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Dem Altern auf den Fersen

31.07.2015

Die Frage, warum wir Altern, ist eine der spannendsten Fragen der Menschheit, bislang aber nicht annähernd geklärt. Wissenschaftler am FMP sind der Antwort näher gekommen. In einer Studie konnten sie erstmals zeigen, dass ein bestimmter Bereich einer Zelle, das sogenannte Endoplasmatische Retikulum, im Alter seine oxidative Eigenschaft verliert. Geht dieses Lebenselixier verloren, können viele Proteine nicht mehr korrekt reifen. Zeitgleich reichern sich oxidative Schädigungen in einem anderen Bereich der Zelle an, dem Cytosol. Dieses Wechselspiel war bisher unbekannt und eröffnet ein neues Verständnis vom Altern, aber auch von neurodegenerativen Erkrankungen wie Alzheimer oder Parkinson.

Jede Zelle besteht aus verschiedenen Kompartimenten. Eines davon ist das Endoplasmatische Retikulum (ER). Hier reifen unter anderem Proteine, die in die Blutbahn abgegeben werden, etwa Insulin oder Antikörper des Immunsystems, in einem oxidativen Milieu.


Abgebildet ist eine einzelne Muskelzelle des Fadenwurms, die den Fluoreszenzsensor Redox-GFP im Endoplasmatischen Retikulum synthetisiert. Der Sensor wird mit zwei verschiedenen Wellenlängen angeregt. Grüne Bereiche signalisieren reduzierende Bedingungen und blaue Bereiche oxidierte Zustände. Maßstabsleiste entspricht 10 µm. Kirstein, FMP

Eine Art Qualitätskontrolle, die sogenannte Proteinhomöostase, sorgt dafür, dass das oxidative Milieu aufrechterhalten wird und Disulfidbrücken ausgebildet werden können. Disulfidbrücken formen und stabilisieren die dreidimensionale Proteinstruktur und sind somit essentiell für eine einwandfreie Funktion der sekretorischen, also zum Beispiel ins Blut wandernden Proteine.

Gleichgewicht gerät aus den Fugen

Wissenschaftler am Leibniz-Institut für Molekulare Pharmakologie in Berlin konnten nun erstmals zeigen, dass das Endoplasmatische Retikulum im Alter seine oxidative Kraft verliert, wodurch sich das reduzierende/oxidierende Gleichgewicht – kurz Redox – in diesem Kompartiment verschiebt. Damit sinkt die Fähigkeit, die für die korrekte Proteinfaltung so wichtigen Disulfidbrücken auszubilden. In der Folge können viele Proteine nicht mehr korrekt reifen und werden instabil.

Es war zwar bekannt, dass es im Alter zu einer vermehrten Proteinmissfaltung kommt, aber nicht, ob dadurch auch das Redox-Gleichgewicht beeinflusst wird. Ebenso wenig war bekannt, dass der Verlust an oxidativer Kraft im ER auch das Gleichgewicht in einem weiteren Kompartiment der Zelle zum Kippen bringt: Umgekehrt nimmt nämlich das ansonsten Protein reduzierende Cytosol im Alter oxidierende Eigenschaften an, was zu den bekannten oxidativen Proteinschädigungen wie die Freisetzung freier Radikale führt.

„Bislang war völlig unklar, was im Endoplasmatischen Retikulum während des Alterungsprozesses passiert. Diese Frage haben wir nun beantworten können“, sagt Dr. Janine Kirstein, Erstautorin der Studie, die im Fachmagazin EMBO Journal* erschienen ist. Gleichzeitig konnten die Wissenschaftler zeigen, dass es eine starke Korrelation zwischen Proteinhomöostase und Redox-Gleichgewicht gibt. „Das ist absolut neu und hilft uns besser zu verstehen, warum sekretierte Proteine wie unsere Antikörper im Alter und nach Stress instabiler werden und an Funktion verlieren. Dies könnte erklären, warum die Immunabwehr im Alter abnimmt“, so die Biologin weiter.

