Biologinen ikä – millä mittarilla lähimmäs totuutta?

Ihmisen biologista ikää voidaan mitata monenlaisilla mittareilla. Mitä useampaa mittaustapaa hyödynnetään, sitä lähemmäs totuutta todennäköisesti päästään. Viimeaikaiset tutkimukset ovat onnistuneet yhdistämään myös psyykkisen terveyden biologisiin vanhenemisprosesseihin.

Biologista ikää voidaan mitata monin keinoin. Mutta mikä on ylitse muiden? Kuva: Unsplash.

Biologisen iän mittarit pyrkivät mittaamaan kehon todellista ikää, joka voi poiketa suurestikin omasta kalenteri-iästä. Tunnetuimmat biologisen iän mittarit perustuvat DNA:n tiettyjen kohtien merkkiaineiden, eli metylaation mittaamiseen. Muitakin vaihtoehtoja biologisen iän mittaamiseen on, ja uusia menetelmiä hiotaan jatkuvasti. Yksittäiset tutkimukset keskittyvät yleensä kuitenkin mittaamaan biologista ikää vain yhdellä tavalla, mikä voi antaa virheellisen kuvan kehon todellisesta iästä.

Eri mittari, eri arvio iästä

Nykyiset biologisen iän mittaustavat voidaan jakaa viiteen eri kategoriaan: telomeerien pituuden, epigeneettisten muutosten, geenien tai proteiinien ilmenemisen ja aineenvaihdunnan tuotteiden mittaamiseen. Alla käyn lyhyesti läpi jokaisen menetelmän mittausperiaatteen.

Telomeerien pituuden mittaaminen tehdään tyypillisimmin veren valkosoluista. Tällöin mitataan DNA-juosteiden päässä olevien toistojaksojen pituutta. Mitä lyhempi telomeeri, sitä useammin solu on jakautunut, ja sitä vanhempi se on.

Epigeneettisten muutosten mittaamiseen on kehitetty useita eri algoritmeja, joita kutsutaan epigeneettisiksi kelloiksi. Menetelmässä mitataan tiettyihin DNA:n kohtiin kiinnittyneitä metyyliryhmiä. On havaittu, että DNA:n tiettyjen kohtien metylointi liittyy ikääntymiseen. Metyyliryhmän kiinnittyminen tiettyyn geeniin tyypillisesti hiljentää sen toiminnan.

Geenien ilmenemisen kokonaisuuden tutkiminen (traskriptomiikka) kertoo mitkä geenit näytteenottohetkellä ovat olleet aktiivisia. Tämä perustuu siihen, että tarkastellaan lähetti-RNA-molekyylejä, jotka välittävät geenien tiedon tuman DNA:sta toiminnalliseksi tuotteeksi. Lähetti-RNA:n lopputuote on tyypillisesti proteiini.

Proteiinien kokonaisuuden (proteomiikka) mittaaminen on idealtaan sama kuin geenien ilmenemisen, mutta nyt ollaankin kiinnostuneita lopputuotteesta, eli proteiinista. Nämä kaksi mittaustapaa voivat kuitenkin antaa hyvin eri tuloksen, sillä pelkkä lähetti-RNA:n määrä ei kerro vastaavan proteiinin määrää, sillä yksittäisestä lähetti-RNA:sta voidaan tuottaa koko joukko samaa proteiinia. Tällaisessa tilanteessa lähetti-RNA:n määrä on pieni, mutta vastaavan proteiinin suuri.

Aineenvaihduntatuotteiden kokonaisuutta (metabolomiikka) mitataan sitäkin tyypillisimmin verestä. Aineenvaihdunnan tuote eli metaboliitti on mikä tahansa yhdiste, joka osallistuu aineenvaihduntaan tai on sen tuote. Yksi metaboliittien mittaamisen hyödyistä on siinä, että metaboliitit ovat itsessään fysiologisesti merkittäviä viestin välittäjiä, toisin kuin edellä mainitut epäsuorasti elimistön tilasta kertovat mittarit, kuten lähetti-RNA:n määrä. Metaboliittien pitoisuudet kuitenkin vaihtelevat esimerkiksi iän ja elintapojen mukaan, mikä on huomioitava tulosten tulkinnassa.

Vaikka kaikki menetelmät tähtäävät biologisen iän selvittämiseen, tutkimuksissa nämä eri menetelmät eivät ole antaneet kovinkaan yhteneväisiä tuloksia. Tämä tarkoittaa käytännössä sitä, että jos verestäsi mitattaisiin oma biologinen ikäsi viidellä eri tavalla, saisit viisi eri vastausta. Jokainen mittari siis mittaa hieman eri asiaa elimistön vanhenemisesta. Tämän vuoksi viimeaikaisissa tutkimuksissa on pyritty yhdistämään useampaa eri mittaria toisiinsa, jotta ihmisen kehon tilasta saataisiin kokonaisvaltaisempi kuva.

Biologiset kellot mittaavat ikääntymisen eri puolia

Useat tutkimukset ovat osoittaneet, ettei telomeerien pituudella ja epigeneettisillä muutoksilla ole vahvaa yhteyttä. Ne siis kuvaavat ikääntymistä eri tavoin. Sen sijaan epigeneettisten kellojen ja geenien ilmenemisen on havaittu olevan yhteydessä toisiinsa, mikä on loogista, sillä metylaatio vaikuttaa geenien toimintaan. Osa ikääntymisen mittareista voi siis antaa samansuuntaisen tuloksen, vaikka keskittyvätkin eri solutason ilmiöihin.

Vastikään julkaistussa tutkimuksessa hyödynnettiin kaikkia viittä biologisen iän määritysmenetelmää. Tulokseksi saatiin, että biologista ikää eniten lisäsivät miessukupuoli, tupakointi, korkea kehonpainoindeksi (BMI) ja metabolinen syndrooma ja masennus. Kaikki edellä mainitut ovat tunnetusti elinikää lyhentäviä tekijöitä. Tässä yhteydessä COVID-19-rokotusten yhteydessä Twitterissä leviävä lause ”COVID-19-rokotus ei muuta DNA:tasi – tupakointi muuttaa” on enemmän kuin ajankohtainen. Kiinnostavaa kyllä, myös masennus pystyttiin yhdistämään useisiin solutason ikääntymisprosesseihin.

Ei ole siis suinkaa yhdentekevää, millä mittarilla biologista ikää mitataan. Lisäksi on huomioitava, että suurin osa tutkimuksista tehdään verestä (seerumi, veren valkosolut), jolloin ei myöskään päästä kiinni siihen, millä nopeudella eri kudokset (esimerkiksi aivot, lihakset, maksa) vanhenevat.

Vaikuttaa kuitenkin siltä, että useaa eri mittaustapaa yhdistämällä saadaan kokonaisvaltaisempi kuva kehon vanhenemisprosesseista, jolloin myös biologisessa iässä päästään lähemmäs totuutta.

Lähteet:

Belsky, D. W., Moffitt, T. E., Cohen, A. A., Corcoran, D. L., Levine, M. E., Prinz, J. A., et al. (2018). Eleven telomere, epigenetic clock, and biomarker-composite quantifications of biological aging: Do they measure the same thing? American Journal of Epidemiology, 187(6), 1220-1230.
Han, L. K. M., Aghajani, M., Clark, S. L., Chan, R. F., Hattab, M. W., Shabalin, A. A., et al. (2018). Epigenetic aging in major depressive disorder. The American Journal of Psychiatry, 175(8), 774-782.
Jansen, R., Han, L. K., Verhoeven, J. E., Aberg, K. A., van den Oord, E C, Milaneschi, Y., et al. (2021). An integrative study of five biological clocks in somatic and mental health. eLife, 10, 10.7554/eLife.59479.
Jylhava, J., Pedersen, N. L., & Hagg, S. (2017). Biological age predictors. EBioMedicine, 21, 29-36.
Li, X., Ploner, A., Wang, Y., Magnusson, P. K., Reynolds, C., Finkel, D., et al. (2020). Longitudinal trajectories, correlations and mortality associations of nine biological ages across 20-years follow-up. eLife, 9, 10.7554/eLife.51507.
Marioni, R. E., Harris, S. E., Shah, S., McRae, A. F., von Zglinicki, T., Martin-Ruiz, C., et al. (2018). The epigenetic clock and telomere length are independently associated with chronological age and mortality. International Journal of Epidemiology, 45(2), 424-432.
Walker, E. R., McGee, R. E., & Druss, B. G. (2015). Mortality in mental disorders and global disease burden implications: A systematic review and meta-analysis. JAMA Psychiatry, 72(4), 334-341.
Metabolomiikka – lääketieteellisen tutkimuksen uusi työkalu (duodecimlehti.fi)

Auttaako liikunta karistamaan vanhat solut kehosta?

Vanheneminen tuo mukanaan monia haasteita, joista krooniset sairaudet ovat yksi elinikää selvästi lyhentävä riskitekijä. Näiden sairauksien synnyn taustalla ovat muuan muassa elimistöön kertyvät toimimattomat solut. Auttaisiko liikunta karistamaan elimistöstä solut, joiden parasta-ennen päiväys on jo hyvän aikaa sitten ohitettu?

*Auttaisiko riittävä vauhti ja ärhäkkä toppapuku karistamaan vanhat solut kehosta? Kuva: Unsplash*

Ikääntyessä kehossamme olevien vanhojen, toimimattomien solujen määrä kasvaa. Puhutaan senesensseistä, eli vanhentuneista soluista. Kasvanut senesenssien solujen määrä on yhteydessä esimerkiksi tyypin 2 diabeteksen kehittymiseen. Tämän vuoksi tutkimuksissa on kiinnostuttu selvittämään, kuinka senesenssit solut saataisiin hallitusti poistettua kehosta.

Senolyysi siivoaa vanhentuneet solut pois

Kun solut tulevat vanhoiksi, niillä on kaksi pääasiallista kohtaloa: ne voidaan joko poistaa kehosta hallitusti (apoptoosi) tai ne voivat jäädä kehoon jakautumattomina, toimimattomina soluina (senesenssi). Miksi sitten kaikkia vanhentuneita soluja ei poisteta kehosta? Vaikka senesenssien solujen määrä voi vaikuttaa kroonisten sairauksien, kuten diabeteksen ja sarkopenian kehittymiseen, ne myös voivat estää syövän muodostumista. Senesenssien solujen kertyminen onkin osa luonnollista vanhenemisprosessia, ja niillä voi olla elimistön toimintakykyä ylläpitäviä tehtäviä.

