samym dezaktywację AMPK przez fosfatazy [60].

AMPK hamuje przez fosforylację aktywność wielu enzymów anabolicznych zaangażowanych w biosyntezę glikogenu i lipidów, tj. karboksylazy acetylo-CoA (ACC, acety-CoA carboxylase), acylotransferazy glicerolo-3-fosforanu (GPAT glycerol phosphate acyl transferase), reduktazy hydroksymetyloglutarylo-koenzymu A (HMGCR, 3-hydroxy-3-methylglutaryl CoA reductase) i syntazy glikogenu (GS, glycogen synthase) [31]. AMPK hamuje również aktywność transkrypcyjną białka wiążącego sterolowy element regulatorowy (SREBP, sterol regulatory element binding protein), obniżając w ten sposób ekspresję genów lipogenicznych [48]. Jednocześnie AMPK nasila procesy kataboliczne: biogenezę mitochondrialną, syntezę ATP, wychwyt glukozy, oksydację kwasów tłuszczowych i glikolizę [31]. Wzrost aktywności AMPK w warunkach stresu metabolicznego ma także związek z jej pobudzającym wpływem na kinazę ULK1, zaangażowaną w indukcję autofagii [43]. Co ważne, AMPK antagonizuje procesy anaboliczne stymulowane przez mTORC1. Pośrednie zahamowanie przez AMPK aktywności mTORC1 jest skutkiem zależnej od fosforylacji aktywacji TSC2 i następczej inhibicji białka Rheb. Wykazano jednak, że AMPK może też bezpośrednio hamować mTORC1 przez katalizowanie reakcji fosforylacji jego podjednostki regulatorowej - białka Raptor [37].

Sesn2 hamuje mTORC1 głównie przez aktywację AMPK i fosforylację TSC2 (ryc. 3) [5]. Ponadto, zarówno w badaniach in vitro, jak i in vivo stwierdzono, że wyciszenie ekspresji genu Sesn2 powoduje zahamowanie AMPK i przedłużony wzrost aktywności mTORC1 w różnych typach komórek wskazując tym samym na ważną rolę Sesn2 w szlaku sygnałowym AMPK/mTORC1 [6, 49].

W komórkach, w których przeprowadzono knockdown Sesn2 obserwowano jednocześnie wzrost fosforylacji białek docelowych mTORC1, takich jak S6K i 4-EBP. Sugeruje się zatem, że Sesn2 poprzez zahamowanie aktywności mTORC1 osłabia fosforylację S6K i 4E-BP [6]. Nieufosforylowane 4E-BP wiąże eukariotyczny czynnik inicjacji translacji eIF4E (eukaryotic translation initiation factor 4E) i uniemożliwia powstanie kompleksu inicjującego translację eIF4F. Zaburzenie przez Sesn2 sygnalizacji mTOR do białek docelowych i obniżenie poziomu eIF4F może zatem doprowadzić do osłabienia translacji mRNA dla protoonkogenów, tj. cyklina D1 czy c-myc, i zapobiegać transformacji nowotworowej [1, 55].

Sposób w jaki sestryny aktywują AMPK nie jest jeszcze dokładnie wyjaśniony. Dostępne dane wskazują na ułatwienie przez te białka procesu fosforylacji, a tym samym aktywacji AMPK. W badaniach in vitro obserwowano jednak, iż Sesn2 nie tylko wzmaga fosforylację AMPK (głównie przez LKB1), ale też nasila autofosforylację oraz reguluje ekspresję podjednostek AMPK [71].

Autofagia jest ściśle regulowanym procesem, który umożliwia komórce degradację, recykling oraz odzyskiwanie energii z uszkodzonych i/lub toksycznych elementów jej struktury [29]. Proces ten, ściśle związany z kontrolą wewnątrzkomórkowego wytwarzania ROS, inicjuje kinaza ULK1. Jak wspomniano wyżej, aktywność ULK1 jest hamowana fosforylacją Ser757 przez mTOR, a pobudzana fosforylacją Ser317 i Ser777 przez AMPK [13]. Desfosforylacja ULK1 powoduje natomiast nukleację fagoforu, czyli utworzenie błony izolującej (przekształcanej później w autofagosom) z udziałem kompleksu białek PI3K:Beklina-1:p150. Ten etap wyzwala kaskadę sygnalizacyjną, dzięki której dochodzi do akumulacji koniugatów Atg8-fosfatydylo-etanoloamina. To prowadzi do dojrzewania i zamknięcia autofagosomów oraz zakotwiczenia w ich błonach specyficznych białek, tj. p62/SQTM. W następny etap, polegający na fuzji autofagosomu z lizosomom, są także zaangażowane różne białka, przede wszystkim SNARE (soluble N-ethylmaleimide-sensitive-factor-attachment protein receptor) i wiążące Beklinę 1 białko UVRAG (UV irradiation resistance-associated gene) [57].

