2.13: Eine Einführung in die Alterung und Regeneration

Biologen auf dem Gebiet des Alterns und der Regeneration haben sich zum Ziel gesetzt, die Mechanismen dieser beiden komplexen Prozesse zu verstehen, die an der Aufrechterhaltung der Gewebehomöostase beteiligt sind.

Das Altern oder die "Seneszenz" geht mit einer Verschlechterung der Zellmorphologie und einem Verlust von Funktionen im Laufe der Zeit einher, während sich die Regeneration auf den Ersatz gealterter oder beschädigter Zellen bezieht. Das Gewebe in unserem Körper wird in einem empfindlichen Gleichgewicht zwischen Seneszenz und Regeneration gehalten. Obwohl die meisten unserer Gewebe eine begrenzte Lebensdauer haben, haben einige von ihnen die Fähigkeit, sich nach einer Verletzung vollständig zu regenerieren.

In diesem Video wird die Geschichte kurz erörtert und die wichtigsten Entdeckungen auf diesem Gebiet hervorgehoben, einige der wichtigen Fragen, die derzeit untersucht werden, einige Assays, die zur Beantwortung dieser Fragen verwendet werden, und einige spezifische Anwendungen dieser Konzepte im Labor.

Bevor wir über die aktuellen Experimente sprechen, werfen wir einen Blick auf einige der wichtigsten Entdeckungen in der Geschichte der Alterns- und Regenerationsforschung.

Die ersten Beobachtungen der Geweberegeneration fanden um 350 v. Chr. statt, als Aristoteles feststellte, dass Eidechsen in der Lage waren, ihre Schwänze zu regenerieren, nachdem sie abgetrennt worden waren.

Im 18. Jahrhundert wurde die Geweberegeneration zu einem heißen Forschungsthema, und drei Wissenschaftler - R. A. Ferchault de R?aumur, Abraham Trembley und Lazzaro Spallanzani - führten unabhängig voneinander detaillierte Studien zur Geweberegeneration an Krebsen, Hydra und Molchen durch.

Die Mainstream-Wissenschaftler interessierten sich im Laufe des nächsten Jahrhunderts weniger für das Phänomen der Regeneration, aber in den frühen 1900er Jahren begann sich das Interesse an dem verwandten Bereich des Alterns aufzubauen. Alexis Carrel, ein französischer Chirurg und Biologe, schlug vor, dass Zellen, die in Kultur gezüchtet werden, unsterblich sind und sich unbegrenzt teilen können. Andere Wissenschaftler konnten seine Behauptungen jedoch nicht replizieren.

Im Jahr 1961 zeigten Leonard Hayflick und Paul Moorhead, dass im Gegensatz zu dem, was Carrel behauptete, normale Zellen, die in Kultur gezüchtet wurden, eine endliche Anzahl von Malen teilen, etwa 40 bis 60, und danach in die Seneszenzphase eintreten. Dieses Phänomen der begrenzten Zellteilung wurde als "Hayflick-Grenze" bekannt.

Die ersten Hinweise auf einen Mechanismus für diese Grenze gab es 1973, als der sowjetische Biologe Alexey Olovnikov erkannte, dass die DNA-Replikationsmaschinerie die Enden der Chromosomen, die Telomere genannt, nicht vollständig replizieren konnte. Er sagte die Existenz eines Mechanismus zur Aufrechterhaltung der Telomerlänge in gesunden und Krebszellen voraus.

Später im Jahr 1984 entdeckten Elizabeth Blackburn, Carol Greider und Jack Szostak, dass an diesem Mechanismus ein Enzym namens Telomerase beteiligt war. Sie zeigten, dass die Telomerase für das Hinzufügen von repetitiven Sequenzen am 3'-Ende des Chromosoms verantwortlich ist, was es der DNA-Polymerase dann ermöglichen würde, die Chromosomenenden vollständig zu replizieren. Blackburn, Greider und Szostak teilten sich 2009 den Nobelpreis für diese Entdeckung.

Nachdem wir nun einige der Entdeckungen im Zusammenhang mit Altern und Regeneration überprüft haben, wollen wir uns einige Schlüsselfragen ansehen, die heute in diesem Bereich gestellt werden.

Eine wichtige Frage, die untersucht wird, ist: Wie altern Zellen? Eine vorherrschende Theorie der Zellalterung wird als Theorie der freien Radikale bezeichnet. Die Idee ist, dass, wenn Zellorganellen, die Mitochondrien genannt werden, oxidative Atmung durchführen, Nebenprodukte gebildet werden, die als reaktive Sauerstoffspezies oder ROS bekannt sind. Die Überproduktion dieser Moleküle induziert oxidativen Stress, der die Funktion von Organellen wie den Mitochondrien selbst und dem endoplasmatischen Retikulum verändert und auch die Kern-DNA schädigen kann. Wissenschaftler sind daran interessiert, die Mechanismen hinter diesen Ereignissen zu entdecken.

Eine weitere Frage, die sich stellt, ist: Welche physiologischen und umweltbedingten Faktoren beeinflussen die Lebensdauer eines Organismus? Einige Forscher versuchen, die Auswirkungen von Umweltveränderungen, zum Beispiel Kalorienrestriktion, auf die Lebensdauer eines Organismus zu analysieren. Andere Forscher interessieren sich für die Identifizierung von Genen und biochemischen Signalwegen, die den Alterungsprozess regulieren.

