Neuere Erkenntnisse zu den zellulären und molekularen Ursachen

Neuere Erkenntnisse zu den zellulären und molekularen
Ursachen des Alterns
Jungbrunnen (Gemälde von L. Cranach d.Ä.)
Selbst bei optimalen Wachstumsbedingungen sind normale Zellen
(z.B. humane Hautzellen) in Kultur nicht unbegrenzt teilungsfähig
Kumulative Zellzahl
Alterung (Seneszenz)
105
Absterbephase
104
103
Lineares Wachstum
102
Lag-Phase
10
20
30
40
50
Zeit in Kultur [Wochen] oder
Passagenzahl
nach Hayflick, 1961
Das “Alter” des Zellkerns, nicht das Alter des
Cytoplasmas entscheidet über die “Lebenserwartung”
eines Zellstamms
Junger Zellstamm (10 Teilungen)
noch 40 Teilungen
Alter Zellstamm (30 Teilungen)
noch 20 Teilungen
Telomere: repetitive Sequenzen an den
Chromosomen-Enden
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= 50-100 bei Vertebraten, Mensch und Maus
(TTAGGG)n bei Physarum (Schleimpilz)
TG1-8 bei (Hefe) Saccharomyces
TTTAGGG bei Arabidopsis, Pflanzen allgemein
Konsensus-Sequenz:
T1-3 T/A G3-4
Funktionen der Telomere I
•Schutz der Chromosomenenden vor Endonukleasen
•Vermeidung von Chromosomenfusionen
• Unterdrückung des zelleigenen Reparatursystems
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
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
Telomere: Struktur
1. “Klassisches” Modell (z.B. Garvik et al., 1995):
Telomer-DNA
5´
Duplex-DNA
bindende Proteine
(z.B. Rap1p, TRF-1)
3´
End-spezifische
telomerische Proteine
(z.B. Oxytricha α/β)
2. Neues Modell (Griffith et al., 1999):
t-loop
DNA-Reparatur
5´
Telomere D-loop
bindende Proteine
(z.B. TRF-2)
D-loop
Duplex-DNA
bindende Proteine
(z.B. Ku)
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
Altern als Sreßvorgang
Anzahl Neuronen
Hier: Verlust von Nervenzellen im Bereich des
Gyrus temporalis superior im menschlichen cerebralen Cortex
4000
3000
2000
1000
0
10
20
30
40
50
60
Lebensalter [Jahre]
70
80
Zelluläre “Katastrophentheorie” des Alterns
“Verzuckerung” von
Proteinen
Mitochondrium
•OH
Mutagenese
der Kern-DNA
Modifikationen
zellulärer Proteine
*
*
Zellkern
*
Fehlerhafte Proteine
Mutagenese
mitochondrialer
DNA
Vermehrte
Bildung von
SauerstoffRadikalen
Zellalterung durch freie Radikale
Sauerstoffradikale und ihre Entgiftung:
O2 + eO2- + e- + 2H+
H2O2 + e- + H+
•OH + e- + H+
O2H2O2
H2O + •OH
H2O
Superoxid-Dismutase
Zn,Cu-SOD
2 O2- + 2H+
H2O2 + O2
Catalase
2 H2O2
2H2O + O2
H2O2 + 2 GSH Glutathion-Peroxidase
2H2O + GSSG
GSSG + NADPH + H+Glutathion-Reduktase NADP+ + 2GSH
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)
AGE =
Advanced
Glycation
End products
Maillard-Reaktionen führen zu AGE-Produkten
Generell: Reaktion von reduzierenden Zuckern mit Proteinen
Lysinrest
Protein-Crosslink Lys-Arg
aus: Münch et al., 1997
Morbus Alzheimer: Neuronenverlust durch AGE
APP-Prozessierung erzeugt ein Aß42-Protein
Dieses wird extrem neurotoxisch als AGE
REF: ??
Streßsignale in Nervenzellen
Aß als AGE
Synaptische Aktivität
NGF
Glutamate
RAGE
p75NTR
Ca2+
TNFR I
FADD
Ceramide ?
?
TRAF
IκB
TNF-α
p50
RelA
p50 RelA
TargetgenExpression
Degradation
Nach O´Neill and Kaltschmidt, 1997
Telomere: die Uhr läuft !!
Radikale und toxische Stoffwechselprodukte: ACE gegen AGE !