Mitofagia jest natomiast postacią selektywnej autofagii polegającej na degradacji mitochondriów. Zaburzenie mitofagii powoduje nagromadzenie dysfunkcyjnych lub uszkodzonych mitochondriów, będących źródłem nadmiernie wytwarzanych ROS [88]. Wysoki poziom ROS indukuje stan zapalny przez różne mechanizmy, w tym nadmierną aktywację inflammasomu NLRP3 [21].

W wyniku uwolnienia mitochondrialnego DNA, uszkodzenia tkanek i śmierci komórek dochodzi do wielu patologii zwyrodnieniowych.

Sestryny są pozytywnymi regulatorami autofagii indukowanej przez różne stresory środowiskowe wywołujące dysfunkcję mitochondriów [3, 33]. W warunkach stresu metabolicznego, bezpośrednia fosforylacja ULK1 przez aktywowaną sestrynami AMPK uruchamia mechanizm autofagii [43]. Ponadto, Sesn2 wiąże wielofunkcyjne białko adaptorowe p62/SQTM i nasila zależną od niego degradację. P62/SQTM asocjuje z wieloma substratami przeznaczonymi do autofagii, takimi jak uszkodzone mitochondria, ubikwitynowane białka czy inhibitor Nrf2 – białko Keap1 [21]. Wykazano, że połączenie Sesn2 z p62/SQTM powoduje autofagiczną degradację Keap1 i w końcu nasilenie transkrypcji genów antyoksydacyjnych [3]. Sesn2 może tworzyć też funkcjonalny kompleks z ULK1 i p62/SQTM, faworyzując tym samym fosforylację p62/SQTM przez ULK1 [68]. Co więcej, Sesn2 ułatwia rozpoznawanie uszkodzonych mitochondriów i przekazywanie ich do degradacji. Ten proces jest dalej wzmagany przez zdolność Sesn2 do zwiększania poziomu ULK1 i prawdopodobnie zapobiega nadmiernej aktywacji inflammasomu NLRP3 [45].

Mechanizmy komórkowe odpowiedzialne za starzenie obejmują: akumulację uszkodzonych oksydacyjnie białek, lipidów i kwasów nukleinowych, niestabilność genomu, dysfunkcję mitochondriów, utratę homeostazy białkowej i zmniejszenie liczby komórek macierzystych [54]. Dlatego też z wiekiem znacznie wzrasta ryzyko chorób sercowo-naczyniowych, cukrzycy typu 2, nowotworów, udarów czy neurodegeneracji, takich jak choroby Parkinsona (PD, Parkinson’s disease) i Alzheimera (AD, Alzheimer’s disease).

Typowym dla starzenia zaburzeniom metabolicznym, upośledzeniu proteostazy czy osłabieniu mięśni towarzyszy dysregulacja mTORC1, zahamowanie sygnalizacji AMPK, zwiększone wytwarzanie ROS oraz osłabienie autofagii. Sestryny mają zatem wszystkie korzystne cechy umożliwiające spowolnienie procesu starzenia poprzez hamowanie ROS i mTORC1 wraz z jednoczesną stymulacją AMPK i autofagii. Potwierdzają to wyniki badań, w których nasilenie ekspresji sestryn opóźniało starzenie, a jej osłabienie przyspieszało ten proces [8, 50]. Niedawno opisane umiejscowienie sestryny 2 w mitochondriach potwierdza, że sestryna ta może być bezpośrednio zaangażowana w regulację funkcji mitochondriów [7, 46].

Sestryny przez zmniejszenie anabolizmu i indukcję autofagii mogą reprogramować komórki w celu osłabienia szkodliwego działania różnych stresorów. Białka te pełnią też funkcję przeciwutleniaczy ponieważ łagodzą uszkodzenia oksydacyjne, zapobiegają dysfunkcji mitochondriów lub hamują ich metabolizm będący źródłem ROS. Sestryny można zatem uznać za modulatory fizjologiczne osłabiające działanie stresu indukującego przyspieszone starzenie [49].