Stress hat gleiche Auswirkungen wie das Alter

Den Verfall der oxidativen Milieus konnten die Forscher auch nach Stress nachweisen. Synthetisierten sie in der Zelle amyloide Proteinfibrillen, die Krankheiten wie Alzheimer, Parkinson oder Chorea Huntington hervorrufen, setzten sie die gleiche Kaskade in Gang. Außerdem konnten sie zeigen, dass Amyloide, die in einem bestimmten Gewebe synthetisiert werden, auch negative Auswirkungen auf das Redox-Gleichgewicht in einem anderen Gewebe im selben Organismus hat. „Proteinstress führt zu den gleichen Auswirkungen wie das Alter“, erläutert Kirstein. „Insofern sind unsere Erkenntnisse nicht nur für das Altern, sondern auch für neurodegenerative Erkrankungen wie Alzheimer interessant.“

Für ihre Experimente nutzte das Forscherteam den Fadenwurm - ein etabliertes Modellsystem, um Alterungsprozesse auf molekularer Ebene zu untersuchen. Da der Fadenwurm transparent ist, konnten die Forscher fluoreszenz-basierte Sensoren verwenden, um die Oxidation in den einzelnen Zellkompartimenten zu messen. Am lebenden Fadenwurm konnte so genau verfolgt werden, wie sich der Redox-Zustand im Alter verändert. Zusätzlich wurde der Einfluss der Proteinaggregation an kultivierten Zellen menschlichen Ursprungs untersucht. Die Daten waren deckungsgleich mit denen im Fadenwurm.

Erkenntnisse für neue diagnostische Biomarker nutzen

„Wir wissen jetzt eine ganze Menge mehr, haben aber auch gelernt, dass Altern wesentlich komplexer ist, als bislang angenommen“, betont Biologin Kirstein. So ist beispielsweise die Übertragung des Proteinfaltungsstress auf das Redox-Gleichgewicht – sowohl innerhalb der Zelle von einem Kompartiment zum anderen als auch zwischen zwei verschiedenen Geweben – noch völlig unklar.

Dennoch ist die Altersforschung durch den Fund aus Berlin ein ganzes Stück weitergekommen, zumal er auch einen praktischen Nutzen verspricht. Das Redox-Gleichgewicht könnte künftig als Basis für neue Biomarker dienen, um sowohl Alterungs- als auch neurodegenerative Prozesse zu diagnostizieren. Janine Kirstein: „Der Ansatz wird momentan sicher weniger zu therapeutischen Zwecken genutzt werden können, aber die Entwicklung diagnostischer Werkzeuge ist durchaus vorstellbar.“

Das Projekt ist eine Kooperation zwischen Laboren aus Berlin, Chicago, Kyoto und München.

Text: Beatrice Hamberger

Literatur:

*Kirstein J, Morito D, Kakihana T, Sugihara M, Minnen A, Hipp MS, Nussbaum-Krammer C, Hartl FU, Nagata K & Morimoto RI. Proteotoxic stress and ageing triggers the loss of redox homeostasis across cellular compartments. EMBO Journal, 2015 in press

Das Leibniz-Institut für Molekulare Pharmakologie (FMP) gehört zum Forschungsverbund Berlin e.V. (FVB), einem Zusammenschluss von acht natur-, lebens- und umweltwissenschaftlichen Instituten in Berlin. In ihnen arbeiten mehr als 1.500 Mitarbeiter. Die vielfach ausgezeichneten Einrichtungen sind Mitglieder der Leibniz-Gemeinschaft. Entstanden ist der Forschungsverbund 1992 in einer einzigartigen historischen Situation aus der ehemaligen Akademie der Wissenschaften der DDR.

Kontakt:

Leibniz-Institut für Molekulare Pharmakologie (FMP)
Robert-Rössle-Str. 10, 13125 Berlin

Dr. Janine Kirstein

Tel: 030-947 93 250
E-mail: kirstein@fmp-berlin.de

Silke Oßwald | idw - Informationsdienst Wissenschaft

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