Senesenssit solut ovat elimistössämme kuitenkin siitä ikäviä vieraita, että ne erittävät ympärilleen myös kudosten toimintaa heikentäviä aineita. Tähän ajatellaan perustuvan senesenssien solujen kroonisten sairauksien riskiä lisäävä ominaisuus. Ikääntymisen rinnalla epäterveelliset elintavat lisäävät senesenssien solujen määrää. Erityisen haitallisia tapoja ovat tupakointi, epäterveellinen ruokavalio ja liian vähäinen liikunta.

Senolyysillä tarkoitetaan vanhojen, toimimattomien solujen hallittua hävittämistä. Solujen senesenssi liittyy paitsi vanhenemisprosessiin, myös muihin elinikään liittyviin ilmiöihin, kuten kasvainten kehittymiseen ja kudosten korjausmekanismeihin. Niinpä solujen senesenssin hallitseminen voisi tuoda terveitä elinvuosia useamman eri mutkan kautta. Viime vuosina senolyyttisillä lääkkeillä on saatu lupaavia tuloksia tiettyjen kroonisten sairauksien hoidossa.

Liikunta vähentää senesenssien solujen määrää?

Liikunta on tehokas, turvallinen ja ennen kaikkea kustannustehokas keino useiden vanhenemiseen liittyvien sairauksien ennaltaehkäisyssä. Se auttaa painonhallinnassa, pitää kehon toimintakykyisenä ja ennaltaehkäisee kerralla useita eri sairauksia. Liian vähäinen liikunta puolestaan voi johtaa kiihtyneeseen vanhenemiseen ja useiden vanhenemiseen liittyvien sairauksien puhkeamiseen. Liikunnan on jo pitkään tiedetty olevan hyvä vanhenemista hidastava lääke. Mutta kuinka se toimii?

Viime vuosina on havaittu, että liikunta voi vähentää senesenssien solujen merkkiaineita terveillä ihmisillä. Aktiivinen liikunta voi todennäköisesti vähentää vanhentuneita soluja useissa eri kudoksissa, edistäen koko kehon toimintaa. Mikä liikunnassa sitten saa vanhat solut häipymään takavasemmalle? Siinä missä liikunnan senolyyttisestä vaikutuksesta on varsin lupaavia tuloksia, ei syytä ilmiölle tunneta kovinkaan hyvin. Tiedetään, että liikunta voi vähentää muun muassa DNA-vaurioiden määrää, telomeerien kulumista, oksidatiivista stressiä ja kiihdyttää solujen autofagiaa eli puhdistuskoneistoa. Kaikki nämä mekanismit voivat auttaa pitämään senesenssien solujen määrän kurissa.

Kuinka paljon liikuntaa sitten on tarpeeksi? Tämä on yhä selvityksen alla. Todennäköistä on, että eri ihmisillä riittävän liikunnan kynnysarvo on erilainen johtuen muun muassa geeniperimästä ja muista elintavoista. Selvityksen alla on myös se, saadaanko liikunnasta samoja terveyshyötyjä senesenssin suhteen riippumatta iästä, terveydentilasta tai liikuntalajista (aerobinen vs. voimaharjoittelu). Liikunnan ohella tupakoinnin ja ylipainon välttäminen näyttäisivät olevan tehokkaita keinoja kehon solutason vanhenemisen hidastamisessa.

Lähteet:

Booth, F. W., Roberts, C. K., & Laye, M. J. (2012). Lack of exercise is a major cause of chronic diseases. Comprehensive Physiology, 2(2), 1143-1211.
Chen, X. K., Yi, Z. N., Wong, G. T., Hasan, K. M. M., Kwan, J. S., Ma, A. C., et al. (2021). Is exercise a senolytic medicine? A systematic review. Aging Cell, 20(1), e13294.
Munoz-Espin, D., & Serrano, M. (2014). Cellular senescence: From physiology to pathology. Nature Reviews.Molecular Cell Biology, 15(7), 482-496.
Rodier, F., & Campisi, J. (2011). Four faces of cellular senescence. The Journal of Cell Biology, 192(4), 547-556.
Song, Z., von Figura, G., Liu, Y., Kraus, J. M., Torrice, C., Dillon, P., et al. (2010). Lifestyle impacts on the aging-associated expression of biomarkers of DNA damage and telomere dysfunction in human blood. Aging Cell, 9(4), 607-615.
Liu, Y., Sanoff, H. K., Cho, H., Burd, C. E., Torrice, C., Ibrahim, J. G., et al. (2009). Expression of p16(INK4a) in peripheral blood T-cells is a biomarker of human aging. Aging Cell, 8(4), 439-448.

Kun kehon jätehuolto jää eläkkeelle – autofagia ja vanheneminen

Teksti on kirjoitettu yhteistyössä Jaakko Hentilän (LitT, liikuntafysiologi) kanssa.

Autofagia on elimistön keino hankkiutua eroon vanhoista solujen osista. Prosessi on erittäin tarpeellinen kehon normaalille toiminnalle. Ikääntyessä tämä herkkä järjestelmä voi kuitenkin ryhtyä reistailemaan, jolloin soluihin alkaa kertyä haitallisia aineita. Tehoton tai epätavallisesti toimiva autofagia on monen vanhenemiseen liittyvän sairauden yhteinen piirre. Tämän vuoksi autofagian tehostaminen tai hienosäätö voisi olla ratkaisu paitsi sairauksien ennaltaehkäisemiseen ja hoitoon, myös toimintakykyisempään vanhenemiseen.

*Kun kehoa ei enää nappaa kierrättäminen, kiihtyy vanheneminen. Kuva: Pixabay*

Autofagiaa voidaan kuvata kehon sisäiseksi kierrätysjärjestelmäksi. Sen avulla soluihimme kertyvä tarpeettomaksi käynyt materiaali siivotaan pois. Autofagia on tärkeä osa myös taistelussa monia vanhenemiseen liittyviä sairauksia, kuten Alzheimerin tautia vastaan, jonka yhtenä syntymekanismina voi olla huonosti toimivan materiaalin kasaantuminen soluihin.

Autofagia onkin viime vuosina tunnustettu useiden sairauksien, kuten tyypin 2 diabeteksen, Alzheimerin ja Parkinsonin tautien keskeiseksi mekanismiksi, ja autofagian toiminnan selvittämisestä myönnettiin jopa lääketieteen nobel vuonna 2016. Toiveena on, että autofagian lainalaisuuksien tunteminen mahdollistaisi useiden vanhenemiseen liittyvien sairauksien synnyn selvittämisen ja sitä kautta niiden ennaltaehkäisyn ja hoidon.

Soluilla on kaksi päätoimista kierrätysjärjestelmää

Soluillamme on autofagian lisäksi toinen päätoiminen kierrätysjärjestelmä, joka vastaa yksinomaan proteiinien eli valkuaisaineiden hajottamisesta. Tämän järjestelmän nimi on ubikitiini-proteasomi-järjestelmä. Huonosti toimivien proteiinien kierrättäminen on erityisen tärkeää sen vuoksi, että hyvin toimivat proteiinit ovat elinehto solun toimintakyvyn kannalta. Sen lisäksi, että vahingoittuneet proteiinit eivät toimi oikein, ne ovat alttiita muodostamaan soluihin kertymiä, jotka ovat myrkyllisiä soluille. Näitä solun proteiinikertymiä esiintyy monissa sairauksissa kuten Alzheimerin taudissa.

Toisin kuin ubikitiini-proteasomi-järjestelmä, autofagia on monipuolisempi kierrätysjärjestelmä, jonka avulla solut muun muassa säätelevät ravinnetasapainoaan ja hajottavat vahingoittuneita soluelimiä mukaan lukien proteiineja. Kierrätykseen joutava materiaali joutuu ensin autofagosomiksi kutsuttuun kalvolla rajattuun rakkulaan, eräänlaiseen kuplaan. Tämä kupla sitten yhdistyy solujen jätelaitosten, eli hajottavien entsyymejä sisältävien lysosomien kanssa, pilkkoen saaliiksi saamansa rakennelman pieniin osiin. Nämä hajotustuotteet voidaan edelleen kierrättää joko solun rakennusprojekteihin tai energiantuotantoon.

Solujen siivouskoneisto laiskistuu vanhetessa

Autofagia näyttäisi vähenevän vanhetessa. Tarpeettomien ja toimimattomien molekyylien kertyminen soluun voi jo itsessään edistää vanhenemista. Kuten edellä mainittiin, tehoton autofagia voi myös altistaa monille sairauksille. Mitä pidempään solujen autofagia saadaan pidettyä aktiivisena, sitä tehokkaammin myös vanhenemista ja siihen liittyviä sairauksia voitaneen hidastaa. Autofagian lääkkeellinen muokkaaminen voisi siten auttaa meitä myös elämään terveenä pidempään.

Toistaiseksi tehokkain tunnettu keino aktivoida autofagiaa on elinikää tutkitusti pidentävä, joskin pitkäaikaisista terveysvaikutuksistaan kiistelty kalorirajoitteinen ruokavalio. Näin pitkälle ei kuitenkaan ole välttämätöntä mennä, vaan omien solujensa puhtaanapitoa voi edesauttaa myös terveellisellä ravinnolla. Esimerkiksi marjat ja hedelmät aktivoivat autofagiaa. Myös liikunnan on havaittu lisäävän autofagosomien määrää lihaksissa, mikä voi osaltaan ylläpitää lihasten terveyttä.

Tulevaisuudessa olisi tärkeä tutkia miten elintavoilla voidaan vaikuttaa eri kudosten autofagiaan. Vielä ei esimerkiksi tunneta täysin, miten elintavat ja ikääntyminen yhdessä vaikuttavat aivojen hermosolujen autofagiaan. Autofagian heikentyneellä toiminnalla on nimittäin havaittu erittäin haitallisia vaikutuksia juuri aivojen toimintakykyyn. Eläintutkimusten perusteella liikunta näyttäisi tehostavan autofagiaa lihasten lisäksi myös aivoissa, mikä puolestaan voi ehkäistä vanhenemiseen liittyvää aivojen rappeutumista. Yksi liikunnan aivoja suojaava mekanismi saattaakin kulkea juuri autofagian kautta.

Tulevaisuus näyttää, missä määrin autofagiaa voidaan muokata pitkän ja terveen eliniän palvelukseen.

