Abteilung Antebi

Molekulare Genetik des Alterns

Das Altern wird als fortschreitender Abbau der Homöostase des Organismus und der physiologischen Funktionen im gesamten Körper definiert und ist mit einem zunehmenden Risiko altersbedingter Erkrankungen verbunden. Jedoch wurde durch Forschungsarbeiten mit genetischen Modellorganismen deutlich, dass Tiere natürliche Verteidigungs-/Reparatur-Mechanismen besitzen, die helfen, das Altern hinauszuschieben, die Homöostase des Organismus zu steigern und die Langlebigkeit zu fördern. Alle Arten haben insbesondere die Fähigkeit, Umwelt- und physiologische Informationen wahrzunehmen und zu bewerten. Diese Signalverarbeitung bedingt dann die Entscheidung des Organismus für ein wachstums- und reproduktionsorientiertes Programm - oder auch dafür, auf lebenserhaltende Abläufe zu wechseln. Letztendlich wird dadurch auch die Lebensdauer des Organismus beeinflusst.

Mit der Verwendung des genetischen Modellsystems des Rundwurms C. elegans beabsichtigen wir, phyletisch erhaltene Merkmale der Mechanismen offen zu legen, die die Lebensdauer der Tiere steuern. Wir untersuchen insbesondere, wie endokrine und Signaltransduktionswege derartige Prozesse koordinieren, aber auch, wie sich Modifikationen im Metabolismus, in Qualitätskontrollmechanismen und der Stressanfälligkeit auf die Lebensdauer auswirken.

Ausgewählte Projekte

Bei C. elegans wurden die meisten der evolutionär konservierten Signalwege, die die Lebensdauer in der adulten Phase regulieren, zuerst aufgrund ihrer Auswirkung auf die Ausbildung eines langlebigen Larvenstadiums, der so genannten Dauer-Diapause, identifiziert, in welche die Tiere unter widrigen Umweltbedingungen eintreten. Endokrine Signalwege spielen bei der Modulation und zeitlichen Kontrolle dieses Entwicklungsstadiums eine wesentliche Rolle, wie z. B. Steroidhormon- sowie die Insulin-/IGF- und TGF-b-Signalwege. Unsere Arbeitsgruppe konzentriert sich besonders darauf herauszufinden, wie Steroidhormone und der Insulin-/IGF-Signalweg die Lebensdauer koordinieren bzw. Langlebigkeit hervorrufen. Dabei spielt z. B. DAF-12 eine wichtige Rolle, ein Transkriptionsfaktor des Steroid-Rezeptor-Typs, der eng mit den Vitamin D-, Leber X- und Farnesoid X-Rezeptoren der Vertebraten verwandt ist. Wie bei seinen Verwandten in den Wirbeltieren wird auch die transkriptionale Aktivität von DAF-12 durch gallensäureähnliche Steroide eingeschaltet, die in diesem Fall Dafachronsäuren (DA) genannt werden. Genetische und molekulare Untersuchungen ergeben ein Modell, in dem diese unter vorteilhaften Umweltbedingungen vom Nervensystem erkannt werden. Über eine Signalkaskade wird dann eine Aktivierung des Insulin-/IGF- und TGF-b-Signalwegs erreicht, gleichzeitig werden die DA-Produktion und DAF-12-Aktivierung stimuliert. Folglich entwickeln sich die Würmer normal vom Ei durch ihre vier Larvenstadien zum erwachsenen Organismus, wobei am Ende die Reifung des adulten Tieres und eine relative Kurzlebigkeit bzw. normale Lebensspanne steht. Umgekehrt werden die endokrinen Systeme unter widrigen Umweltbedingungen deaktiviert und der freie, nicht ligandengebundene DAF-12-Rezeptor legt in Abwesenheit von DA den Eintritt in die Phase der Dauer-Diapause, die Arretierung des Organismus und die verlängerte Lebensdauer fest.

