Neuere Erkenntnisse zu den zellulären und molekularenUrsachen des Alterns

Jungbrunnen (Gemälde von L. Cranach d.Ä.)

Kum

ulat

ive

Zellz

ahl

Zeit in Kultur [Wochen] oder Passagenzahl

Selbst bei optimalen Wachstumsbedingungen sind normale Zellen(z.B. humane Hautzellen) in Kultur nicht unbegrenzt teilungsfähig

Lag-Phase

Lineares Wachstum

Alterung (Seneszenz)

Absterbephase

10 20 30 40 50

102

103

104

105

nach Hayflick, 1961

Das “Alter” des Zellkerns, nicht das Alter des Cytoplasmas entscheidet über die “Lebenserwartung”

eines Zellstamms

noch 40 Teilungen noch 20 Teilungen

Junger Zellstamm (10 Teilungen) Alter Zellstamm (30 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 IIDas 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

Replikation der DNA in der Interphase

In Zellen, die keine aktive Telomerase haben, gehen mit jeder Zellteilung Telomer-Sequenzen verloren

Nach C. W. Greider, 1998

Telomerlängen in Keim-, Körper-, und Tumorzellen

Telomere: Struktur1. “Klassisches” Modell (z.B. Garvik et al., 1995):

2. Neues Modell (Griffith et al., 1999):

5´ 3´Telomer-DNA

Duplex-DNAbindende Proteine(z.B. Rap1p, TRF-1)

End-spezifische telomerische Proteine(z.B. Oxytricha α/β)

5´

t-loop

D-loop

Telomere D-loopbindende Proteine(z.B. TRF-2)

Duplex-DNAbindende Proteine(z.B. Ku)

DNA-Reparatur

Zellstämme, die Telomerase exprimieren, teilen sich öfter und altern langsamer als Kontrollzellen

Klonierung der cDNA von hTERT (123kD)Nakamura, 1997; Meyerson, 1997

Einführung von hTERT in normalemenschliche Fibroblasten (BJ) führt zu einer verlängerten Lebensspanne !

Vaziri und Benchimol, 1998;Bodnar et al., 1998

Modell für die Funktionsweise der Telomerase

Aus: Seyffert, Lehrbuch der Genetik

Altern als SreßvorgangHier: Verlust von Nervenzellen im Bereich des

Gyrus temporalis superior im menschlichen cerebralen Cortex

Lebensalter [Jahre]

Anza

hl N

euro

nen

0 10 20 30 40 50 60 70 80

1000

2000

3000

4000

Zelluläre “Katastrophentheorie” des Alterns

Zellkern

Mitochondrium

*

*

*Fehlerhafte Proteine

Vermehrte Bildung von Sauerstoff-Radikalen

•OH

“Verzuckerung” von Proteinen

Mutagenese mitochondrialerDNA

Mutagenese der Kern-DNA

Modifikationen zellulärer Proteine

Zellalterung durch freie RadikaleSauerstoffradikale und ihre Entgiftung:O2 + e- O2

-

O2- + e- + 2H+ H2O2

H2O2 + e- + H+ H2O + OHOH + e- + H+ H2O •

•

2 O2- + 2H+ H2O2 + O2

2 H2O2 2H2O + O2H2O2 + 2 GSH 2H2O + GSSGGSSG + NADPH + H+ NADP+ + 2GSH

Zn,Cu-SODSuperoxid-Dismutase

CatalaseGlutathion-Peroxidase

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)

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: ??

RelAp50

IκB

RelAp50

Targetgen-Expression

FADD

TRAF

TNFR I Ceramide ? ?

Degradation

RAGE

Aß als AGE

p75NTR

NGF

Streßsignale in Nervenzellen

Glutamate

Synaptische Aktivität

Ca2+

Nach O´Neill and Kaltschmidt, 1997

TNF-α

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