Lähteet:

Hentilä, J., Hulmi, J. J., Laakkonen, E. K., Ahtiainen, J. P., Suominen, H., & Korhonen, M. T. (2020). Sprint and strength training modulates autophagy and proteostasis in aging sprinters. Medicine and Science in Sports and Exercise, 52(9), 1948-1959.
Barbosa, M. C., Grosso, R. A., & Fader, C. M. (2019). Hallmarks of aging: An autophagic perspective. Frontiers in Endocrinology, 9, 790.
Boya, P., Reggiori, F., & Codogno, P. (2013). Emerging regulation and functions of autophagy. Nature Cell Biology, 15(7), 713-720.
Fan, J., Kou, X., Jia, S., Yang, X., Yang, Y., & Chen, N. (2016). Autophagy as a potential target for sarcopenia. Journal of Cellular Physiology, 231(7), 1450-1459.
Mehrpour, M., Esclatine, A., Beau, I., & Codogno, P. (2010). Autophagy in health and disease. 1. regulation and significance of autophagy: An overview. American Journal of Physiology.Cell Physiology, 298(4), C776-85.
Rubinsztein, D. C., Marino, G., & Kroemer, G. (2011). Autophagy and aging. Cell, 146(5), 682-695.
https://yle.fi/uutiset/3-9206454
Andreotti, D. Z., Silva, J. D. N., Matumoto, A. M., Orellana, A. M., de Mello, P. S., & Kawamoto, E. M. (2020). Effects of physical exercise on autophagy and apoptosis in aged brain: Human and animal studies. Frontiers in Nutrition, 7, 94.
He, C., Sumpter, R., & Levine, B. (2012). Exercise induces autophagy in peripheral tissues and in the brain. Autophagy, 8(10), 1548-1551.

Soluista karanneen DNA:n määrä ennustaa elinikää

Teksti on kirjoitettu yhteistyössä Laura Kanasen (FT, biogerontologi) kanssa.

Perimä on säilötty jokaiseen soluumme DNA:n muodossa. Ihmisillä DNA:ta suojaa soluissa tumakotelo. Joissain tilanteissa DNA:ta kuitenkin päätyy solun ulkopuolelle. Tämä solunulkoisen DNA:n määrä vaikuttaa olevan hyvä ennustamaan elinikää.

*DNA:kin ottaa välillä hatkat. Kuva: Pixabay*

DNA:n tehtävä on säilyttää perimä mahdollisimman muuttumattomana. Ihmisillä ja muilla aitotumallisilla DNA:ta suojaa tumakotelo, joka rajaa solun ytimen muusta solusta erilleen. DNA:ta kuitenkin päätyy kehon erilaisissa toiminnoissa solun sisältä myös solunulkoiseksi DNA:ksi. Joskus DNA tosiaan karkaa solusta, mutta sen poistuminen solusta voi olla myös hallittua.

Meillä jokaisella on veressä solunulkoista DNA:ta. Vasta sen kohonnut määrä liittyy terveysongelmiin. Verenkierrossa kulkevaa solunulkoista DNA:ta voidaan hyödyntää paitsi sairauksien diagnosoinnissa myös eliniän ennustamisessa.

Miksi DNA karkaa solun sisältä?

Nykytietämyksen valossa DNA itsessään ei ole aktiivinen toimija soluissamme. DNA:n tehtävänä on olla ohjeena solun rakennusosien valmistamiselle. Arkielämässä DNA:ta voidaan verrata keittokirjaan, joka sisältää ohjeet moniin eri ruokiin, mutta tarvitsee kokin ja sopivat ainekset, jotta ruuat voidaan valmistaa.

Aitotumallisilla eliöillä DNA oleilee tuman ulkopuolella ainoastaan solun jakautuessa, jolloin tumakotelo hajoaa, ja tyypillisesti muodostuu kaksi identtistä tytärsolua. Näin ollen yksi selkeä syy DNA:n päätyä solun ulkopuolelle liittyy solun hallittuun hajoamiseen. Toisaalta solunulkoisen DNA:n määrä kasvaa selkeästi esimerkiksi hyvin vakavissa ruumiinvammoissa, joissa on tapahtunut mittavia kudosvaurioita. Solunulkoisen DNA:n määrän kasvu liittyy siis myös hallitsemattomaan kudosten ja solujen hajoamiseen.

Nykyisin uskotaan myös, että toimivat solut voivat vapauttaa DNA:ta verenkiertoon osana immuunipuolustusta. DNA voikin toimia immuunipuolustusta aktivoivana vaaran signaalina. On myös mahdollista, että kohonnut solunulkoisen DNA:n määrä on seurausta sen tehottomasta poistamisesta verenkierrosta.

Solunulkoinen DNA ja sairaudet

Solunulkoinen DNA on lupaava, yksinkertainen merkkiaine sydän- ja verisuoniterveyden arvioimiseen. DNA:n määrä veressä kohoaa vakavissa sydäntautitiloissa merkittävästi ja ennustaa, miten tauti etenee. Kohonneen solunulkoisen DNA:n on havaittu liittyvän myös moniin sydän- ja verisuonitautiriskistä kertoviin tekijöihin, kuten korkeaan verenpaineeseen, terveydelle haitallisiin veren rasva-arvoihin ja tulehdukseen.

Myös syövänhoitoon kehitetään jatkuvasti uutta, helposti kerättäviin näytteisiin perustuvaa diagnostiikkaa. Kudosnäytteiden kerääminen on kehoon kajoavaa, eikä sitä voida toistaa yhtä usein kuin vaikkapa verinäytteenottoa. Verinäytettä, eli nestebiopsiaa onkin kehitetty kudospohjaisten analyysien tueksi. Verenkierrosta mitattavan solunulkoinen DNA sisältää DNA:ta useista eri kudoslähteistä. Syöpäpotilailla kiinnostuksen kohteena on yksinomaan syöpäsoluista peräisin oleva solunulkoinen DNA, joka voi auttaa diagnosoimaan ja tyypittämään kehossa olevan syövän sen sijainnista riippumatta.

Näiden lisäksi kohonneen solunulkoisen DNA:n määrän on havaittu muun muassa ennustavan kuolleisuutta tehohoidossa ja verenmyrkytyksen yhteydessä. Myös vanhenemisen myötä esiintyvässä hauraus-raihnaus-oireyhtymän (engl. frailty) yhteydessä solunulkoisen DNA:n määrä on kohonnut.

Solunulkoinen DNA eliniän ennustajana

Ottaen huomioon, että suurempi solunulkoisen DNA:n määrä on niin selvästi merkki sairaudesta, ei liene yllättävää, että solunulkoisen DNA:n määrä ennustaa myös kuolleisuutta normaaliväestössä. Solunulkoisen DNA:n on havaittu ennustavan elinikää niin keski-ikäisillä kuin hyvin iäkkäilläkin ihmisillä. Vaikka korkea solunulkoisen DNA:n määrä liittyy moniin sydän- ja verisuonitauteihin ja niiden riskitekijöihin, ennustaa solunulkoisen DNA:n määrä kuolleisuutta riippumatta siitä, onko ihmisellä kyseinen sairaus vai ei. Solunulkoinen DNA näyttäisikin olevan muista terveysmuuttujista riippumaton, itsenäinen eliniän ennustaja.

Solunulkoinen DNA voi olla tulevaisuudessa hyödyllinen merkkiaine kertomaan useista terveysriskeistä. Solunulkoisen DNA:n etuna on, että se pystytään mittaamaan verestä nopeasti ja edullisesti. Menetelmä vaatii kuitenkin yhä kehittämistä ja lisää laajoja tutkimuksia.

Tällä hetkellä tutkitaan tarkemmin sitä, mikä tarkalleen ottaen on normaalin ja ongelmallisen solunulkoisen DNA:n määrän raja, ja sitä, voiko solunulkoinen DNA edesauttaa tiettyjen sairauksien kehittymistä. On silti pidettävä mielessä, että yksittäinen merkkiaine harvoin riittää kokonaisvaltaiseen terveydentilan arvioimiseen. Solunulkoisen DNA:n määrä voisi kuitenkin toimia tärkeänä osana laajempaa merkkiaineiden kokoelmaa, jolla terveyttä arvioidaan.

Lähteet:

Kananen, L., Hurme, M., Jylha, M., Harkanen, T., Koskinen, S., Stenholm, S., et al. (2020). Circulating cell-free DNA level predicts all-cause mortality independent of other predictors in the health 2000 survey. Scientific Reports, 10(1), 13809-020.
https://www.duodecimlehti.fi/duo12134
Jylhava, J., Lehtimaki, T., Jula, A., Moilanen, L., Kesaniemi, Y. A., Nieminen, M. S., et al. (2014). Circulating cell-free DNA is associated with cardiometabolic risk factors: The health 2000 survey. Atherosclerosis, 233(1), 268-271.
Jylhava, J., Nevalainen, T., Marttila, S., Jylha, M., Hervonen, A., & Hurme, M. (2013). Characterization of the role of distinct plasma cell-free DNA species in age-associated inflammation and frailty. Aging Cell, 12(3), 388-397.
Polina, I. A., Ilatovskaya, D. V., & DeLeon-Pennell, K. Y. (2020). Cell free DNA as a diagnostic and prognostic marker for cardiovascular diseases. Clinica Chimica Acta; International Journal of Clinical Chemistry, 503, 145-150.
Schwarzenbach, H., Hoon, D. S., & Pantel, K. (2011). Cell-free nucleic acids as biomarkers in cancer patients.Nature Reviews.Cancer, 11(6), 426-437.
Song, H., & Cheng, X. W. (2014). Circulating cf-DNA: A promising, noninvasive tool for assessment of early cardio-metabolic risk. Atherosclerosis, 233(1), 307-309.
van der Vaart, M., & Pretorius, P. J. (2008). Circulating DNA. its origin and fluctuation. Annals of the New York Academy of Sciences, 1137, 18-26.

Kehon eri DNA-yhteisöt ja elinikä

On yleisesti tunnettua, että perimä vaikuttaa elinikään. Perimällä viitataan yleensä solumme tumassa olevaan DNA:han, mutta kehossamme on todellisuudessa kolme hyvin erilaista DNA-yhteisöä. Nämä eri DNA-yhteisöt toimivat vuorovaikutuksessa keskenään. Vai yhden DNA-sisältöön voit omalla toiminnallasi vaikuttaa.

