Neue Anhaltspunkte zur Verlangsamung des Alterns?
Wissenschaftler nutzen genetische Neuverdrahtung, um die Lebensspanne von Zellen zu verlängern
Die Lebenserwartung der Menschen hat sich im 20. und 21. Jahrhundert erhöht, doch dieser Anstieg verlangsamt sich, weshalb Wissenschaftler weiterhin nach Möglichkeiten suchen, die Langlebigkeit zu verbessern.
Gesunde Ernährung, Hygiene und medizinische Versorgung haben dazu beigetragen, dass sich die Lebenserwartung erhöht hat, und nun wenden sich die Forscher auch der Genetik zu.
In einer neuen Proof-of-Concept-Studie konnten Forscher die Lebensdauer von Hefezellen fast verdoppeln, indem sie den Schaltkreis, der die Alterung steuert, genetisch neu verdrahteten.
Ihre Ergebnisse könnten den Weg zu einer höheren Lebenserwartung bei komplexeren Organismen und möglicherweise sogar bei Menschen ebnen.
Wir alle streben ein langes und gesundes Leben an, aber können Sie Ihr Leben auch verlängern? Nach Angaben der National Institutes of Health (NIH) lässt sich die Lebensdauer am besten verlängern, wenn man sich gesund ernährt, ausreichend schläft, regelmäßig Sport treibt, sich regelmäßig ärztlich untersuchen lässt und schlechte Gewohnheiten wie Rauchen und übermäßigen Alkoholkonsum vermeidet.
Wissenschaftler, die daran arbeiten, den Alterungsprozess zu bekämpfen, haben die Lebensspanne von Würmern, Mäusen und sogar Affen verlängert. Aber könnten sie das auch bei Menschen erreichen?
Einem Team der Universität von Kalifornien, San Diego, ist es nun gelungen, die Lebensdauer eines einfachen Organismus um etwa 80 % zu verlängern, indem es den genetischen Kreislauf, der die Alterung steuert, manipuliert hat.
Die Proof-of-Concept-Studie, die in Hefe durchgeführt wurde, ist in Science veröffentlicht.
Synthetische Biologie hinter der Zellalterung
Das Forschungsteam der UC San Diego beschäftigt sich seit mehreren Jahren mit der Zellalterung und hat dabei entdeckt, dass Zellen im Laufe ihres Lebens einer Kaskade von molekularen Veränderungen folgen, bis sie schließlich degenerieren und sterben. Sie fanden jedoch heraus, dass nicht alle Zellen auf die gleiche Weise altern, und dies war der Schwerpunkt ihrer neuen Forschung.
Sie testeten ihre Ideen zunächst anhand von Computersimulationen der Zellalterung, bevor sie dazu übergingen, die Alterungskreisläufe in der einzelligen Hefe Saccharomyces cerevisiae zu verändern.
Sie entdeckten, dass die Zellen einem von zwei Alterungswegen folgten. Bei etwa der Hälfte der Zellen nahm die Stabilität ihrer DNA allmählich ab (nukleolare Alterung); bei den übrigen Zellen war der Alterungsprozess durch einen Rückgang der Mitochondrien gekennzeichnet, den Organellen, die die Zelle mit Energie versorgen (mitochondriale Alterung).
Manipulation der Genexpression zur Verlängerung der Lebensspanne
Um die Alterung der Zellen zu kontrollieren, manipulierten sie die Expression von zwei konservierten Transkriptionsregulatoren - Moleküle, die bestimmen, welche Gene in der Zelle aktiv sind. Der "Silent Information Regulator 2" (Sir2) steuert den nukleolaren Verfall (der zur Instabilität der DNA führt), und das "Häm-Aktivator-Protein 4" (Hap4) ist mit der mitochondrialen Aktivität verbunden.
Wenn einer dieser Regulatoren exprimiert wird und somit aktiv ist, verhindert er die Expression des anderen, so dass die Forscher einen synthetischen Genoszillator entwickelten, um diesen Mechanismus neu zu verkabeln. Indem sie in einzelnen Zellen anhaltende Oszillationen zwischen den beiden Arten der zellulären Degeneration erzeugten, verhinderten sie, dass die Zellen einem der beiden Alterungswege folgten. Die Lebensspanne dieser Zellen erhöhte sich.
