Wer weniger atmet, lebt länger

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Der Türkise Pachtgrundkärpfling (Nothobranchius furzeri) commons.wikimedia.org CC BY-SA 3.0

Wissenschaftler des Jenaer Forschungskonsortiums JenAge haben herausgefunden, dass die Aktivität einiger Gene in jungen Aquarienfischen vorhersagt, wie alt diese Fische werden. Die Gene enthalten den Bauplan für eine Gruppe von Proteinen, die in der Zellatmung eine Rolle spielen. Luft anhalten hilft also leider nicht, denn die Zellatmung kann man damit auf Dauer nicht beeinflussen. Aber was ist Zellatmung?

Bevor ich das erkläre, erst einmal ein wenig über den Fisch. Unter Aquarianern ist er als Türkiser Prachtgrundkärpfling bekannt, auf Schlau heißt er Nothobranchius furzeri. Der lustige Name kommt daher, dass er von einem Forscher namens Richard Furzer entdeckt wurde (der zu seinem eigenen Glück Amerikaner war und darum in seiner Kindheit hoffentlich nicht gehänselt wurde). Das Besondere an diesem aus Afrika stammenden Fisch ist, dass er in Tümpeln und großen Pfützen lebt, die in der Regenzeit entstehen und auch recht schnell wieder austrocknen. Er muss sich darum sehr schnell entwickeln und fortpflanzen – und stirbt auch recht schnell wieder. Selbst unter Idealbedingungen im Aquarium lebt er nur etwa drei Monate, allerhöchstens wird er ein Jahr alt (das ist aber eher die Ausnahme). Und ähnlich wie viele Menschen entwickelt auch der Prachgrundkärpfling im Alter Tumore und erleidet eine Abnahme der Hirnfunktionen. Er ist also ein interessantes Modell, um Alterungsprozesse zu erforschen und vor allem herauszufinden, ob und wie Altern und  Lebensdauer genetisch festgelegt sind.

Die Fragen nach dem Ob und Wie konnten nun ein stückweit beantwortet werden, als Forscher um Alessandro Cellerino am Leibniz-Institut für Alternsforschung in Jena herausfanden, dass die Fische mit der geringsten Genaktivität für einige Zellatmungs-Proteine am ältesten wurden. Nun also zur Zellatmung:
Mit diesem Begriff bezeichnet man die Umwandlung von Zucker aus unserer Nahrung in Energie in der Zelle. Diese Energie wird in einem Molekül gespeichert, dem Adenosintriphosphat (ATP). Wird ATP von Enzymen in der Zelle benutzt, zerfällt es gewissermaßen und setzt dabei Energie frei. Ohne ATP könnten die Enzyme ihre Arbeit – den Aufbau von Strukturen in unserem Körper, den Abbau von Nährstoffen, etc. – nicht verrichten. Ist ATP einmal in seine Bestandteile zerfallen, wird es jedoch nicht nutzlos, denn durch den Verbrauch von Zucker kann es wieder “zusammengesetzt”, also recycelt werden (das Recycling von ATP ist also der Grund, weshalb wir essen müssen). So geht das immerfort, und dieser ganze Prozess heißt Zellatmung.  Das ATP-Recycling findet in speziellen Zellorganellen, den Mitochondrien statt. Was hat das alles mit Atmung zu tun? Ganz einfach – dieser Prozess benötigt Sauerstoff. ATP ist also auch noch der Grund, weshalb wir atmen müssen! Ganz schön gierig, dieses ATP! Nun ja, wir sollten ihm verzeihen, denn ohne es könnten wir nicht leben.

Für die Zellatmung benötigen die Mitochondrien viele verschiedene Proteine, die in Komplexen zusammenarbeiten. Der Bauplan für jedes dieser Proteine ist in dem für ihn spezifischen Gen gespeichert. Ist ein Gen besonders aktiv, wird der Bauplan häufig abgelesen und umgesetzt, also viel von dem jeweiligen Protein produziert.