Perimän eliksiirit tulevat kolmessa pullossa. Kuva: Pixabay

Perimämme on kirjattu DNA-molekyyleihin. Suurin osa solujemme DNA:sta on tuman kromosomeissa olevaa DNA:ta, josta puolet perimme isältä ja puolet äidiltä. Tämän lisäksi soluissa on mitokondriaalista DNA:ta, jonka perimme yksinomaan äidiltä. Kolmannen DNA-yhteisön muodostavat suolistossamme elävät mikrobit. Nämä kolme DNA-yhteisöä muodostavat koko kehossa olevan perimän, joka puolestaan vaikuttaa sairastumisalttiuteen ja elinikään.

Kromosomit kertovat sukusi tarinan

Identtisiä kaksosia lukuun ottamatta meistä jokaisella on ainutkertainen perimä. Perimämme on syntynyt munasolun ja siittiön yhdistyessä, jolloin vanhempiemme geenit yhdistyivät muodostaen uuden yksilön. Koska ihmisellä on 46 kromosomiparia, voi näistä syntyä lukemattomia erilaisia geneettisiä yhdistelmiä uuden ihmisen aluksi.

Saamamme perimä määrää suoraan tiettyjä ominaisuuksiamme. Esimerkiksi silmien väri määräytyy geenien perusteella ilman ympäristön vaikutusta. Sen lisäksi perimä asettaa tietyt rajat useille eri ominaisuuksille, jotka eivät ole pelkästään geeneistä riippuvaisia. Sinulla voi olla esimerkiksi perinnöllinen alttius sydän- ja verisuonitaudeille, mutta jos syöt terveellisesti, liikut riittävästi ja pysyttelet normaalipainossa, ei tämä tauti välttämättä koskaan puhkea. Eliniästä geenit määräävät arviolta noin neljänneksen.

Oman perimän tunteminen voi edesauttaa myös pitkän iän tavoittelua. Mikäli suvussa kulkee esimerkiksi elintapoihin vahvasti liittyviä sairauksia, voi niitä pyrkiä välttämään terveellisillä elintavoilla. Myös suvussa mahdollisesti kulkevat syöpäriskit on hyvä tiedostaa, jolloin voi tehostaa tarkkailua esimerkiksi iho- tai rintasyövän varalta. Tulevaisuudessa geenitietoja tullaan todennäköisesti hyödyntämään yhä enemmän erityisesti sairausriskien arvioimisessa, jolloin saamme entistä tarkempaa tietoa perimästämme.

Mitokondriaalinen perimä kulkee äidiltä lapselle

Mitokondriot ovat monin tavoin poikkeuksellisia soluelimiä. Ne ovat välttämättömiä solujen toiminnalle tuottaen suurimman osan solun tarvitsemasta energiasta. Lisäksi ne ovat soluelimistä ainoita, jotka sisältävät omaa DNA:ta. Koska mitokondriot peritään äidiltä, äidin elinikä vaikuttaa isän elinikää enemmän lapsen pitkäikäisyyteen. Vaikka mitokondrioissa on tieto osalle niiden rakennusosista, suurin osa niiden perimästä on peräisin tumasta. Näin ollen myös isän perimällä on merkitystä mitokondrioiden toiminnalle.

Mitokondrion oman perimän ajatellaan olevan seurausta sen syntytavasta – uskotaan, että elämän kehittyessä aitotumallinen solu on nielaissut sisäänsä bakteerin, joka sittemmin kehittyi solun sisällä symbioosissa eläväksi mitokondrioksi. Tässä yhteistyössä mitokondrio tuottaa solulle energiaa ja solu tarjoaa mitokondriolle sopivan elinympäristön. Useat asiat tukevat tätä teoriaa: mitokondriot ovat samankokoisia kuin bakteerit, niillä on oma perimä, ja ne kykenevät lisääntymään itsenäisesti jakautumalla. Tällainen bakteerin kumppanikseen ottanut solu on ollut toiminnaltaan ylivertainen muihin soluihin nähden, ja luonnonvalinta on suosinut niiden lisääntymistä. Nykyisin kaikissa soluissamme punasoluja lukuun ottamatta on mitokondrioita.

Mitokondrioiden syntytarina selittää myös sen, miksi niiden on havaittu olevan tuman DNA:ta alttiimpia mutaatioille. Mitokondrioiden DNA:n korjauskoneisto on nimittäin huomattavasti heikompi kuin aitotumallisen solun tumassa oleva koneisto. Heikon korjauskoneiston lisäksi mitokondriot kuormittuvat oksidatiivisesta stressistä, jota syntyy energiantuotannon yhteydessä. Eläinmalleilla on havaittu, että puutokset mitokondrioiden DNA:n korjauskoneistossa lyhentävät elinikää.

Mitokondrioiden perimä voidaan jakaa sen geneettisen materiaalin mukaan eri haplotyyppeihin. Eri haplotyyppien on havaittu olevan yhteydessä useisiin sairauksiin. Kuten blogin ensimmäisessä tekstissä on kerrottu, tietty haplotyyppi voi myös edesauttaa pitkäikäisyyttä. Erikoista kyllä, eri haplotyyppien rikastuminen ikäihmisiin vaikuttaa olevan riippuvaista ihmisryhmästä – mikä lisää elinikää Suomessa, ei välttämättä tee sitä muissa maissa. Tämä ilmiö johtunee erilaisen elinympäristön lisäksi siitä, että mitokondriaalinen DNA toimii kehossa aina yhdessä elimistön muun DNA:n kanssa.

Suolistomikrobit tuovat oman perimänsä osaksi sinua

Suolistomikrobeja ovat esimerkiksi bakteerit, hiivat ja virukset, joita on kehossamme jopa noin 1,5 kiloa. Suolistomikrobien muodostamaa kokonaisuutta, mikrobiomia, voidaan sanoa myös ihmisen kolmanneksi perimäksi – jokainen mikrobi kun kantaa sisällään omaa perimäänsä. Mikrobien suuren määrän vuoksi niiden yhteenlaskettujen geenien määrä on itse asiassa suurempi kuin ihmisen perimä.

Siinä missä vanhemmilta saatu tuman ja mitokondrioiden perimä on ennalta määrätty, voi suolistomikrobien perimään osaltaan itse vaikuttaa. Uusimmat tutkimukset antavat nimittäin viitteitä siitä, että ruokavalio ja liikunta muokkaavat suolistomikrobiston koostumusta ja siten myös sen perimää. Ruokavalion osalta erityisesti ravintokuidun määrä vaikuttaa suolen mikrobisisältöön. Uusia mikrobistoa muokkaavia ravintoaineita tutkitaan kiivaasti ja tulokset vaikuttavat lupaavilta.

Kehon DNA-yhteisöt yhdessä vaikuttavat elinikään

Kehon eri DNA yhteisöt keskustelevat keskenään monin eri keinoin. Mitokondriot tarvitsevat toimiakseen paljon tuman geenien koodaamia rakennusaineita ja ne myös keskustelevat tuman kanssa proteiinien ja RNA:n avulla. Viestit eivät kuitenkaan kulje ainoastaan tumasta mitokondrioihin vaan myös päinvastoin. Solun tasapainon kannalta nämä viestit ovat olennaisia, ja muutokset viestinnässä voivat johtaa häiriöihin solun toiminnassa, vaikuttaen mahdollisesti myös solun ikääntymiseen.

Samoin viestintä mikrobiomin ja perimän välillä on olennaista kehon toiminnan kannalta. Arvellaan, että mikrobiomi voi myös osaltaan auttaa kehoa sopeutumaan vallitsevaan ympäristöön. Toistaiseksi tiedetään, että immuunijärjestelmä voi kuljettaa viestejä mikrobien ja kudosten välillä, mutta kaikkia kommunikointireittejä ei vielä tunneta. Yksi suuri tiedeuutinen viimevuosina on ollut suolistomikrobien löytyminen aivoista, joka avasi kokonaan uuden näkökulman bakteerien ja kudosten vuorovaikutukselle.

Toistaiseksi tutkimukset ovat tyypillisesti keskittyneet yhteen kehon DNA-yhteisöön kerrallaan, jolloin kehon toiminnasta tai ikääntymisestä on haastava muodostaa kokonaiskuvaa. Tiedetään kuitenkin, että kehon kaikki DNA-yhteisöt muuttuvat vanhenemisen seurauksena. Erityisesti mutaatioille altis mitokondriaalinen DNA ja ympäristöön reagoiva suolistomikrobisto muuttuvat vanhetessa, mutta myös tuman perimään kertyy sattumanvaraisia mutaatioita, jotka muuttavat perimää ja mahdollisesti myös sen toimintaa.

Tulevaisuudessa toivottavasti ymmärrämme näiden kolmen DNA-yhteisön vuorovaikutusta ja toimintaa entistä paremmin.

Lähteet:

Garagnani, P., Pirazzini, C., Giuliani, C., Candela, M., Brigidi, P., Sevini, F., et al. (2014). The three genetics (nuclear DNA, mitochondrial DNA, and gut microbiome) of longevity in humans considered as metaorganisms. BioMed Research International, 2014, 560340.
Bar-Yaacov, D., Blumberg, A., & Mishmar, D. (2012). Mitochondrial-nuclear co-evolution and its effects on OXPHOS activity and regulation. Biochimica Et Biophysica Acta, 1819(9-10), 1107-1111.
Forsythe, P., Kunze, W. A., & Bienenstock, J. (2012). On communication between gut microbes and the brain. Current Opinion in Gastroenterology, 28(6), 557-562.
Bar-Yaacov, D., Blumberg, A., & Mishmar, D. (2012). Mitochondrial-nuclear co-evolution and its effects on OXPHOS activity and regulation. Biochimica Et Biophysica Acta, 1819(9-10), 1107-1111.
Franceschi, C., Valensin, S., Bonafe, M., Paolisso, G., Yashin, A. I., Monti, D., et al. (2000). The network and the remodeling theories of aging: Historical background and new perspectives. Experimental Gerontology, 35(6-7), 879-896.
Morgan, X. C., Segata, N., & Huttenhower, C. (2013). Biodiversity and functional genomics in the human microbiome. Trends in Genetics : TIG, 29(1), 51-58.
Munukka, E., Ahtiainen, J. P., Puigbo, P., Jalkanen, S., Pahkala, K., Keskitalo, A., et al. (2018). Six-week endurance exercise alters gut metagenome that is not reflected in systemic metabolism in over-weight women. Frontiers in Microbiology, 9, 2323.
Nagpal, R., Mainali, R., Ahmadi, S., Wang, S., Singh, R., Kavanagh, K., et al. (2018). Gut microbiome and aging: Physiological and mechanistic insights. Nutrition and Healthy Aging, 4(4), 267-285.
Santoro, A., Salvioli, S., Raule, N., Capri, M., Sevini, F., Valensin, S., et al. (2006). Mitochondrial DNA involvement in human longevity. Biochimica Et Biophysica Acta, 1757(9-10), 1388-1399.

