Μελέτη φυσικών και συνθετικών ενώσεων με αντιγηραντική δράση και δράση εναντίον της πρωτεϊνικής συσσωμάτωσης σε οργανισμικά και κυτταρικά μοντέλα γήρανσης

Abstract

In this doctoral thesis, we studied two compounds that structurally activate the 20S proteasome, likely through direct stereochemical interactions. These compounds demonstrated anti-aging properties and reduced protein aggregation in cellular and organismal aging models. In the first part of the thesis, we identified for the first time a natural compound isolated from the brown alga Dictyota mediterranea as a structural proteasome activator, named (1R,3E,6R,7Z,11S,12S)-dolabella-3,7,18-trien-6,17-olide (DBTO). DBTO activates the 20S proteasome both in vitro (in the absence of cell lysates) and in cellulo. Continuous administration of DBTO to young, human primary fibroblasts (HFL-1) throughout their replicative lifespan improves cellular healthspan. Similarly, DBTO administration improves the health status of wild-type Caenorhabditis elegans nematodes. Furthermore, DBTO administration in transgenic Alzheimer’s disease models of C. elegans and human neuroblastoma cells (SH-SY5Y) exposed to Aβ peptide enhances protection against Aβ-induced proteotoxicity.In the second part of the thesis, the hybrid compound MK151, combining the structural features of hydroxytyrosol and chroman (the pharmacophore of vitamin E) in one scaffold, was identified as a structural 20S proteasome activator in vitro (in the absence of cell lysates), in cellulo, and in vivo following administration in wild-type C. elegans. Continuous MK151 administration to young, human primary fibroblasts (HFL-1) throughout their replicative lifespan extends lifespan and improves cellular healthspan. Likewise, improvement of organismal healthspan is also observed in wild-type C. elegans nematodes treated with MK151. Additionally, MK151 administration in transgenic Alzheimer’s disease models of C. elegans provides enhanced protection against Aβ-induced proteotoxicity. Moreover, the synthesis of optimized MK151 analogs yielded compounds that structurally activate the 20S proteasome in vitro (in the absence of cell lysates) and exhibit similar or even superior anti-aging and/or neuroprotective effects in C. elegans and human primary fibroblasts (HFL-1). In total, our results reveal two structural proteasome activators: DBTO, a metabolite derived from a Mediterranean marine organism and the bio-inspired synthetic compound MK151, highlighting their potential as agents to improve or preserve healthspan and provide preventive protection against age-related diseases characterized by protein aggregation, such as Alzheimer’s disease.

Στη παρούσα διδακτορική διατριβή μελετήθηκαν δύο ενώσεις που ενεργοποιούν δομικά το 20S πρωτεάσωμα, πιθανά μέσω άμεσης στερεοχημικής αλληλεπίδρασης. Οι ενώσεις αυτές παρουσίασαν αντιγηραντικές ιδιότητες και δράση κατά της πρωτεϊνικής συσσωμάτωσης σε κυτταρικά και οργανισμικά μοντέλα γήρανσης. Στο πρώτο μέρος της διατριβής, ταυτοποιήσαμε για πρώτη φορά μια φυσική ένωση που απομονώθηκε από το καφέ άλγος Dictyota mediterranea ως δομικό ενεργοποιητή του πρωτεασώματος, με την ονομασία (1R,3E,6R,7Z,11S,12S)-dolabella-3,7,18-trien-6,17-olide (DBTO). Το DBTO ενεργοποιεί το 20S πρωτεάσωμα τόσο in vitro, απουσία κυτταρικών λυμάτων, όσο και in cellulo. Η συνεχής χορήγηση του μεταβολίτη DBTO σε νεαρούς, πρωτογενείς, εμβρυϊκούς ινοβλάστες του ανθρώπου (HFL-1) καθ' όλη τη διάρκεια της ζωής τους βελτιώνει την κυτταρική διάρκεια υγείας (healthspan), ενώ αντίστοιχη βελτίωση της κατάστασης υγείας παρατηρείται και σε αγρίου τύπου νηματώδεις σκώληκες Caenorhabditis elegans που λαμβάνουν DBTO. Επίσης, η χορήγηση DBTO σε διαγονιδιακά μοντέλα της νόσου Αλτσχάιμερ στο νηματώδη σκώληκα C. elegans, καθώς και σε νευροβλαστικά κύτταρα του ανθρώπου (SH-SY5Y) που έχουν εκτεθεί στο Αβ πεπτίδιο, οδηγεί σε ενισχυμένη προστασία έναντι της Αβ-προκαλούμενης πρωτεοτοξικότητας. Στο δεύτερο μέρος της διατριβής, η υβριδική ένωση ΜΚ151, συνδυάζοντας τα δομικά χαρακτηριστικά της υδροξυτυροσόλης και του χρωμανίου (της φαρμακοφόρου ομάδας της βιταμίνης Ε), ταυτοποιήθηκε ως δομικός ενεργοποιητής του 20S πρωτεασώματος in vitro, απουσία κυτταρικών λυμάτων, in cellulo και in vivo έπειτα από τη χορήγηση σε αγρίου τύπου σκώληκες C. elegans. Η συνεχής χορήγηση της υβριδικής ένωσης ΜΚ151 σε νεαρούς, πρωτογενείς, εμβρυϊκούς ινοβλάστες του ανθρώπου (HFL-1) καθ' όλη τη διάρκεια της ζωής τους αυξάνει το προσδόκιμο ζωής των κυττάρων και βελτιώνει την κυτταρική διάρκεια υγείας (healthspan), ενώ αντίστοιχη βελτίωση της κατάστασης υγείας παρατηρείται και σε αγρίου τύπου νηματώδεις σκώληκες C. elegans που λαμβάνουν ΜΚ151. Επιπλέον, η χορήγηση ΜΚ151 σε διαγονιδιακά μοντέλα της νόσου Αλτσχάιμερ στο νηματώδη σκώληκα C. elegans ενίσχυσε την προστασία έναντι της Αβ-προκαλούμενης πρωτεοτοξικότητας. Ακόμη, η σύνθεση βελτιστοποιημένων ενώσεων της ΜΚ151 οδήγησε στη δημιουργία ενώσεων που ενεργοποιούν δομικά το 20S πρωτεάσωμα in vitro απουσία κυτταρικών λυμάτων εμφανίζοντας παράλληλα παρόμοιες ή και καλύτερες αντιγηραντικές και/ή νευροπροστατευτικές δράσεις στο νηματώδη σκώληκα C. elegans αλλά και σε πρωτογενείς, εμβρυϊκούς ινοβλάστες του ανθρώπου (HFL-1). Συνολικά, τα αποτελέσματά μας αποκαλύπτουν δύο δομικούς ενεργοποιητές του πρωτεασώματος, το μεταβολίτη DBTO που προέρχεται από θαλάσσιο οργανισμό της Μεσογείου Θάλασσας και τη βιο-εμπνευσμένη συνθετική ένωση ΜΚ151, αναδεικνύοντας τις δυνατότητές τους ως ενώσεις που θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για τη βελτίωση ή/και διατήρηση της διάρκειας υγείας και την προληπτική προστασία έναντι ηλικιο-εξαρτώμενων ασθενειών που χαρακτηρίζονται από συσσώρευση πρωτεϊνών, όπως η νόσος Αλτσχάιμερ.