Bioactive compounds and healthy aging: search for new nutraceutical compounds through the experimental model of chronological aging in yeast

Over recent decades, life expectancy in developed countries has risen, often exceeding 85 years. However, this increase has not been matched by a proportional extension of healthspan. Many individuals over 65 suffer from chronic conditions such as cardiovascular diseases, cancer and neurodegenerative disorders. This gap between lifespan and healthspan has driven research into aging mechanisms and interventions to counter age-related decline. Aging is governed by evolutionarily conserved pathways, allowing the use of simple model organisms to investigate its underlying biology. In this work, we used Saccharomyces cerevisiae, a unicellular eukaryote exhibiting both replicative and chronological aging, which model mitotically active and post-mitotic mammalian cells, respectively. Replicative lifespan (RLS) refers to the number of daughter cells produced by a mother cell in presence of nutrients before death, while chronological lifespan (CLS) is the mean and maximum period of time of surviving cells in stationary phase. Given the link between aging, metabolism and nutrient availability, we investigated the effects of specific nutraceuticals on yeast CLS to identify anti-aging agents and their mechanisms. We first examined quercetin (QUER), a polyphenolic flavonoid with antioxidant properties, generally recognized as safe by the FDA since 2010. QUER supplementation at the diauxic shift significantly extended CLS, associated with reduced oxidative stress and altered carbon metabolism. QUER enhanced gluconeogenesis via improved catabolism of C2 by-products and glycerol, mediated by Sir2-dependent activation of phosphoenolpyruvate carboxykinase and the L-glycerol 3-phosphate pathway. This increased gluconeogenic flux led to trehalose accumulation, promoting longevity in yeast. Under extreme calorie restriction, QUER further amplified the long-lived phenotype, confirming its role in modulating metabolism and extending CLS. We also studied glucosinolates (GSLs), sulfur- and nitrogen-containing glycosides found in edible plants, including Camelina sativa. Its seeds contain glucoarabin, glucocamelinin and homoglucocamelinin, purified from press cake, a by-product of Camelina oil extraction. GSL supplementation extended CLS dose-dependently, enhancing mitochondrial respiration, reducing reactive oxygen species (ROS) and increasing ATP production. GSLs preserved TCA cycle activity and promoted glycerol catabolism, improving phosphorylating respiration and trehalose storage, both essential for longevity. Finally, we evaluated the neuroprotective potential of cocoa bean shell extract (CBSE), a by-product of cocoa processing, in Parkinson’s disease models. In yeast and neuroblastoma cells overexpressing α-synuclein (α-syn), CBSE reduced ROS, activated autophagy and decreased protein aggregation. In neuroblastoma cells, CBSE activated AMPK and reduced toxic α-syn oligomers. Surface plasmon resonance confirmed CBSE binding to α-syn in a concentration-dependent manner, suggesting inhibition of amyloid aggregation. These results support CBSE as a promising nutraceutical for preventing α-syn-related neurodegeneration. In conclusion, this thesis effectively provides compelling evidence for the potential pro-longevity efficacy of molecules and compounds derived from various natural sources. Specifically, the findings lay a metabolic and molecular foundation for the development of new strategies, based on nutraceutical supplementation, aimed at narrowing the gap between lifespan extension and healthspan improvement.

Negli ultimi decenni, l’aspettativa di vita nei Paesi sviluppati è aumentata. Tuttavia, tale incremento non è stato accompagnato da un’estensione della durata della vita in salute. Molti individui oltre i 65 anni sono affetti da patologie croniche, tra cui tumori, malattie cardiovascolari e neurodegenerative. Questo divario tra durata della vita e durata della vita in salute ha stimolato la ricerca sui meccanismi biologici dell’invecchiamento e sulle possibili strategie per contrastare il declino fisico associato all’età. L’invecchiamento cellulare è regolato da pathway biologici evolutivamente conservati, il che consente l’impiego di organismi modello per studiarne i meccanismi sottostanti. In questo lavoro è stato utilizzato Saccharomyces cerevisiae, un eucariote unicellulare che presenta sia invecchiamento replicativo che cronologico. Tali modelli complementari riflettono rispettivamente il processo di invecchiamento di cellule di mammifero mitoticamente attive e di quelle post-mitotiche. La durata della vita replicativa (RLS) è definita dal numero di cellule figlie prodotte da una cellula madre in presenza di nutrienti prima della morte, mentre la durata della vita cronologica (CLS) rappresenta il tempo medio e massimo di sopravvivenza delle cellule in fase stazionaria. Considerata la stretta relazione tra invecchiamento, metabolismo e disponibilità di nutrienti, abbiamo analizzato gli effetti di alcuni estratti naturali sulla CLS del lievito. Abbiamo studiato la quercetina (QUER), un flavonoide polifenolico con proprietà antiossidanti, riconosciuto come GRAS dalla FDA dal 2010. La supplementazione con QUER ha significativamente esteso la CLS. Tale estensione è associata a una riduzione dello stress ossidativo e a modificazioni del metabolismo del carbonio. In particolare, in presenza di QUER le cellule presentano un maggior flusso gluconeogenico alimentato da un maggior catabolismo dei composti C2 e del glicerolo. Ciò è mediato dall’attivazione Sir2-dipendente di Pck1 e della via del L-glicerolo 3-fosfato. Questo porta ad accumulare più trealosio, necessario per estendere la CLS in lievito. Abbiamo inoltre osservato che la QUER presenta un effetto anti-aging in condizione di restrizione calorica estrema. Abbiamo poi analizzato un estratto di glucosinolati (GSL), glicosidi presenti in piante edibili, tra cui la Camelina sativa. I suoi semi contengono glucoarabina, glucocamelinina e omoglucocamelinina. Tali GSL sono stati purificati da un sottoprodotto di scarto dell’estrazione dell’olio di Camelina. Il trattamento con GSL ha esteso la CLS delle colture di lievito in maniera dose-dipendente, migliorando la respirazione mitocondriale, riducendo le specie reattive dell’ossigeno (ROS) e aumentando la produzione di ATP. I GSL preservano l’attività del ciclo del TCA e promuovono il catabolismo del glicerolo, contribuendo al miglioramento della respirazione fosforilativa e all’accumulo di trealosio, entrambi fondamentali per la longevità. Infine, abbiamo valutato il potenziale neuroprotettivo di un estratto di gusci di semi di cacao (CBSE), sottoprodotto della lavorazione del cacao, in modelli della malattia di Parkinson. In lievito e in cellule di neuroblastoma overesprimenti α-sinucleina (α-syn), il trattamento con CBSE ha ridotto i livelli di ROS, attivato l’autofagia e diminuito l’aggregazione proteica. Nelle cellule di neuroblastoma, l’estratto ha attivato AMPK e ridotto significativamente gli oligomeri tossici di α-syn. Analisi di Surface plasmon resonance hanno poi confermato il legame diretto tra CBSE e α-syn in modo dose-dipendente. In conclusione, questa tesi fornisce evidenze sull’efficacia pro-longevity di composti derivati da fonti naturali. I risultati tracciano una base metabolica e molecolare per lo sviluppo di nuove strategie nutraceutiche volte a ridurre il divario tra estensione della vita e miglioramento della salute.