Istotne jest to, że sestryny wykazują ekspresję także w prawidłowych, niestresowych warunkach. Dlatego mogą chronić przed uszkodzeniami będącymi następstwem podstawowych procesów życiowych, takich jak fosforylacja oksydacyjna czy replikacja DNA [76].

Niedokrwienie (ischemia) i następcza reperfuzja (I/R) powodują gwałtowne wytwarzanie ROS, prowadząc do arytmii i uszkodzenia miokardium [18]. Z wiekiem zwiększa się podatność mięśnia sercowego na uszkodzenie ischemiczno-reperfuzyjne w wyniku zaburzenia procesu autofagii, zmniejszenia ekspresji Sesn2 oraz spadku aktywności AMPK [58, 67]. U myszy z wyłączonym genem Sesn2 (Sesn KO) narażonych na I/R obserwowano większy obszar uszkodzenia i pogorszenie pracy serca w porównaniu do myszy typu dzikiego [58]. W starzejącym się sercu w warunkach I/R upośledzone jest również wiązanie przez Sesn2 kinazy LKB1 - aktywującej przez fosforylację AMPK [58].

Dostępne dane wskazują też na zdolność sestryn do spowalniania progresji kardiomiopatii przerostowej. Przyczyną tej choroby, ostatecznie prowadzącej do niedożywienia i śmierci kardiomiocytów, jest nadmierne obciążenie lub uszkodzenie serca. Przerost mięśnia sercowego jest jednym z czynników predykcyjnych umieralności i zachorowalności związanej z chorobami sercowo-naczyniowymi [15]. W badaniach mechanistycznych wykazano, że utrata Sesn1 i Sesn2 wywołuje nadaktywację mTOR i osłabienie czynności serca, a zahamowuje mTOR i przywraca prawidłową pracę tego organu [75]. Inhibicja mTOR przez sestryny wydaje się wpływać kardioprotekcyjnie, zwłaszcza w warunkach stresowych wywołujących hipertrofię, np. przeciążenie ciśnieniowe [51]. Udowodniono bowiem, że Sesn1 skutecznie hamuje proliferację fibroblastów sercowych, a wyciszenie genu Sesn1 pobudza podziały tych komórek indukowane angiotensyną II, nasilając w ten sposób syntezę DNA, wytwarzanie kolagenu i ROS [87]. Obniżenie ekspresji Sesn1 stwierdzono też w przeroście serca wywołanym przeciążeniem ciśnieniowym i fenylefryną [84]. Wyłączenie ekspresji genu Sesn1 pogarszało w tych warunkach hipertrofię mięśnia sercowego, podczas gdy nadekspresja Sesn1 ją osłabiała na skutek aktywacji autofagii przez szlak AMPK/mTORC1 [84]. W kardiomiocytach stymulowanych fenylefryną obserwowano także mniejszy poziom Sesn2 oraz efekt kardioprotekcyjny wywołany nadekspresją tej izoformy [26].

Sestryny wydają się również odgrywać korzystną rolę w zapobieganiu miażdżycy. Osłabienie ekspresji Sesn2 w śródbłonku naczyniowym powodowała AMPK-zależne nasilenie reakcji prozapalnych i stresu ER [85]. Wykazano także, że Sesn2 hamuje szlaki zapalne i zmniejsza odpowiedź zapalną makrofagów, które są istotnymi mediatorami w patogenezie miażdżycy [85]. W badaniu na myszach pozbawionych genu Sesn2 obserwowano nasilenie tworzenia blaszek miażdżycowych w mechanizmie angażującym zwiększone wytwarzanie ROS i stres ER oraz wzrost ekspresji cząsteczek adhezyjnych w naczyniach krwionośnych [35]. Wynika z tego, że Sesn 1 i Sesn2 mogą stanowić nowe, atrakcyjne cele terapeutyczne w chorobach sercowo-naczyniowych, których ryzyko wzrasta z wiekiem [65].