Interessanterweise hat sich das DA-/DAF-12-Modul in parasitären Nematoden erhalten; deren infektiöses Stadium entspricht dem Dauerstadium von C. elegans. Allerdings brachte die Untersuchung dieser Signalwege nicht nur Einsicht in die Biologie des Alterns, sondern hat eventuell auch therapeutisches Potential bei der Behandlung pathogener Nematoden. Mit Hilfe einer Kombination aus Genetik und Biochemie decken wir die einzelnen Schritte der Biosynthese der Dafachronsäuren auf und analysieren gleichzeitig die Regulierung dieser Biosyntheseabschnitte durch physiologische Signalwege und Umweltfaktoren. Das Ganze wird nochmals durch differentielle Regulationen im Verlauf der festgelegten Entwicklungsstadien des Wurms kompliziert und erhöht dadurch die Komplexität unserer benötigten Analysemethodik. Daneben setzen wir die genetische Aufschlüsselung der Entscheidung für den Eintritt in die Dauer-Diapause fort, um neuartige, molekulare Signalwege zu identifizieren, welche die Lebensdauer verlängern können.

Die Entfernung von Keimbahn-Stammzellen bei C. elegans mittels Laser-Mikrochirurgie oder Mutationen, die eine Verringerung der Proliferation dieser Stammzellen verursachen, führen zu einer 60%igen Zunahme der Lebensdauer. Wichtig ist, dass diese Form der Lebensdauerverlängerung scheinbar evolutionär konserviert ist, da die Entfernung der Keimbahn-Stammzellen in Fruchtfliegen ebenfalls deren Lebensdauer verlängert. Die durch die Gonaden verursachte Verlängerung der Lebensdauer hängt vom Steroid-Rezeptor DAF-12/FXR und dessen Liganden, dem Forkhead-Transkriptionsfaktor DAF-16/FOXO, sowie von zahlreichen anderen transkriptionellen Regulatoren ab. Diese Regulatoren wirken auf den Fettmetabolismus, die Autophagie und Qualitätskontrollmechanismen ein, die für die Langlebigkeit benötigt werden, wobei die genauen Mechanismen und die gegenseitige Beeinflussung der einzelnen Signalwege noch weitestgehend unbekannt sind. Wir führen genetische und metabolische Screens durch, um die molekularen und zellulären Signalwege zu charakterisieren, welche die Langlebigkeit auf Grund des Fehlens der Keimbahn-Stammzellen spezifizieren.

Signaltransduktion der Gonaden führt zur Langlebigkeit.

Eine unterdrückte Proliferation der Keimbahn-Stammzellen oder die Entfernung der Keimbahn-Vorläuferzellen resultieren in einer ca.  60% Zunahme der Lebensdauer. Die verlängerte Lebensdauer hängt von den somatischen Zellen der Gonaden ab, die zusammen mit anderen Geweben die Biosynthese der Dafachronsäuren (DA) stimulieren. DA aktiviert die nukleären Hormonrezeptoren DAF-12/FXR in bislang unbekannten Geweben und induziert die Kernlokalisation sowie die Aktivität des DAF-16/FOXO-Transkriptionsfaktors. Über die Expression der mir-71-microRNA aktiviert das Nervensystem ebenfalls die DAF-16/FOXO-Aktivität. Als Antwort auf die Repression der TOR-Kinase schaltet DAF-16/FOXO Gene ein, die für die Lipolyse und andere, für die Langlebigkeit wichtige Prozesse von Bedeutung sind. Der PHA-4/FOXA-Transkriptionsfaktor aktiviert die Autophagie, die im Zusammenspiel mit Lipasen die Freisetzung freier Fettsäuren (FFA) hervorruft. Gleichzeitig aktiviert der Kernrezeptor NHR-80 Gene zur Entsättigung/Reduktion der Fettsäuren (FA) und zur Produktion von Ölsäure (OA), die ebenfalls für eine lange Lebensdauer wichtig sind.