Geenien kopioluku ja elinikä – katseet rDNA:han

Teksti on kirjoitettu yhteistyössä Toni Jernforsin (FM, ekotoksikologi) kanssa.

Perimän vaikutus elinikään on tunnettu jo vuosikymmeniä, jollei satoja. Vähemmän tutkittu aihealue ovat sellaiset perimässä näkyvät muutokset, jotka eivät liity tiettyjen geenien olemassaoloon tai muotoon, vaan suoraan niiden määrään. Perimässämme voi tapahtua tiettyjen DNA-alueiden monistumista, ja tällä voi olla suuri merkitys terveyteen ja elinikään.

*Tuoko suurempi määrä DNA:kopioita enemmän elinaikaa?*

Perimässämme olevat geenit ovat pätkä DNA-juostetta, jossa on ohje tietyn tuotteen (RNA tai proteiini) valmistukselle. Samoin ribosomaalinen DNA (rDNA) on pätkä DNA-juostetta, jossa on ohje ribosomaalisen RNA:n (rRNA) valmistamiselle. Ribosomaalinen RNA puolestaan on ribosomin päärakennusosa. Lopputuotteena tästä syntyy ribosomi, joka valmistaa sinunkin soluissasi sen tarvitsemat proteiinit. Voit ajatella tätä kokonaisuutta vaikkapa Ikean huonekaluna: DNA on katalogi, jossa on ohjeet kaikkien Ikean huonekalujen kasaamiseen. rDNA on ne sivut, joissa on ohje juuri sille tuolille, jonka tarvitset . Tämän ohjeen perusteella osaat kerätä ne osat, joita kyseiseen tuoliin tarvitset. Ribosomi sitten on se valmis tuoli (jonka kasaamisen jälkeen ei jäänyt jäljelle yhtään ylimääräistä ruuvia, wau!).

Toisilla perimän kopiokone on monistanut tiettyjä alueita ahkerasti, toisilla ei

Soluissa on valtava määrä ribosomeja. Ne toimivat tehtaina, jotka valmistavat proteiineja solun tarpeisiin. rRNA muodostaa jopa 80% solussa olevasta RNAsta. Jotta solut kykenevät ylläpitämään ribosomien valtavaa määrää, on niillä oltava satoja rDNA-kopioita. Tämä mahdollistaa sen, että useita ribosomeja voidaan valmistaa solussa samanaikaisesti. Ajatellaan asiaa taas Ikean kautta – kun käytössä on yhden ohjelehtisen sijaan satoja identtisiä ohjeita, rutkasti rakennusosia ja joukkio innokkaita kasaajia, saadaan samalla kertaa aikaan satoja identtisiä tuoleja.

Ihmisillä on perimässään eri määrä rDNA-alueen kopioita. Tämä kopioiden määrä vaikuttaa suoraan siihen, kuinka nopeasti solumme voivat tuottaa proteiineja. Näin ollen rDNA:n kopioiden lukumäärä vaikuttaa myös solun ja koko kehon kykyyn sopeutua elinympäristöön.

Eliöillä rDNA:n kopioluvun on havaittu määrittävän monia yksilön ominaisuuksia. Vähäinen kopioluku on yhteydessä muuan muassa puutteelliseen kehittymiseen ja selviytymiseen, kun taas korkea kopioluku johtaa nopeaan kasvuun ja kehittymiseen. Onko siis niin, että korkean kopioluvun omaavat ihmiset ovat myös ylivertaisia pienen kopioluvun omaaviin nähden? Valitettavasti asia ei ole aivan näin yksinkertainen.

rDNA ihmisillä – liika on liikaa?

Ihmisellä rDNA kopioluvun merkitystä ei vielä tarkkaan tunneta. Toistaiseksi kuitenkin tiedetään, että ihmisellä on keskimäärin 400 rDNA-kopiota. Tämä on kuitenkin vain keskiarvo, ja kopioluku vaihtelee suuresti yksilöiden välillä. Tiedetään, että perimä määrittää suurelta osin rDNA kopioluvun, mutta muutoksia tapahtuu myös yksilötasolla.

Vauvoilla korkea rDNA kopioluku on yhteydessä nopeampaan kasvuun ensimmäisinä elinkuukausina ja kehitykseen ensimmäisen elinvuoden aikana. Toisaalta korkean kopioluvun on havaittu olevan yhteydessä Downin syndroomaan, Alzheimerin tautiin ja skitsofreniaan.

rDNA, terveys ja elinikä

Tutkimukset rDNA:n kopioluvun ja vanhenemisen välillä ovat olleet ristiriitaisia. Osassa tutkimuksista on havaittu rDNA kopioluvun vähenevän vanhenemisen myötä ja osassa tutkimuksista tällaista eroa ei ole löydetty. Tutkimukset kuitenkin antavat osviittaa siitä, että hyvin pieni tai hyvin suuri rDNA kopioluku voi olla yksilölle haitallinen ja yhteydessä monitekijäisiin sairauksiin.

rDNA:lle tyypillistä on epävakaus. Muutokset rDNA:ssa voivat johtaa sekä ribosomien vähäisempään määrään, että heikompaan laatuun. Nämä muutokset voivat suoraan heikentää solun toimintaa kiihdyttäen vanhenemista. Toisaalta ribosomien heikentynyt toiminta on yhdistetty pidempään elinikään, ainakin hiivoilla. Tällöin solun aineenvaihdunnan aktiivisuus laskee samoin kuin elinikää tutkitusti pidentävä kalorirajoitteisessa ruokavaliossa. On myös arveltu, että rDNA voi toimia telomeerien tavoin ohjaten solun jakautumiskykyä, vaikuttaen sitä kautta solujen vanhenemiseen.

Tutkimus rDNA:n merkityksestä eliniälle on vielä alkutaipaleella. Selvää on, että rDNA on välttämätön jokaisen solun toiminnalle ja että ribosomien tuotannon lisäksi se vaikuttaa solun vanhenemiseen. Tiedetään myös, että ympäristö voi yksilönkehityksen alkuvaiheilla vaikuttaa rDNA:n kopiolukuun. Vielä ei kuitenkaan ole selvää, missä määrin aikuisella ympäristötekijät ja omat elintapavalinnat vaikuttavat rDNA:n kopiolukuun.

Lähteet:

Lavrinienko, A., Jernfors, T., Koskimaki, J. J., Pirttila, A. M., & Watts, P. C. (2020). Does intraspecific variation in rDNA copy number affect analysis of microbial communities? Trends in Microbiology,
Agrawal, S., & Ganley, A. R. (2016). Complete sequence construction of the highly repetitive ribosomal RNA gene repeats in eukaryotes using whole genome sequence data. Methods in Molecular Biology (Clifton, N.J.), 1455, 161-181.
Bross, K., & Krone, W. (1972). On the number of ribosomal RNA genes in man. Humangenetik, 14(2), 137-141.
Kobayashi, T. (2011). How does genome instability affect lifespan?: Roles of rDNA and telomeres. Genes to Cells : Devoted to Molecular & Cellular Mechanisms, 16(6), 617-624.
Larson, D. E., Zahradka, P., & Sells, B. H. (1991). Control points in eucaryotic ribosome biogenesis. Biochemistry and Cell Biology = Biochimie Et Biologie Cellulaire, 69(1), 5-22.
Porokhovnik, L. N., & Lyapunova, N. A. (2019). Dosage effects of human ribosomal genes (rDNA) in health and disease. Chromosome Research : An International Journal on the Molecular, Supramolecular and Evolutionary Aspects of Chromosome Biology, 27(1-2), 5-17.
Ritossa, F. M. (1968). Unstable redundancy of genes for ribosomal RNA. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 60(2), 509-516.
Sinclair, D. A., & Guarente, L. (1997). Extrachromosomal rDNA circles–a cause of aging in yeast. Cell, 91(7), 1033-1042.

Eläinten elinikää osataan jo pidentää – miksei sama päde ihmisiin?

Ikääntymistutkimukset eläimillä ovat osoittaneet, että matojen elinikä voidaan jopa kymmenkertaistaa yhdellä mutaatiolla. Hiirien elinikä puolestaan on saatu kaksinkertaistettua. Miksi yhtä lupaaviin tuloksiin ei ole päästy ihmisen eliniän kanssa?

*Riittäisikö tämä kourallinen pillereitä lykkäämään sairastumista? Kuva: Pixabay*

Korkea ikä on monien kroonisten sairauksien yhteinen nimittäjä. Ei siis lienee yllättävää, että vanhenemiseen liittyvät signalointireitit ovat myös osin yhteisiä useille eri sairauksille. Näiden signalointireittien muokkaaminen voisi lieventää sairauksia ja jopa lykätä vanhenemisen merkkejä. Millä keinoin ihmisten elinikään sitten osataan jo puuttua ja mitkä ovat tulevaisuuden näkymät?

Sydän- ja verisuonitaudit – toimivia tabletteja

Sydän- ja verisuonitaudit ovat suomalaisten yleisin kuolinsyy. Näitä sairauksia osataan jo lieventää terveellisen ruokavalion, liikunnan ja kolesterolia ja verenpainetta alentavien lääkkeiden avulla. Ihmisiä menehtyy yhä sydän- ja verisuonitautien seurauksena, mutta myöhemmällä iällä kuin ilman elämäntapojen muutosta ja/tai lääkitystä. Nyt tätä samaa vaikutusta haetaan myös muiden vanhenemiseen liittyvien sairauksien kohdalle. Toive on, että vanhenemiseen liittyviä kroonisia sairauksia voidaan ainakin lykätä niin paljon, että terveitä elinvuosia saadaan lisää.