Sestryny są obecnie postrzegane jako silne supresory transformacji nowotworowej, stanowiące ogniwo łączące stres genotoksyczny, białko p53 i szlak sygnałowy mTOR [76]. Wyniki eksperymentów prowadzonych na różnych liniach nowotworowych wskazują na istotną rolę sestryn w hamowaniu wzrostu i proliferacji komórek rakowych [5, 25, 42]. Aktywności przeciwnowotworowej sprzyjają silne właściwości antyoksydacyjne tych białek. Zwiększone wytwarzanie ROS i stres oksydacyjny wpływają bowiem indukująco na proliferację oraz mutację, co ostatecznie prowadzi do niestabilności genomu i wzrostu przeżywalności komórek nowotworowych [16].

W warunkach in vitro wykazano, że Sesn2 hamuje podziały mysich fibroblastów embrionalnych (MEFs) na skutek zmniejszenia transkrypcji genów cykliny D1 i c-myc [6]. W badaniach na komórkach nowotworu płuca, deficyt Sesn2 promował migrację komórek rakowych in vitro oraz wzrost ksenograftu in vivo [25]. Natomiast silne osłabienie ekspresji Sesn2 w komórkach niedrobnokomórkowego raka płuca (NSCLC) powodowało znaczny wzrost ich agresywności [16]. Ze względu na kontrolę mTORC1, Sesn1 uznano za supresora rozwoju chłoniaka grudkowego [63]. W raku endometrium promotor genu Sesn3 jest metylowany w 20%, co wskazuje również na rolę Sesn3 jako supresora nowotworowego [91]. Natomiast in vivo, myszy pozbawione genu Sesn2 charakteryzowała większa podatność na raka jelita grubego [42]. Dane kliniczne uzyskane u pacjentów z nowotworem jelita grubego potwierdziły, że obniżona ekspresja Sesn2 koreluje ze złym rokowaniem [79].

Kompleks mTORC1 odgrywa podstawową rolę w regulacji metabolizmu komórkowego. Przewlekła stymulacja mTORC1 przez nadmiar składników odżywczych nasila biosyntezę białek i lipidów oraz hamuje autofagię [52]. Na skutek aktywacji przez mTORC1 kinazyS6K, będącej negatywnym regulatorem fosforylacji reszt tyrozynowych substratu receptora insulinowego (IRS1), może dochodzić do rozwoju insulinooporności i osłabienia indukowanej insuliną ścieżki sygnałowej PI3K/Akt [2]. Kompleks mTORC1 aktywuje przez fosforylację także białko wiążące receptor czynnika wzrostu 10 (Grb10, growth factor receptor-bound protein 10), które zostało zidentyfikowane jako inhibitor szlaku PI3K/Akt [87].

Dysfunkcja autofagii spowodowana aktywacją mTORC1 indukuje stres ER i oporność na insulinę [89]. Stres ER na skutek nadmiernej aktywacji kinazy JNK (c-Jun N-terminal kinase) dodatkowo tłumi sygnalizację insuliny [61]. Dlatego chroniczne pobudzenie mTORC1 przyczynia się do insulinooporności i cukrzycy typu 2.

W badaniach in vitro prowadzonych na mysich pierwotnych hepatocytach oraz linii komórkowej ludzkiej hepatomy HepG2 stwierdzono, że insulina powoduje wzrost ekspresji Sesn2 [12]. Natomiast eksperymenty in vivo wykazały, że myszy pozbawione genu Sesn3 mają objawy insulinooporności i nietolerancji glukozy, a nadekspresja tej izoformy chroni myszy transgeniczne przed opornością na insulinę [77]. Wysunięto zatem przypuszczenie, że ze względu na zdolność do hamowania mTORC1 sestryny mogą łagodzić insulinooporność. Niedawno opublikowane dane wskazują, że wysiłek fizyczny pobudza interakcję między AMPK i Sesn2, co powoduje nasilenie przez autofagię wrażliwości na insulinę [53]. Natomiast niedobór Sesn2 zwiększa insulinooporność wywołaną otyłością i przyspiesza rozwój cukrzycy. W badaniu na myszach Sesn2−/− obserwowano znaczne zmniejszenie insulinowrażliwości wątrobowej i zahamowanie stymulowanego insuliną szlaku PI3/Akt [50]. Co istotne, Sesn2 podtrzymuje wrażliwość na insulinę na skutek aktywacji AMPK, a spadek jej ekspresji nasila stłuszczenie wątroby spowodowane otyłością [50]. Indukcja Sesn2 z następczym pobudzeniem AMPK i zahamowaniem mTORC1 wpływa na dużą aktywność kinazy AKT, co powoduje supresję glukoneogenezy wątrobowej i obniżenie poziomu cukru we krwi [50]. Stąd też wydaje się, że regulacja aktywności sestryn może stanowić alternatywne podejście do zapobiegania insulinooporności, otyłości i cukrzycy [11, 44].

