Artikel zur Langlebigkeit

Forscher entdecken, wie eine mitochondriale Dysfunktion zu vorzeitigem Altern führt

Forscher entdecken, wie eine mitochondriale Dysfunktion zu vorzeitigem Altern führt
  • Die Mechanismen, die dazu führen, dass mitochondriale Defekte zu Krankheiten und Alterung führen, sind noch nicht vollständig geklärt. 

  • Jetzt enthüllen Forscher erstmals den Zusammenhang zwischen mitochondrialen Defekten und Schlüsselsignalen im Alterungsprozess. 

  • Sie beschreiben auch, wie eine neue Technik, die sie auf der Grundlage der Optogenetik entwickelt haben, dazu beitragen kann, die normale Funktion abnormaler mitochondrialer Interaktionen wiederherzustellen.

  • Diese Studie bringt zum ersten Mal offiziell einen Zusammenhang zwischen mitochondrialer Dysfunktion und der Verkürzung der Telomere her. 

Dieser Artikel wurde auf EurekAlert.org veröffentlicht:

Forscher der Universität Buffalo und ihre Mitarbeiter haben leistungsstarke neue Methoden entwickelt, um die zellulären Mechanismen zu untersuchen und möglicherweise umzukehren, die mitochondriale Erkrankungen und vorzeitiges Altern verursachen.

Mitochondrien liefern den Löwenanteil der Energie, die Zellen für eine normale Funktion benötigen. Daher können genetische Defekte in Mitochondrien schwere Krankheiten verursachen, die verheerende Folgen haben können, wenn sie nicht frühzeitig erkannt und behandelt werden. 

Aber wie genau diese mitochondrialen Defekte zu Krankheiten und Alterung führen, ist noch nicht genau geklärt. Ein heute veröffentlichter Artikel in Alternde Zelle enthüllt erstmals den Zusammenhang zwischen mitochondrialen Defekten und Schlüsselsignalen im Alterungsprozess. In einem separaten Naturkommunikation in ihrer Arbeit beschreiben die Forscher, wie eine neue Technik, die sie auf der Grundlage der Optogenetik entwickelt haben, dazu beitragen kann, die normale Funktion abnormaler mitochondrialer Interaktionen wiederherzustellen.

Mitochondrien und Telomere

Der Artikel „Aging Cell“ bringt erstmals eine mitochondriale Dysfunktion mit der Verkürzung der Telomere in Verbindung, einem wichtigen Biomarker für vorzeitiges Altern.

„Telomere sind spezielle DNA-Sequenzen, die als Kappen fungieren und die Enden der Chromosomen stabilisieren“, erklärte Taosheng Huang, MD, PhD, Professor und Leiter der Abteilung für Genetik in der Abteilung für Pädiatrie der Jacobs School of Medicine and Biomedical Sciences an der UB .

„Die Verkürzung der Telomere gilt allgemein als wichtiger Biomarker des Alterns, doch den Mechanismus kannte lange Zeit niemand. Jetzt sind wir in der Lage, mitochondriale Dysfunktion direkt mit der Verkürzung der Telomere in Verbindung zu bringen“, sagte Huang, der leitende Autor der Studie.

Die Experimente wurden mit einem Mausmodell namens Polg „Mutator“ durchgeführt, bei dem die Mäuse einen spezifischen genetischen Defekt tragen, der die Rate mitochondrialer DNA-Mutationen beschleunigt.

„Wir konnten auch beim Menschen zeigen, wie eine einzelne Nukleotidveränderung in der mitochondrialen DNA, die speziell mit einer schlechten Funktion der Mitochondrien in Verbindung gebracht wird und mitochondriale Störungen bei Kindern verursacht, das Altern beschleunigen kann“, sagte Huang. „Wir haben herausgefunden, dass reaktive Sauerstoffspezies aufgrund einer schlechten Funktion der Mitochondrien im Laufe der Zeit zu einer erhöhten DNA-Schädigung führen.“

Die Arbeit ist die erste, die zeigt, dass die mitochondrialen DNA-Mutationen in diesem Modell zu einer schnelleren Alterung führen, wie die DNA-Uhr zeigt, die das biologische Alter eines Individuums anhand bestimmter chemischer Marker in der DNA schätzt.