Tyypin 2 diabetes – lupaavia yleislääkkeitä

Tyypin 2 diabetekseen hoitoon tarkoitettu lääke, metformiini, on yksi maailman yleisimmin määrätyistä lääkkeistä. Metformiini vaikuttaa pääasiassa vähentämällä maksan sokerituotantoa. Vaikuttaisi myös siltä, että metformiini parantaa kehon insuliiniherkkyyttä, auttaa painonhallinnassa, vähentää tiettyjen syöpien esiintyvyyttä ja tulehdusta sekä muokkaa suolistomikrobistoa. Metformiinin kaikkia vaikutusmekanismeja tuskin edes tunnetaan vielä.

Metformiinista on sen useiden terveyden kannalta edullisten vaikutusten vuoksi toivottu myös tehokasta vanhenemisenestolääkettä. Tutkimukset tämän suhteen ovat kuitenkin vielä varsin alussa. Huomioitava on myös se, että metformiinin suotuisat vaikutukset on havaittu ihmisillä, joilla on tyypin 2 diabetes. Terveillä ihmisillä metformiini vaikutukset voivat olla hyvinkin erilaisia.

Senolyyttinen terapia – tulevaisuuden toivo?

Solujen vanheneminen, senesenssi, liittyy tavalla tai toisella kaikkiin vanhenemiseen mukanaan tuomiin sairauksiin. Senesenssit solut eivät enää jakaudu muodostaen uusia soluja, vaan pysyvät toimimattomassa tilassa lähettäen ympärilleen muun muassa tulehdusta lisääviä molekyylejä. Normaalissa tilanteessa näistä soluista hankkiudutaan eroon, mutta iän myötä näitä zombi-soluiksi kutsuttuja ”eläviä kuolleita” soluja alkaa kertyä elimistöön. Lopulta senesenssejä soluja on elimistössä niin paljon, että ne alkavat osaltaan edesauttaa erilaisten sairauksien puhkeamista.

Senolyyttisen terapian avulla näistä soluja voidaan hävittää, ja ainakin eläinmalleilla se on auttanut lieventämään vanhenemisen mukanaan tuomia sairauksia. Ihmisillä senolyyttistä terapiaa ei ole vielä hyödynnetty vanhenemisessa. Ongelmana on erityisesti senesenssien solujen luotettava tunnistaminen kehon muista soluista.

Kantasolusiirrot – kudosten korjauspaja

Vanhenemisen tiedetään vaikuttavan heikentävästi sekä kantasolujen määrään että laatuun. Tämän vuoksi kantasoluhoidot on nähty yhtenä varteenotettavana keinona vanhenemisen hidastamiseen. Kantasoluilla tarkoitetaan yleisesti uusiutumiskykyisiä soluja, jotka kykenevät erilaistumaan miksi tahansa aikuisen yksilön solutyypiksi. Kantasolujen pääasiallinen tehtävä on korjata vaurioituneita kudoksia.

Kantasolujen hyödyntämiseen vanhenemisen hoidossa on kaksi mahdollisuutta: joko ohjelmoida elimistön omia kantasoluja toimimaan tehokkaammin tai tuoda kehoon uusia, toimivia kantasoluja. Kantasolut eivät kuitenkaan koskaan toimi yksin, vaan aina vuorovaikutuksessa ympäristönsä kanssa. Tämän vuoksi pelkkä solujen istutus ei välttämättä takaa haluttua lopputulosta – myös maaperän on oltava otollinen. Kantasolusiirroissa riskinä on kantasolujen lisääntymisen ja erilaistumisen huono hallinta, jolloin kantasoluista voikin olla elimistölle enemmän haittaa kuin hyötyä.

Geeniterapia – riskialtis hoitomuoto

Geeniterapiassa pyritään tyypillisesti korvaamaan viallinen geeni toimivalla versiolla. Geeniterapia on perusteltua silloin, kuin muita keinoja selviytyä sairaudesta enää ole. Tämä johtuu geeniterapiaan liittyvistä riskeistä – toimiva geeni on yhä hankala saada vietyä hallitusti kaikkiin toivottuihin soluihin siten, että se toimisi soluissa oikein eikä haittaisi muiden geenien toimintaa. Vanheneminen nähdään luonnollisena osana ihmiselämän kiertokulkua, jolloin korkean riskin toimenpiteitä ei ymmärrettävästi kohdisteta vanhenemisen hoitoon. Tervettä kehoa kun ei kannata riskeerata epävarman lopputuloksen vuoksi.

Vanhenemisen hoitamisen tulevaisuus

Monet nykyaikaiset lääkkeet ja hoitomuodot ovat menetelmän puolesta käyttökelpoisia myös vanhenemisen hoitamisessa. Se, kannattaako niitä hyödyntää terveen kehon ikääntymisprosessin muuttamiseen, on toinen asia. Eläinmalleilla erilaisia geenimanipulaatiota voidaan testata, mutta suurellakaan vaivalla hyväksi havaitut keinot eivät välttämättä päde ihmisillä. Riskit ovat suuret. Vanhenemiseen liittyvä solusignalointi on opittava tuntemaan ja hallitsemaan yhä paremmin, jotta meillä olisi turvallisempia keinoja muokata kehon toimintoja. Ehkäpä tulevaisuudessa vanhenemista voidaan hidastaa näppärästi suolistomikrobien avulla?

Uusia vanhenemisenestokeinoja miettiessä tiedetään kuitenkin jo varsin hyvin, että riittävä liikunta ja terveellinen ruokavalio ovat toimivia tapoja useiden vanhenemiseen liittyvien sairauksien ennaltaehkäisyssä ja hoidossa. Mikä parasta, riskit ovat pienet!

Lähteet:

Roehr B. Geroscience’s coming of age. (2020). BMJ 2020;370:m1323.
Partridge, L., M. Fuentealba & B.K. Kennedy. (2020). The quest to slow ageing through drug discovery. Nature Reviews.Drug Discovery 19, 513-532.
Novelle, M.G., A. Ali, C. Dieguez, M. Bernier & R. de Cabo. (2016). Metformin: A Hopeful Promise in Aging Research. Cold Spring Harbor Perspectives in Medicine 6, a025932.
Rodriguez, J., S. Hiel & N.M. Delzenne. (2018). Metformin: old friend, new ways of action-implication of the gut microbiome?Current Opinion in Clinical Nutrition and Metabolic Care 21, 294-301.
van Deursen, J.M. (2019). Senolytic therapies for healthy longevity. Science (New York, N.Y.) 364, 636-637.
Jan M van Deursen. (2014). The role of senescent cells in ageing. Nature 509, 439-446.
Rando, T.A. & T. Wyss-Coray. (2014). Stem cells as vehicles for youthful regeneration of aged tissues. The Journals of Gerontology.Series A, Biological Sciences and Medical Sciences 69 Suppl 1, S39-42.
Van Zant, G. & Y. Liang. (2003). The role of stem cells in aging. Experimental Hematology 31, 659-672.
Davidsohn, N., M. Pezone, A. Vernet, A. Graveline, D. Oliver, S. Slomovic, S. Punthambaker, et al. (2019). A single combination gene therapy treats multiple age-related diseases. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 116, 23505-23511.

Muistisairaudet ja elinikä – pääroolissa proteiinikertymät

Proteiinit eli valkuaisaineet ovat solulle elintärkeitä rakennuspalikoita. Proteiinit toimivat paitsi rakennusosina, myös lukemattomissa muissa tehtävissä hoitaen muuan muassa solujen viestintää. Proteiinien oikeanlainen rakenne ja sijoittuminen solussa onkin kudosten toiminnan avainroolissa. Proteiinien toiminnan häiriintyminen on yksi syy ikääntymiseen liittyvien muistisairauksien kehittymiselle.

Rakennuspalikat on syytä pitää järjestyksessä. Kuva: Pixabay.

Proteiinien toiminnan häiriöt ovat useiden vakavien sairauksien taustalla. Jo yksittäisen proteiinin puutteellinen toiminta voi olla kohtalokas selviytymisen kannalta. Havaintojen pohjalta syntyi teoria ikääntymismekanismista, joka pohjautuu juuri proteiinien toimintaan, tai tarkemmin niiden kiinnittymiseen toisiinsa muodostaen proteiinikertymiä.

Proteiinien oikeanlainen toiminta on kehon elinehto

Proteiinit ovat soluille välttämättömiä rakennusaineita. Tämän lisäksi proteiinit ovat osallisina lähes kaikissa solun toiminnoissa mahdollistaen kommunikoinnin toimimalla solujen viestien välittäjinä ja vastaanottajina. Suurin osa elimistön entsyymeistä on proteiineja, ja ilman entsyymejä kehossa tapahtuvat aineenvaihdunnan reaktiot olisivat normaalissa kehonlämmössä niin hitaita, ettei elämä olisi mahdollista. Proteiineilla on tärkeä rooli myös kehon immuunipuolustuksessa.

Proteiinit rakentuvat aminohapoista, joita ihmiskehossa on kaksikymmentä erilaista. Aminohappoketjut muodostavat kolmiulotteisia rakenteita. Ennen kuin proteiini on toiminnallisessa, oikeassa kolmiulotteisessa muodossaan, sen tulee ensin laskostua oikein. Väärin laskostuneet proteiinit eivät toimi, ja terveet solut poistavat tällaiset toimimattomat proteiinit. Ikääntyessä proteiinien laskostuminen ja väärin laskostuneiden hallittu poisto kuitenkin häiriintyvät.

Proteiinikertymät ovat tyypillisiä muistisairauksille

Ikääntyessä proteiinikertymien määrä kasvaa. Proteiinikertymät muodostuvat tyypillisesti useamman, huonosti laskostuneen proteiinin yhteenliittymistä. Tällaisten proteiinikertymien on arveltu vaurioittavan soluja ja kudoksia edistäen näin vanhenemista.

Myös solujen kohtaama oksidatiivinen stressi saa aikaan proteiinien kertymistä. Jotta noidankehä on valmis, proteiinien kertyminen heikentää solun kykyä poistaa väärin laskostuneita proteiineja, jolloin niiden kertyminen entisestään kiihtyy.

Proteiinikertymien määrän kasvu on yksi Alzheimerin taudin tyypillisimpiä molekyylitason muutoksia. Aivojen hermosoluihin kertyy sekä solunulkoisia että -sisäisiä proteiinikertymiä, jotka johtavat hermosolujen kuolemaan ja sitä kautta kognitiivisten toimintojen (muisti, oppiminen) heikkenemiseen.