Neurony są bardzo wrażliwe na podwyższony poziom ROS, który jest silnym induktorem apoptozy i jedną z pierwotnych przyczyn neurodegeneracji. Z wiekiem osłabieniu ulegają naturalne systemy obrony antyoksydacyjnej a nasilają się niebezpieczne, oksydacyjne uszkodzenia cząsteczek biologicznych [39]. Dlatego też jedną ze strategii terapeutycznych w chorobach neurodegeneracyjnych, tj. PD i AD, jest ograniczanie skutków stresu oksydacyjnego. Te przewlekłe schorzenia cechuje również inny patomechanizm, łączony z dysfunkcją autofagii i opierający się na akumulacji źle pofałdowanych i/lub toksycznych białek. Zalicza się do nich m.in. ciała Lewy’ego zawierające α-synukleinę w PD oraz amyloid β i hiperufosforylowane białko tau w AD. Podwójna funkcja biologiczna sestryn polegająca na silnym efekcie antyoksydacyjnym i indukcji autofagii stanowi zatem o wyjątkowych właściwościach neuroprotekcyjnych tych białek [17, 33, 49].

W modelu PD in vitro stwierdzono, że zwiększona ekspresja Sesn2 chroni komórki ludzkiej linii neuroblastoma SH-SY5Y przed neurotoksycznością wywołaną 1-metylo-4-fenylopirydyną (MPP+) [90]. Aktywacja Sesn2 miała także działanie protekcyjnie wobec komórek dopaminergicznych narażonych na działanie rotenonu przez indukcję AMPK-zależnej autofagii oraz zapobieganie ekspresji α-synukleiny i apoptozie [33]. Natomiast badania prowadzone z użyciem technik immunocytochemicznych i Western blot na mózgach pacjentów z PD wykazały obecność Sesn3 w ciałach Lewy-’ego w pniu mózgu. To wskazuje, że sestryny jako modulatory autofagii mogą być inkorporowane do tych agregatów białkowych, a ich ekspresja zwiększać się z wiekiem [56].

Podobne wyniki otrzymano w modelach doświadczalnych AD. W pierwotnej hodowli neuronów korowych gen Sesn2 został zidentyfikowany jako jeden z genów, którego ekspresja indukowana jest po ekspozycji na amyloid β, a jego wyciszenie hamuje autofagię i pogłębia cytotoksyczne działanie amyloidu β [19]. Sestryny są ważnymi mediatorami regulacji lizosomalnej autofagii, które odgrywają główną rolę w chorobie Alzheimera [11]. Ponadto, komórki MEFs pozbawione preseniliny (PS1 i PS2), której mutacja jest główną przyczyną rodzinnej postaci AD, wykazywały niższy poziom ekspresji Sesn2 i dysfunkcję mTORC1 [19]. Natomiast w badaniach klinicznych obserwowano istotnie wyższy poziom Sesn2 w surowicy krwi starszych pacjentów z AD w porównaniu do kontroli i osób z łagodnym otępieniem, co sugeruje możliwość użycia Sesn2 jako biomarkera AD [66].

Sestryny są wewnątrzkomórkowymi regulatorami wielu procesów, takich jak autofagia, stres ER, homeostaza metaboliczna i stres oksydacyjny. Odgrywają one istotną rolę ochronną w odpowiedzi na różne czynniki szkodliwe, takie jak uszkodzenia DNA, ischemia, zwiększone wytwarzanie ROS czy stres metaboliczny. W patogenezie chorób związanych z wiekiem, a zwłaszcza nowotworów, niedokrwienia, cukrzycy i neurodegeneracji, kluczową rolę przypisuje się stresowi oksydacyjnemu i zaburzeniom autofagii. Sestryny mają unikalne cechy łączące właściwości antyoksydacyjne z hamowaniem mTORC1 i indukcją autofagii. Wydaje się zatem, że sestryny mogą stanowić podstawę innowacyjnych strategii terapeutycznych w chorobach związanych z wiekiem.