Wenn präadulte Larven von C. elegans Hungerperioden durchlaufen, reifen sie zu in ihrer Reproduktion arretierten erwachsenen Tieren; diese alternative Entwicklungsphase wird "Adulte Reproduktive Diapause" (ARD) genannt; dabei wird die Proliferation der Keimbahnzellen eingestellt und es werden metabolische Veränderungen eingeleitet, die auf ein erhöhtes Überleben und eine verlängerte Lebensdauer abzielen. Nach der Rückkehr zu günstigen Umweltbedingungen rekonstituieren sich Keimbahn und Soma erneut, die Tiere pflanzen sich fort und können eine normale Lebensdauer durchlaufen. Man weiß nur wenig über die Signalwege, die die Wahrnehmung der Nährstoffe mit der molekularen Architektur der Adulten Reproduktiven Diapause verbinden. Derzeit untersuchen wir die hieran beteiligten physiologischen und metabolischen Mechanismen unter Verwendung genetischer und genomischer Techniken.

Ein hiermit verwandtes Ernährungsregime unterschiedlicher Art, die dietätische Restriktion, bedeutet eine verringerte Nahrungsaufnahme, allerdings ohne Mangelernährung. Dies wirkt sich vorteilhaft auf die Gesundheit aus und führt bei den unterschiedlichsten Organismen zu einer längeren Lebensdauer, was auf einen während der Evolution beibehaltenen Prozess hindeutet. Trotz der Bedeutung dieses Phänomens ist es erst seit Kurzem möglich die molekularen Mechanismen genauer aufzuklären. Wir führen genetische Screens durch, um so die molekularen Signalwege zu identifizieren, die als Antwort auf eine geringere Nahrungsaufnahme und die Diätzusammensetzung die Lebensdauer bestimmen.

Langlebige, adulte Wildtyp Tiere in reproduktiver Diapause

Würmer, die sich in der Adulten Reproduktiven Diapause befinden, können bis zu 3 Monate ohne Nahrungsaufnahme überleben. Diese Würmer legen keine Eier und zeichnen sich im Verlauf des frühen, adulten Entwicklungsstadiums durch das Vorhandensein eines oder zweier Embryonen aus (e, 2. Tag im ausgereiften Stadium). Während des Alterns unter Hungerbedingungen werden diese Embryonen dann abgebaut und sind als embryonale Leichenkörperchen zu sehen (ec, 10. und 50. Tag im ausgereiften Stadium). v, Vulva.

Das Durchlaufen der Lebensstadien und die Lebensdauer einer Art sind genetisch festgelegt. Über die zeitliche Steuerung dieser Prozesse ist allerdings nur wenig bekannt. Wir nehmen an, dass es enge Verbindungen zwischen der temporalen Entwicklungssteuerung, der Strukturierung der Lebensstadien und der Regulation der Lebensdauer gibt. Diese Annahme stützt sich auf die Beobachtung, dass der Transkriptionsfaktor DAF-12/FXR ein kritisches bzw. gemeinsames Element sowohl für die temporale Entwicklungssteuerung als auch für die Induktion der Langlebigkeit ist. C. elegans durchläuft vom Embryo bis zum ausgereiften Tier vier Larvenstadien. Wir haben herausgefunden, dass DAF-12/FXR den Übergang vom zweiten zum dritten Larvenstadium mittels einer hormonell gesteuerten microRNA-Schaltstelle regelt. Als Antwort auf seine steroidalen Liganden reguliert DAF-12/FXR mir-84 und mir-241, zwei mit let-7 verwandte miRNAs, direkt hoch, die Programme früherer Stadien abschaltend, um spätere zu ermöglichen. Momentan untersuchen wir einen große Anzahl anderer transkriptionaler, translationaler und post-translationaler Regulatoren, einschließlich eines stark erhaltenen F-Box-Proteins mit der Bezeichnung DRE-1/FBXO11, das den Übergang vom Larvalstadium zum ausgereiften Tier mittels einer zielgerichteten, ubiquitin-vermittelten Proteolyse regelt. Dabei ist wichtig, dass einige der so genannten "heterochronischen Faktoren" bei der Progression von Stammzellen eine Rolle spielen, und zwar evolutionär konserviert vom Wurm bis zum Säuger, so dass sie eventuell Einblick in die Stammzellbiologie, Pluripotenz und regenerative Medizin bieten können.

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