Altern der Hefezelle

Forschungsprojekt P 14574Altern der HefezelleMichael BREITENBACH26.06.2000 Das Phänomen des Mutterzell-spezifischen Alterns der Hefezellen wurde vor mehr als 40 Jahren entdeckt und in den letzten 5 Jahren erneut intensiv untersucht. Die experimentellen Vorteile des Hefesystems zur Untersuchung des Alterns sind enorm: 1. Hefe war der erste Eukaryot dessen vollständige Genomsequenz ermittelt wurde; somit können alle Methoden der "functional genomics" eingesetzt werden, insbesondere ist es möglich, die Transkriptionsaktivität aller 6200 Hefegene in alten und jungen Zellen mit etablierten Methoden zu vergleichen. Seit kurzem kennen wir auch die vollständige Genomsequenz eines weiteren (vielzelligen) Eukaryoten, des Fadenwurms C. elegans. Dies gibt uns die Möglichkeit, alternsspezifische Gene vergleichend in zwei Eukaryoten zu untersuchen. C. elegans ist ebenfalls ein bevorzugtes Objekt der Alternsforschung. 2. Hefe zeigt den schnellsten bekannten Altemsprozeß: der "life-span" von typischen Hefezellen beträgt etwa 20-30 Zellgenerationen oder 2-3 Tage. 3. Klassische und reverse Genetik, biologische Strukturforschung und die Erforschung der Zellphysiologie auf der Basis der Genetik sind im Hefesystem am höchsten entwickelt. Alle diese Hilfsmittel können eingesetzt werden, um die vielen konkurrierenden Theorien des Alternsprozesses experimentell zu überprüfen. Eine wichtige Voraussetzung dazu ist, daß es beachtliche phanotypische Ähnlichkeiten zwischen gealterten Hefezellen und höheren Zellen gibt: Alte Zellen sind wesentlich größer als junge Zellen; alte Zellen verlieren die Zellpolarität; Die Zelloberfläche zeigt charakterisitische Deformationen, die Proteinsynthese und der Zellzyklus werden verlangsamt, und aktivierende Mutationen in den RAS-Genen führen zu einem beschleunigten Alternsprozeß. Die Ziele unseres Projektes sind: 1. Untersuchung der ursächlichen Rolle toxischer Sauerstoffmetaboliten beim Alternsprozeß der Hefe. Die genetische und physiologische Manipulation des Sauerstoffinetabolismus ist in Hefe besser durchführbar als in höheren Zellen. Es liegen bereits Ergebnisse aus unserer Arbeitsgruppe vor, die die Rolle der Sauerstofftoxizität beim Altern der Hefezelle zeigen. Diese müssen noch weiter abgesichert und vertieft werden. Die Hypothese der Sauerstoffioxizitft als eine der Ursachen für das zelluläre Altern ist in der medizinischen Alternsforschung weithin anerkannt. 2. Wir haben gezeigt, daß bei Hefe ebenso wie bei primären Fibroblastenkulturen aktivierende Punktmutationen in RAS Seneszenz bewirken. Dieser Befund soll im gegenwärtigen Projekt weiter erforscht werden, wobei die Aufk1ärung des Zusammenhangs zwischen dem RAS/cAW-Weg und dem oxidativen Stress in der Hefezelle im Vordergrund steht. 3. Wir wollen eine systematische Suche nach Genen durchführen, die in alten Zellen differentiell exprimiert sind. Dazu muß unsere Methode zur Isolierung und Reinigung von alten Zellen weiter erforscht und verbessert werden. Erste Ergebnisse der Anwendung von ,,differential display" auf die mRNA alter Zellen liegen vor. Filter (DNA- microarrays) sollen erstmals eine globale Transkriptionsanalyse alter Zellen ermöglichen. Die differentiell exprimierten Gene werden mit den von uns gemeinsam mit anderen Gruppen entwickelten Methoden der systematischen funktionellen Analyse des gesamten Hefegenoms (EUROFAN) untersucht werden.