Muistisairaudet ja elinikä

Muutokset proteiinien toiminnassa vaikuttavat koko kehon toimintaan. Ikääntyessä moni toimivan proteiinin muodostumisen vaihe heikkenee: DNA:han on voinut kertyä mutaatioita, jotka muuttavat proteiinissa olevia aminohappoja. Proteiini voi laskostua väärin, ja proteiineja korjaavan koneiston toiminta heikkenee ja huonoja proteiineja ei enää poisteta yhtä tehokkaasti. Kaikki tämä edesauttaa virheellisesti laskostuneiden proteiinien liittymistä yhteen, hankaloittaen solujen toimintaa.

Proteiinikertymät voidaan nähdä vanhenemisen syynä ja seurauksena. Toimimattomat proteiinimöykyt voivat osaltaan estää soluja toimimasta normaalisti, kuten Alzheimerin taudin osalta uskotaan olevan. Toisaalta proteiinikertymät voidaan myös nähdä seurauksena siitä, että solujen oksidatiivisen stressin määrä kasvaa ikääntyessä.

Dementia ja Alzheimerin tauti olivat suomalaisten kolmanneksi yleisin kuolinsyy vuonna 2018. Muistisairauksista johtuvien kuolemien määrä on kasvanut viime vuosikymmenenä nopeasti osin väestön ikääntymisen seurauksena. Proteiinikertymien ennaltaehkäisy voisikin olla yksi avain terveempään vanhenemiseen. Nykyisin etsitäänkin hoitomuotoja, joilla yhteen liittyneiden proteiinien kertymistä voidaan ennaltaehkäistä tai vähentää.

Lähteet:

Bjorksten, J. (1968). The crosslinkage theory of aging. Journal of the American Geriatrics Society 16, 408-427.
Bjorksten, J. & H. Tenhu. (1990). The crosslinking theory of aging–added evidence. Experimental Gerontology 25, 91-95.
Moreno-Gonzalez, I. & C. Soto. (2011). Misfolded protein aggregates: mechanisms, structures and potential for disease transmission. Seminars in Cell & Developmental Biology 22, 482-487.
Musi, N., J.M. Valentine, K.R. Sickora, E. Baeuerle, C.S. Thompson, Q. Shen & M.E. Orr. (2018). Tau protein aggregation is associated with cellular senescence in the brain. Aging Cell 17, e12840.
Jones, R. (2010). Protein aggregation increases with age. PLoS Biology 8, e1000449.
Wang, D.S., D.W. Dickson & J.S. Malter. (2008). Tissue transglutaminase, protein cross-linking and Alzheimer’s disease: review and views. International Journal of Clinical and Experimental Pathology 1, 5-18.
Reeg, S. & T. Grune. (2015). Protein Oxidation in Aging: Does It Play a Role in Aging Progression? Antioxidants & Redox Signaling 23, 239-255.
Suomen virallinen tilasto (SVT): Kuolemansyyt [verkkojulkaisu]. ISSN=1799-5051. 2018. Helsinki: Tilastokeskus [viitattu: 30.6.2020].

Sisäinen kello ja elinikä

Kehomme toiminnot ovat tarkkaan ajastettuja. Tietyt toiminnot tapahtuvat samaan vuorokauden aikaan säädellen muun muassa aineenvaihduntaa ja hormonien eritystä. Ikääntyessä nämä rytmit muuttuvat. Miten kehon sisäinen vuorokausirytmi vaikuttaa elinikään?

*Sisäinen kello jakaa tietyt toiminnot yölle ja tietyt päivälle. Kuva: Pixabay.*

Kehon sisäisellä vuorokausirytmillä (engl. circandian rhythm) tarkoitetaan niitä kehon sisäisiä prosesseja, jotka säätelevät uni-valverytmiä ja jotka toistuvat noin 24 tunnin välein. Tällä kehon sisäisen kellon toiminnalla on yhteys vanhenemiseen ja kuoleman riskiin. Valon määrällä ja ruokailujen ajoittamisella voi olla suuri rooli sisäisen vuorokausirytmin säätelyssä.

Kehon sisäinen aika asetetaan ympäristön merkkien perusteella

Kehon sisäinen vuorokausirytmi on rakentunut todennäköisesti auttamaan eliötä sopeutumaan ja valmistautumaan säännöllisesti toistuviin muutoksiin ympäristössä. Lajista riippuen valoisa aika voidaan hyödyntää esimerkiksi lepoon ja pimeä aika ruuan hankkimiseen ja syömiseen, tai päinvastoin. Tietyn rytmin noudattaminen on osoittautunut tärkeäksi paitsi ulkoisten tekijöiden, myös kehon sisäisten toimintojen kannalta.

Vaikka kehon sisäinen vuorokausirytmi on synnynnäinen ominaisuus, kehon sisäiset rytmit sopeutuvat muutoksiin ympäristössä. Ehkä tutuin esimerkki tästä on sopeutuminen aikaeroon lennettäessä usean aikavyöhykkeen yli. Keho korjaakin sisäistä kelloaan erilaisten ympäristön merkkien, kuten valoisuuden ja lämpötilan mukaan. Jos ulkoisia vuorikaudenvaihtelun merkkejä ei ole saatavilla (Suomessa kaamos, yötön yö), kehon rytmi on hieman 24 tuntia lyhyempi tai pidempi. Valoisuuden säännöllinen vaihtelu puolestaan auttaa kehoa ylläpitämään 24 tunnin rytmiä tarkemmin.

Ihmisen sisäistä kelloa ohjaavat aivot

Kehon sisäistä vuorokausirytmiä ohjaavat useat molekyylimekanismit, joiden selvittämisestä (joskin banaanikärpäsillä) myönnettiin Nobelin palkinto vuonna 2017. Nisäkkäillä kehon vuorokausirytmin keskus sijaitsee aivojen hypotalamuksessa. Verkkokalvolta välittyy tietoa valoisuudesta, joka asettaa hypotalamuksessa olevat vastaanottajasolut tiettyyn aikaan. Hypotalamuksen solut puolestaan säätelevät elimistön muiden elinten toimintoja erittämiensä molekyylien ja hermoyhteyksien kautta.

Vastaavia kelloja löytyy hypotalamuksen lisäksi muistakin kehon osista, kuten sydämestä, maksasta ja rasvakudoksesta. Eri kudoksissa kelloa ylläpitävät solun tuottamat molekyylit, joiden määrä vaihtelee vuorokaudenajan mukaan. Eri kudokset voivatkin seurata osaltaan hypotalamuksen ohjeita ja osaltaan omaa kelloaan. Kehon sisäisen kellon aikaa mitataan tyypillisesti käpyrauhasen erittämän melatoniinin, stressihormoni kortisolin ja kehon lämpötilan avulla.

Kun kellot ovat eri ajassa – vuorotyön riskit

Säännöllistä unirytmiä häiritsevät tekijät ovat suuri haaste elimistön sisäisen kellon toiminnalle. Jos sisäinen kello ja ulkoiset ympäristön merkit ovat ristiriidassa, voi se johtaa epäjärjestykseen kehon sisäisissä järjestelmissä. Tämä voi näkyä esimerkiksi unettomuutena ja epätyypillisinä hormonimäärinä vuorokaudenaikaan nähden. Sisäisen kellon toiminnan häiriintymisen ajatellaan olevan yksi syy vuorotyöläisten suuremman syöpäriskin ja lyhemmän eliniän takana.

Vanheneminen muuttaa sisäistä kelloa

Vanheneminen saa aikaan muutoksia sisäisessä kellossa. Ihmisillä vanhenemiseen liittyy melatoniinin erittymisen aikaistuminen ja muutokset kehonlämpötilan rytmissä. Tyypillisesti nämä muutokset ilmenevät univaikeuksina ja heräämisenä varhain aamulla.

Vanhenemiseen liittyvien muutosten syitä ei vielä täysin tunneta, mutta ne vaikuttavat liittyvän sisäisen kellon solujen toiminnan muutoksiin, eivätkä solujen koon tai lukumäärän muutoksiin. Erot voivat osaltaan johtua aivojen heikommasta vasteesta valon määrälle. Eläinkokeissa on havaittu, että kehon vuorokausirytmi saadaan palautettua nuoren tasolle siirtämällä iäkkääseen eläimeen alkion hypotalamuksen soluja.

Sisäisen kellon toiminnan häiriöt lyhentävät elinikää

Sisäisen kellon toiminnan tärkeyden on havainnut varmasti jokainen, joka on joskus joutunut painimaan unettomuuden kanssa. Sisäisen kellon tärkeys kehon toiminnoille ja eliniälle on puolestaan todennettu eläinkokeissa, joissa sisäisen kellon toimintaa on häiritty. Jo yhden kelloproteiinin poistaminen kehosta estää sisäisen kellon optimaalisen toiminnan lisäten vanhenemiseen liittyvien sairauksien riskiä ja lyhentäen elinikää. Kun sisäinen kello ei syystä tai toisesta vastaa ympäristön asettamaa aikaa, kasvaa alttius ylipainolle, syöville ja ennenaikaiselle kuolemalle.

Oman sisäisen kellon toimintaa voi tukea säännöllisillä vuorokausirytmeillä ja kiinnittämällä huomiota vuorokaudenaikaan nähden sopivaan valon määrään.