Schließlich versuchen die Wissenschaftler auch zu verstehen, wie sich Gewebe nach einer Verletzung spontan regenerieren. Es wurde festgestellt, dass spezielle Zellen, die als adulte Stammzellen bekannt sind, bei diesem Prozess eine wichtige Rolle spielen, und einige Forscher sind neugierig auf die Dynamik dieser Zellen nach einer Verletzung. Aus klinischer Sicht sind die Wissenschaftler daran interessiert zu untersuchen, wie diese Zellen in der Therapie von degenerativen Erkrankungen eingesetzt werden können.

Nachdem Sie nun einige der Fragen kennen, die in diesem Bereich gestellt werden, schauen wir uns verschiedene Forschungsinstrumente an, die Wissenschaftler zur Beantwortung dieser Fragen einsetzen.

Eine der Möglichkeiten, das Alter von Zellen zu messen, besteht darin, die Telomerlänge und die Telomeraseaktivität zu bestimmen. Beide Parameter können mittels Polymerase-Kettenreaktion oder PCR gemessen werden.

Die Wissenschaftler untersuchen auch die etablierten Marker seneszenter Zellen, wie die ?-Galactosidase. Dies kann geschehen, indem die Zellen mit biochemischen Assays gefärbt und unter dem Mikroskop betrachtet werden.

Um die Faktoren zu untersuchen, die die Lebensdauer von Organismen beeinflussen, verwenden Wissenschaftler häufig Modellorganismen für wirbellose Tiere wie Würmer oder Fliegen. Die Vorteile dieser Modellorganismen sind ihre relativ kurzen Generationszeiten und ihre Fähigkeit, in einfachen Laboraufbauten gezüchtet zu werden. Darüber hinaus können in diesen Organismen leicht genetische Manipulationen durchgeführt werden, die den Wissenschaftlern helfen, die Rolle der Gene im Prozess des Alterns und der Langlebigkeit zu untersuchen.

Schließlich kann die Rolle adulter Stammzellen bei der Geweberegeneration mit verschiedenen Ansätzen untersucht werden. So können Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler beispielsweise adulte Stammzellen im Zielgewebe mit spezifischen Markern markieren, die es ihnen ermöglichen, diese Zellen bei der Geweberegeneration nachzuvollziehen. Manchmal injizieren Forscher diese multipotenten Stammzellen direkt in das geschädigte Gewebe, um ihre Rolle bei der Reparatur nach Verletzungen zu untersuchen.

Da Sie nun einige der Methoden kennen, die im Bereich des Alterns und der Geweberegeneration verwendet werden, schauen wir uns einige spezifische Anwendungen dieser Methoden an.

Der Fadenwurm Caenorhabditis elegans wurde als Screening-Plattform verwendet, um Genmutationen zu identifizieren, die die Lebensdauer verlängern können. Hier analysierten die Wissenschaftler nach einer Alterssynchronisation mit Hilfe eines zeitgesteuerten Eiablageprotokolls die Auswirkungen einer Genmutation auf die Lebensdauer eines Organismus.

Um die Mechanismen der Geweberegeneration zu untersuchen, stehen viele Modelle zur Verfügung, die eine anfängliche Schädigung mit anschließender Analyse der regenerativen Mechanismen beinhalten. In diesem Beispiel untersuchten die Wissenschaftler die Geweberegeneration nach Ablation der Seitenlinie, einer wichtigen sensorischen Komponente des peripheren Nervensystems des Zebrafisches.

Um eine Ablation zu induzieren, behandelten die Wissenschaftler Fische mit Gentamicin. Nach der festgelegten Erholungszeit wurden die Fische in die fluoreszierende Vitalfarbstofflösung gegossen, die die neuralen Stammzellen färbt. Diese gefärbten Zellen wurden dann mit Hilfe der Fluoreszenzmikroskopie quantifiziert.

Schließlich injizieren Forscher häufig adulte Stammzellen, um die Reparatur von geschädigtem Gewebe zu induzieren. Hier setzten die Wissenschaftler multipotente Stammzellen ein, um die Regeneration von geschädigtem Muskelgewebe zu induzieren. Zu diesem Zweck erstellten die Wissenschaftler Mausmodelle mit geschädigten Muskeln der hinteren Gliedmaßen. Dann wurden multipotente Stammzellen direkt in die geschädigten Muskeln injiziert. Nach der Injektion hatten die Zellen Zeit, sich zu vermehren und zu differenzieren, und ihr Beitrag zur funktionellen Verbesserung wurde analysiert.

Sie haben gerade die Einführung von JoVE in das Gebiet des Alterns und der Regeneration gesehen. Dieses Video gibt einen Überblick über historische Höhepunkte des Feldes, einige Schlüsselfragen, die von Biologen gestellt werden, einige prominente Assays, die zur Beantwortung dieser Fragen verwendet werden, und aktuelle Experimente, die durchgeführt werden, um die Biologie von Seneszenz und Regeneration zu verstehen. Wie immer vielen Dank fürs Zuschauen!