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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 !
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