Die gegenwärtige weltweite Renaissance der Alternsforschung ist unter anderem verursacht durch die sozio- ökonomischen Probleme, die die in den letzten 50 Jahren dramatisch gestiegene Lebenserwartung der Menschen in hochentwickelten Ländern mit sich gebracht hat. Die gestiegene Lebenserwartung bei gleichzeitiger Senkung des Pensionsalters und gleichzeitigem dramatischem Rückgang der Kinderzahl und Restriktion der Zuwanderung hat zu fast unlösbaren Problemen bei der Finanzierung der Alterspensionen geführt. In dieser Situation ist auch die Wissenschaft gefordert. Wir brauchen nicht nur neue ökonomische Modelle, sondern auch ein verbessertes Verständnis des biologischen und soziologischen Alternsprozesses selbst. Wir wissen sehr wenig über die biochemischen und physiologischen Grundlagen des Alternsprozesses. Schon die Unterscheidung zwischen dem gesunden Altern und den Pathomechanismen der typischen Alterskrankheiten ist sehr schwer durchzuführen. Medizinische Alternsforschung am Patienten kann nicht alle Fragen beantworten wegen der langen Generationszeit, den Problemen der humangenetischen Familienstudien und auch aus ethischen Gründen. Das Altern von menschlichen Zellkulturzellen ist nicht identisch mit dem Altern des Organismus oder der Person und kann nur einen kleinen Ausschnitt des Alternsproblems beleuchten. Daher sind Modellsysteme des Alterns wie die Maus, die Fruchtfliege, der Fadenwurm und die Bäckerhefe Saccharomyces cerevisiae bedeutend. Das Ziel des Projektes war es, im Detail durch systematische Untersuchungen an der Bäckerhefe Beweise für die "Sauerstofftheorie des Alterns" ("Radikaltheorie des Alterns") zu finden. Sauerstoff ist nicht nur lebensnotwendig für die Atmung, er gibt auch Anlass zur Entstehung von Sauerstoffradikalen und ihren Folgeprodukten, die in einem gesunden Organismus und in jeder gesunden Zelle wieder beseitigt ("entgiftet") werden müssen. Für viele menschliche Erkrankungen sind Sauerstoffradikale als Ursache nachgewiesen. Alle Zellen mit der einzigen Ausnahme von Anaerobiern sehen sich mit dem Problem der Sauerstofftoxizität konfrontiert. Produkte der Suerstofftoxizität wurden vermehrt in gealterten Individuen vieler Arten nachgewiesen. Es könnte daher die Anhäufung von Schadstoffen, die letztlich auf Sauerstoffradikale zurückzuführen sind, ein Alternsmechanismus von allgemeiner Bedeutung sein. Das Studium von allgemeinen Mechanismen kann unser Verständnis des Alternsprozesses fördern und ist auch potenziell auf den Menschen anwendbar. Wir haben gezeigt, dass gealterte Hefezellen zell-intern oxidativen Stress erzeugen und durch programmierten Zelltod (Apoptose) sterben. Umgekehrt ist es ein heute allgemein anerkanntes Ergebnis der Apoptoseforschung, dass zellinterner oxidativer Stress ein wesentlicher Bestandteil des Apoptosemechanismus ist.Weiters konnten wir zeigen, dass onkogene Punktmutationen im RAS2 Gen der Hefe oxidativen Stress erzeugen und frühzeitiges Altern bewirken. Ganz ähnliche Befunde existieren auch für die menschlichen ras Gene. Durch genomweite Transkriptanalyse auf DNA- Mikroarrays haben wir gezeigt dass gealterte Zellen einen ganz ähnlichen Satz von Genen über- bzw. unterexprimieren, wie Zellen die durch eine temperatursensitive Mutation in die Apoptose gebracht wurde, darunter viele Gene der Abwehr gegen oxidativen Stress, was als weitere Bestätigung der Sauerstofftheorie des Alterns zu werten ist.