Prof. Nan Hao, Hauptautor der Studie und Co-Direktor des Instituts für Synthetische Biologie der UC San Diego, erklärte gegenüber Medical News Today:
"Unsere Arbeit ist ein Proof-of-Concept, der zeigt, dass wir, ähnlich wie Maschinenbauingenieure unsere Autos reparieren und verbessern können, damit sie länger halten, den gleichen technischen Ansatz verwenden können, um unsere Zellen zu verändern und zu verbessern, damit sie länger leben. Der Clou ist unser Ansatz, um dies zu erreichen: Wir verwenden Computer, um das natürliche Alterungssystem zu simulieren und das Design und die rationelle Technik des Systems zu steuern, um die Lebensspanne zu verlängern.
Lebenserwartung nach genetischer Neuverdrahtung fast verdoppelt
Durch die Schaffung des Genoszillators konnten die Wissenschaftler die Hefezellen dazu bringen, ständig zwischen den beiden Alterungspfaden zu wechseln, wodurch sie daran gehindert wurden, ihren vorbestimmten Weg des Verfalls und des Todes einzuschlagen, wodurch die Degeneration der Zellen verlangsamt wurde.
Die Hefezellen, die synthetisch neu verdrahtet wurden und unter der Leitung des synthetischen Oszillators alterten, hatten eine um 82 % höhere Lebenserwartung als die Kontrollzellen.
Und die genetische Manipulation schien sich nicht negativ auf sie auszuwirken, so Prof. Hao gegenüber MNT: "Die Hefezellen überleben gut und haben eine schnelle Wachstumsrate."
Mögliche Anwendung zur Verbesserung der Langlebigkeit
"Dies ist das erste Mal, dass dieser rechnergestützte Ansatz in der Alternsforschung eingesetzt wird. Ich kann mir nicht vorstellen, warum wir die gleiche Strategie nicht auch auf menschliche Zellen anwenden können."
- Prof. Nan Hao
Alle Zellen enthalten genregulatorische SchaltkreiseVertraute Quelle, die für viele physiologische Funktionen, einschließlich der Alterung, verantwortlich sind, so dass ein ähnlicher Ansatz theoretisch auch in menschlichen Zellen funktionieren könnte.
Das Ziel könnte nicht nur darin bestehen, das Leben komplexerer Organismen zu verlängern, sondern auch das Leben einiger Zellen innerhalb von Organismen zu verlängern, um degenerative Krankheiten zu verhindern.
Prof. Hao gab jedoch zu bedenken, dass die Forscher nicht wissen, ob die Verlängerung der Lebensdauer die Zellen auf andere Weise beeinflussen könnte:
"Das ist eine tiefgreifende biologische Frage. Unsere derzeitige Hypothese ist, dass die Langlebigkeit der Zelle kein Merkmal ist, das durch die Evolution ausgewählt wurde. Die Zellen müssen zunächst in der Lage sein, in einer sich schnell verändernden, unvorhersehbaren, stressigen Umgebung zu überleben.
"Es besteht die Möglichkeit, dass unsere manipulierten langlebigen Zellen weniger widerstandsfähig gegen bestimmte Arten von Stress in der Umwelt sein werden. Im Grunde genommen könnte die Verlängerung der Lebenserwartung also einige normale Funktionen opfern, aber das ist nur eine Hypothese", fügte er hinzu.
Auswirkungen auf die Verlängerung der gesunden Lebensjahre der Menschen?
Prof. Hao deutete an, dass dieser Ansatz auch für den Menschen von Interesse sein könnte:
"Beide Regulatoren haben Entsprechungen beim Menschen, so dass ich glaube, dass dieselbe Strategie auch auf menschliche Zellen angewendet werden könnte. Das ist in der Tat unser nächster Schritt in der Zukunft."
Und Prof. Howard Salis, leitender Forscher am Salis Lab der Penn State University, der nicht an der Studie beteiligt war, stimmte zu:
"Wenn das kollektive Ziel dieser Interventionen darin besteht, einen gesünderen Zustand der Zellen aufrechtzuerhalten, dann wird das Risiko und die Morbidität altersbedingter Krankheiten reduziert."
Die Studie zeigt zwar, dass es möglich ist, die Alterungsmechanismen in einem Einzeller auszuschalten, doch sind noch viele Fragen zu klären, bevor die Technologie auf den Menschen angewendet werden kann.