Neuere Erkenntnisse zu den zellulären und molekularen Ursachen des Alterns. Jungbrunnen (Gemälde von L. Cranach d.ä.)

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1 Neuere Erkenntnisse zu den zellulären und molekularen Ursachen des Alterns Jungbrunnen (Gemälde von L. Cranach d.ä.)

2 Selbst bei optimalen Wachstumsbedingungen sind normale Zellen (z.b. humane Hautzellen) in Kultur nicht unbegrenzt teilungsfähig Kumulative Zellzahl Alterung (Seneszenz) Lineares Wachstum Absterbephase Lag-Phase Zeit in Kultur [Wochen] oder Passagenzahl nach Hayflick, 1961

3 Das Alter des Zellkerns, nicht das Alter des Cytoplasmas entscheidet über die Lebenserwartung eines Zellstamms Junger Zellstamm (10 Teilungen) Alter Zellstamm (30 Teilungen) noch 40 Teilungen noch 20 Teilungen

4 Telomere: repetitive Sequenzen an den Chromosomen-Enden

5 Telomersequenzen: Konservierte Enden (TTGGGG) n bei Tetrahymena (Blackburn und Gall, 1978) (TTTTGGGG) n n=16 bei Oxytricha (Ciliat); (Klobutcher et al., 1981) (TTAGGG) n n= bei Vertebraten, Mensch und Maus (TTAGGG) n bei Physarum (Schleimpilz) TG 1-8 bei (Hefe) Saccharomyces TTTAGGG bei Arabidopsis, Pflanzen allgemein Konsensus-Sequenz: T 1-3 T/A G 3-4

6 Funktionen der Telomere I Schutz der Chromosomenenden vor Endonukleasen Vermeidung von Chromosomenfusionen Unterdrückung des zelleigenen Reparatursystems

7 Funktion der Telomere II Replikation der DNA in der Interphase Das Replikationsend-Problem: (Olovnikov, 1971; Watson, 1972) Auf dem Leitstrang der DNA wird nach Replikation das Molekül verkürzt!!! Damit keine genetische Information bei der Replikation verlorengeht, wurde das Vorhandensein von chromosomalen Endstrukturen postuliert. Telomere

8 In Zellen, die keine aktive Telomerase haben, gehen mit jeder Zellteilung Telomer-Sequenzen verloren Telomerlängen in Keim-, Körper-, und Tumorzellen Nach C. W. Greider, 1998

9 Telomere: Struktur 1. Klassisches Modell (z.b. Garvik et al., 1995): Duplex-DNA bindende Proteine (z.b. Rap1p, TRF-1) Telomer-DNA 5 3 End-spezifische telomerische Proteine (z.b. Oxytricha α/β) 2. Neues Modell (Griffith et al., 1999): t-loop DNA-Reparatur Telomere D-loop bindende Proteine (z.b. TRF-2) 5 D-loop Duplex-DNA bindende Proteine (z.b. Ku)

10 Zellstämme, die Telomerase exprimieren, teilen sich öfter und altern langsamer als Kontrollzellen Modell für die Funktionsweise der Telomerase Klonierung der cdna von htert (123kD) Nakamura, 1997; Meyerson, 1997 Einführung von htert in normale menschliche Fibroblasten (BJ) führt zu einer verlängerten Lebensspanne! Vaziri und Benchimol, 1998; Bodnar et al., 1998 Aus: Seyffert, Lehrbuch der Genetik

11 Altern als Sreßvorgang Hier: Verlust von Nervenzellen im Bereich des Gyrus temporalis superior im menschlichen cerebralen Cortex Anzahl Neuronen Lebensalter [Jahre]

12 Zelluläre Katastrophentheorie des Alterns Mutagenese der Kern-DNA Verzuckerung von Proteinen * * Mitochondrium OH Modifikationen zellulärer Proteine Mutagenese mitochondrialer DNA Vermehrte Bildung von Sauerstoff- Radikalen Zellkern * Fehlerhafte Proteine

13 Zellalterung durch freie Radikale Sauerstoffradikale und ihre Entgiftung: O 2 + e - O - 2 O 2- + e - + 2H + H 2 O 2 H 2 O 2 + e - + H + H 2 O + OH OH + e - + H + H 2 O Superoxid-Dismutase Zn,Cu-SOD 2 O H + H 2 O 2 + O 2 2 H 2 O 2 H 2 O GSH Catalase Glutathion-Peroxidase 2H 2 O + O 2 2H 2 O + GSSG GSSG + NADPH + H + NADP + + 2GSH Glutathion-Reduktase Zusammenhänge zwischen Alterung und Radikalbildung im Organismus: Überexpression von SOD1 (human) in D.melanogaster: ~ 40 % erhöhte Lebenserwartung (Parkes et al., 1998) Überexpression von Zn,Cu-SOD: ~ 48 % erhöhte Lebenserwartung (Sun und Tower, 1999)

14 AGE = Advanced Glycation End products

15 Maillard-Reaktionen führen zu AGE-Produkten Generell: Reaktion von reduzierenden Zuckern mit Proteinen Lysinrest Protein-Crosslink Lys-Arg aus: Münch et al., 1997

16 Morbus Alzheimer: Neuronenverlust durch AGE APP-Prozessierung erzeugt ein Aß 42 -Protein Dieses wird extrem neurotoxisch als AGE REF:??

17 Streßsignale in Nervenzellen Synaptische Aktivität Glutamate Aß als AGE RAGE NGF p75 NTR Ca 2+ TNFR I FADD Ceramide?? TNF-α TRAF p50 IκB RelA p50 RelA Targetgen- Expression Degradation Nach O Neill and Kaltschmidt, 1997

18 Telomere: die Uhr läuft!! Radikale und toxische Stoffwechselprodukte: ACE gegen AGE!