Huang wies darauf hin, dass die Forschung das Ergebnis einer erfolgreichen Zusammenarbeit aller Autoren ist, darunter Steve Horvath, PhD, Professor für Humangenetik und Biostatistik an der UCLA, der die DNA-Uhr entwickelt hat, sowie Patricia Opresko, PhD, außerordentliche Professorin an der University of Pittsburgh und Sabine Mai, PhD, von der University of Manitoba, beide Experten für Telomere und Telomerschäden.

Jesse Slone, PhD, ehemaliger Postdoc in Huangs Labor am Cincinnati Children's Hospital Medical Center und jetzt wissenschaftlicher Assistenzprofessor in der Abteilung für Pädiatrie der UB, ist Co-Erstautor. Weitere Co-Autoren stammen von der Nanchang University und dem Cincinnati Children's Hospital Medical Center.

Die Forschung wurde vom National Institute of Environmental and Occupational Health und dem National Institute on Aging, beides National Institutes of Health, finanziert.

Orchestrierung zellulärer Interaktionen

Veröffentlicht am 25. Juli Naturkommunikation die Arbeit zeigt, wie die Optogenetik, bei der Licht zur Manipulation der Zellaktivität genutzt wird, als Werkzeug nicht nur zur Untersuchung, sondern auch zur Orchestrierung zellulärer Organelleninteraktionen in Echtzeit eingesetzt werden kann.

Die Arbeit konzentriert sich auf die mitochondriale Dynamik, die Prozesse, die diese Organellen ständig durchlaufen, um ein gesundes Gleichgewicht in der Zelle aufrechtzuerhalten. Sie beteiligen sich an der Spaltung, bei der sich ein Mitochondrium in zwei teilt, und an der Fusion, bei der zwei miteinander verschmelzen und eins werden. Ein Ungleichgewicht zwischen den beiden Arten von Prozessen in einer Zelle kann zu einer mitochondrialen Erkrankung führen.

 „Im Artikel von Nature Communications beschreiben wir eine von uns entwickelte Technologie, die es uns erstmals ermöglicht, die Interaktionen zwischen Mitochondrien und anderen Organellen in der Zelle direkt zu manipulieren“, sagte Huang.

 „Durch den Einsatz der Optogenetik, um eine physikalische Interaktion zwischen Mitochondrien und einer anderen Zellkomponente, dem Lysosom, zu erzwingen, konnten wir die Mitochondrien wieder auf eine normalere Größe bringen und gleichzeitig ihre Energieproduktionsfunktionen verbessern“, erklärte Huang. „Wir glauben, dass diese neue Erkenntnis als Grundlage für zukünftige Diagnosen und Behandlungen dieser Krankheitsgruppe dienen könnte.“

Möglich wurde die Arbeit durch den Einsatz einer leistungsstarken Bildgebungstechnologie namens Strukturelle Beleuchtungsmikroskopie (SIM), die an der Universität von Cincinnati verfügbar ist, wo Huang mit dieser Forschung begann, bevor er seine aktuelle Position an der UB antrat. SIM ermöglicht eine extrem hochauflösende Echtzeitbildgebung in lebenden Zellen.

Huang wurde 2020 vom Cincinnati Children's Hospital Medical Center an die UB und das John R. Oishei Children's Hospital rekrutiert. Er ist ein Experte für die Genetik mitochondrialer Erkrankungen und hat bahnbrechende Innovationen bei der Erkennung und Behandlung genetischer Krankheiten vorangetrieben. Huang ist außerdem medizinischer Direktor für Genetik und Stoffwechsel im Oishei-Kinderkrankenhaus und Direktor für Humangenetik bei UBMD Pediatrics.

Co-Autoren zum Naturkommunikation die Arbeiten stammen vom University of Cincinnati College of Medicine, dem Cincinnati Children's Hospital Medical Center und der University of Illinois at Urbana-Champaign. Die Forschung wurde von den National Institutes of Health finanziert.



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