Lähteet:

Panda, S., J.B. Hogenesch & S.A. Kay. (2002). Circadian rhythms from flies to human. Nature 417, 329-335.
Li, H. & E. Satinoff. (1998). Fetal tissue containing the suprachiasmatic nucleus restores multiple circadian rhythms in old rats. The American Journal of Physiology 275, R1735-44.
Madeira, M.D., N. Sousa, R.M. Santer, M.M. Paula-Barbosa & H.J. Gundersen. (1995). Age and sex do not affect the volume, cell numbers, or cell size of the suprachiasmatic nucleus of the rat: an unbiased stereological study. The Journal of Comparative Neurology 361, 585-601.
Yoon, I.Y., D.F. Kripke, J.A. Elliott, S.D. Youngstedt, K.M. Rex & R.L. Hauger. (2003). Age-related changes of circadian rhythms and sleep-wake cycles. Journal of the American Geriatrics Society 51, 1085-1091.
Davis, S. & D.K. Mirick. (2006). Circadian disruption, shift work and the risk of cancer: a summary of the evidence and studies in Seattle.Cancer Causes & Control : CCC 17, 539-545.
Liu, C., D.R. Weaver, S.H. Strogatz & S.M. Reppert. (1997). Cellular construction of a circadian clock: period determination in the suprachiasmatic nuclei. Cell 91, 855-860.
Jung-Hynes, B., R.J. Reiter & N. Ahmad. (2010). Sirtuins, melatonin and circadian rhythms: building a bridge between aging and cancer. Journal of Pineal Research 48, 9-19.
Benloucif, S., M.J. Guico, K.J. Reid, L.F. Wolfe, M. L’hermite-Baleriaux & P.C. Zee. (2005). Stability of melatonin and temperature as circadian phase markers and their relation to sleep times in humans. Journal of Biological Rhythms 20, 178-188.
Gibson, E.M., W.P. Williams & L.J. Kriegsfeld. (2009). Aging in the circadian system: considerations for health, disease prevention and longevity. Experimental Gerontology 44, 51-56.
Froy, O. (2011). Circadian rhythms, aging, and life span in mammals. Physiology (Bethesda, Md.) 26, 225-235.
Dubrovsky, Y.V., W.E. Samsa & R.V. Kondratov. (2010). Deficiency of circadian protein CLOCK reduces lifespan and increases age-related cataract development in mice.Aging 2, 936-944.
https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/2017/advanced-information/

Juoksukyky kertoo sinusta enemmän kuin arvaatkaan – aerobinen ikääntymisteoria

Aerobinen kapasiteetti on yksi kestävyyskunnon tärkeimmistä mittareista ja kuvastaa elimistön kykyä hyödyntää happea. Kunnon lisäksi se kertoo terveydentilasta ja ennustaa jopa elinikää. Mihin juoksukyvyn elinikää ennustava ominaisuus perustuu?

*Joukko ihmisiä parantamassa aerobista kapasiteettiaan. Kuva: Pixabay.*

Aerobinen kapasiteetti, jota mitataan maksimaalisella hapenottokyvyllä (VO_2max), kuvastaa sydämen pumppaaman ja verenkiertoelimistön kuljettamaa hapen määrää, sekä lihasten kykyä käyttää hyväkseen happea. Se on yksi kestävyyskunnon ja toimintakyvyn tärkeimmistä mittareista. Maksimaalinen hapenottokyky saadaan mitattua laboratoriossa hengityskaasuanalysaattorin ja (yleisimmin) juoksumaton tai kuntopyörän avulla. Ja tietysti tarvitaan myös se henkilö, joka on valmis pinkomaan itsensä puhki tutkijoiden huutaessa kannustushuutoja!

Kyky käyttää happea on ollut edellytys ihmisten kehittymiselle

Aiemmassa evolutiivisia ikääntymisteorioita esittelevässä tekstissä kerrottiin, että kuolema on hinta, jonka kaikki monisoluiset eliöt maksavat monimukaisesta kehostaan. Aerobinen ikääntymisteoria lähtee liikkeelle juuri monisoluisten eliöiden kehittymisestä. On päätelty, että happi on ollut monisoluisten eliöiden kehittymisen elinehto. Hyödyntämällä juuri happea eliö saa nimittäin irti suurimman mahdollisen energiamäärän tuottaessaan sitä solujen tarpeisiin. Tämän teorian nojalla hapella onkin yhä olennainen merkitys kaikissa kehon biologisissa toiminnoissa.

Monisoluisten eliöiden kehittyminen mahdollisti sen, että tietyt solut erilaistuivat omiin toimintoihinsa. Eliöstä riippumatta solut, eli elämän pienimmät perusyksiköt, ovat lähes samankokoisia. Elefantin solut eivät ole hiiren soluja suurempia, niitä vain on enemmän. Solujen kompakti koko on tarpeen, jotta esimerkiksi solunsisäiset kuljetusmatkat eivät kasva mahdottoman suuriksi. Kiinnostavaa kyllä, ilmakehän hapen määrä on vaikuttanut kulloinkin eläneiden eliöiden kokoon – ilmakehän hapen määrän ollessa suurimmillaan myös silloin eläneet hyönteiset olivat jättiläismäisen suuria.

Aerobinen kapasiteetti mittaa muutakin kuin kykyä juosta

Aerobinen kapasiteetti kertoo paljon muustakin kuin kyvystä juosta tai pyöräillä. On nimittäin havaittu, että korkea aerobinen kapasiteetti on yhteydessä parempaan terveyteen ja pidempään elinikään. Sen on havaittu ennustavan elinikää jopa tupakointia, korkeaa verenpainetta tai tyypin 2 diabetesta paremmin. Lisäksi se pätee yli kuusikymppisillä, vaikka olisi ylipainoakin. On myös havaittu, että juuri happeen liittyvien solun toimintojen heikkeminen on yhteistä monelle eliölajille. Varsin vahva ja yleistettävä sairastumisriskin ja eliniän ennustaja vaikuttaisi siis olevan kyseessä.

Kannattaako juoksukyky periä vai hankkia ihan itse?

Aerobinen kapasiteetti on osin perittyä ja osin hankittua. On arvioitu, että noin puolet aerobisesta kapasiteetista kulkee perimässä ja toinen puoli määräytyy omien liikkumismieltymysten kautta. Nykytietämyksen valossa on kuitenkin todennäköistä, että kyky ja halu liikkua kulkeutuvat kytköksissä toisiinsa. Yksinkertaisesti sanoen – those who can, will. Näin ollen ihmisiä tutkimalla on perin hankala selvittää, että mikä osa kunkin aerobisesta kapasiteetista on synnynnäistä ja mikä lenkkeilemällä hankittua.

Aerobisen teorian paikkansapitävyyttä on tutkittu muun muassa tarkoitukseen kehitetyllä eläinmallilla. Tätä varten laboratorio-oloissa kehitettiin rottia, jotka ovat perimältään sohvaperunoita tai huippujuoksijoita. Havaittiin, että teorian mukaisesti perimältään huippujuoksijat ovat terveempiä ja elivät pidempään kuin metabolisille sairauksille alttiit sohvaperunat, ilman minkäänlaista harjoittelua. Suurimmat erot näiden ryhmien välillä löydettiin juurikin eri kudosten kyvystä hyödyntää happea.

Jatkotutkimuksissa näille huippujuoksijoille ja sohvaperunoille annettiin mahdollisuus juosta oman mielensä mukaan, ja selvitettiin itse hankitun aerobisen kapasiteetin vaikutusta terveyteen ja elinikään. Kuten odottaa saattaa, juoksuharjoittelu paransi molempien ryhmien terveyttä ja nosti aerobista kapasiteettia. Yllättävää kyllä, se ei lisännyt elinikää. Tulosta tukevia havaintoja on tehty myös tutkimalla ihmiskaksosia – identtiset kaksoset elivät saman aikaa riippumatta aikuisiän liikuntatottumuksista. Tämän nojalla peritty aerobinen kapasiteetti näyttelee suurempaa roolia, ainakin jos mittarina on elinikä.

Kehon kyky hyödyntää happea linkittyy elinikään

Happi vaikuttaisi siis olevan keskeinen alkuaine nykyisten elämänmuotojen kehittymisessä. Luonnonvalinta on suosinut monisoluisten ja monimutkaisten eliöiden kehittymistä, ja samalla on kehittynyt tehokkaita tapoja tuottaa energiaa monisoluisen elimistön tarpeisiin. Jokaisella yksilöllä aerobinen kapasiteetti ei kuitenkaan toimi optimaalisesti ja niinpä eroja hapen käytössä voidaan havaita esimerkiksi vertaamalla eri ihmisiä.

Miksi osalla sitten on hyvä aerobinen kapasiteetti ja toisilla ei? Tietyissä tilanteissa kehon vähäinen energiankulutus on voinut olla hyödyllistä. Tällainen tilanne on esimerkiksi ajanjakso, jolloin ravintoa on niukasti saatavilla. Nykyisessä kehittyneiden maiden ravintorikkaassa ja paikallaanoloa suosivassa elinympäristössä puolestaan energiaa tuhlaileva, eli happea tehokkaasti hyödyntävä keho on etu, suojaten ylipainon ja siihen liittyvien sairauksien kehittymiseltä.

Tutkimusten perusteella perimällä on voimakkaampi vaikutus elinikään kuin aikuisiässä aloitetulla liikunnalla. Toistaiseksi ei kuitenkaan tiedetä, missä määrin esimerkiksi lapsena aloitettu liikunta edesauttaa pitkää elinikää. Liikuntaharrastus missä tahansa iässä kuitenkin ylläpitää toimintakykyä ja tuo lisää terveitä elinvuosia. Omaa juoksukykyä kannattaa siis harjoittaa, olitpa oman geenitaustasi puolesta aerobisen kapasiteetin suhteen huippujuoksija, sohvaperuna tai jotain siltä väliltä.

Lähteet:

https://www.trainer4you.fi/blogi/maksimaalinen-hapenottokyky-eli-vo2max/
Catling, D. C., Glein, C. R., Zahnle, K. J., and McKay, C. P. (2005). Why O2 is required by complex life on habitable planets and the concept of planetary ”oxygenation time” Astrobiology 53, 415-438.
Karvinen, S., Waller, K., Silvennoinen, M., Koch, L. G., Britton, S. L., Kaprio, J., et al. (2015). Physical activity in adulthood: genes and mortality Sci. Rep. 5, 18259.
Kivela, R., Silvennoinen, M., Lehti, M., Rinnankoski-Tuikka, R., Purhonen, T., Ketola, T., et al. (2010). Gene expression centroids that link with low intrinsic aerobic exercise capacity and complex disease risk FASEB J. 2411, 4565-4574.
Koch, L. G. and Britton, S. L. (2008). Aerobic metabolism underlies complexity and capacity J. Physiol. 5861, 83-95.
Koch, L. G., Kemi, O. J., Qi, N., Leng, S. X., Bijma, P., Gilligan, L. J., et al. (2011). Intrinsic Aerobic Capacity Sets a Divide for Aging and Longevity Circ. Res.
Myers, J., Prakash, M., Froelicher, V., Do, D., Partington, S., and Atwood, J. E. (2002). Exercise capacity and mortality among men referred for exercise testing N. Engl. J. Med. 34611, 793-801.
Sui, X., LaMonte, M. J., Laditka, J. N., Hardin, J. W., Chase, N., Hooker, S. P., et al. (2007). Cardiorespiratory fitness and adiposity as mortality predictors in older adults JAMA 29821, 2507-2516.
Wisloff, U., Najjar, S. M., Ellingsen, O., Haram, P. M., Swoap, S., Al-Share, Q., et al. (2005). Cardiovascular risk factors emerge after artificial selection for low aerobic capacity Science 3075708, 418-420.