Die Wissenschaftler im Team von Alessandro Cellerino untersuchten eine Gruppe von 45 Prachtgrundkärpflingen, indem sie kleine Gewebeprobem von ihren Schwanzflossen nahmen (die wachsen bei Fischen nach). Sie taten das einmal 10 Wochen, nachdem die Fische aus dem Ei geschlüpft waren, und noch einmal 20 Wochen danach. Dann warteten sie, bis die Fische an Altersschwäche starben. Auf Grund des Alters bei ihrem natürlichen Tod teilten die Forscher die Fische dann in drei Gruppen ein: kurzlebig, langlebig und sehr langlebig. Mithilfe der zuvor entnommenen Gewebeproben konnten sie dann nachsehen, welche Gene bei welcher Gruppe besonders hohe oder niedrige Aktivität zeigte. Dabei stellte sich heraus, dass die Gene für den oben erwähnten Atmungskomplex bei den sehr langlebigen Fischen die geringste Aktivität zeigte, bei den kurzlebigen Fischen entsprechend die höchste.

Cellerinis Team ging noch einen Schritt weiter und verabreichte einigen Fischen das Medikament Metformin, dass die Funktion dieses Atmungskomplexes in den Mitochondrien hemmt. Und die mit Metformin behandelten Fischen lebten dann auch länger. Die Alterung wird also nicht an sich durch die Aktivität der Gene beschleunigt, sondern durch die daraus resultierende größere Zahl an Atmungskomplexen.

Bisher dachte man, eine auf Hochtouren laufende Zellatmung wäre besser für die Zellen, nun stellt sich also heraus, dass eine reduzierte Zellatmung gesünder ist. Warum ist das so? Cellerino erklärt es so, dass bei einer reduzierten Zellatmung mehr freie Radikale entstehen als bei ungehemmter Zellatmung. Das scheint zunächst ein Widerspruch, denn freie Radikale zerstören Zellstrukturen. Aber eine nur leicht erhöhte Konzentration der feien Radikalen hat den Effekt, dass die Zellen mit ihnen umzugehen lernen und schneller auf Schäden reagieren. Die Zellen werden quasi gegen freie Radikale abgehärtet, was letztlich ihre Lebensdauer erhöht.

Metformin verlängert übrigens auch Mäuseleben und ist bereits als Medikament gegen Diabetes erhältlich. Aber jetzt nicht haufenweise Süßigkeiten essen, damit man irgendwann Metformin nehmen darf! Rotwein trinken ist anscheinend die bessere Lösung, denn der Stoff Resveratrol kommt darin in hoher Konzentration vor. Der hat in Versuchen mit Mäusen und Zellkulturen gezeigt, dass er lebensverlängernd und krebshemmend wirkt. Also, tief durchatmen und sich ein Gläschen gönnen!

Patchworkfamilie – auf Genetisch

DNA_patchworkAnfang dieses Jahres wurde in Großbritannien eine neue Form der künstlichen Befruchtung zugelassen, bei der ein Kind gezeugt wird, dass drei genetische Eltern hat. Zwei Mütter, einen Vater. Eizelle und Spermazelle kommen von den leiblichen Eltern des Kindes. Die zweite Frau kommt als Mitochondrien – Spenderin ins Spiel. Was sind Mitochondrien und inwiefern kann eine Mitochondrien-Spende Paaren mit Kinderwunsch helfen?

Mitochondrien sind die „Kraftwerke“ der Zelle. Sie nutzen den Sauerstoff, den wir einatmen und der von den roten Blutkörperchen zu allen Zellen transportiert wird. Den Sauerstoff brauchen die Mitochondrien, um ATP herzustellen. ATP ist die Energiewährung alles Lebewesen, der Kraftstoff, der das Leben antreibt – wie Benzin oder Diesel beim Auto und Elektrizität im Haushalt. Alle unsere Muskeln und Organe brauchen das Molekül ATP, um ihre Aufgaben erfüllen zu können. Mitochondrien sind also extrem wichtige Bestandteile unserer Zellen. Und das Merkwürdige an ihnen ist, dass sie ihr eigenes Genom, also ihre eigene Erbinformation in Form von DNA in sich tragen. Diese Erbinformation ist unabhängig von der Haupt-Erbinformation des Menschen, die auf der DNA im Zellkern gespeichert ist. Diese Zellkern-DNA bestimmt die meisten unserer Eigenschaften – wie wir aussehen, welche Eigenschaften wir haben und so weiter. Doch auch die DNA in den Mitochondrien nimmt auf unser Leben Einfluss. Sie ist vor allem wichtig für die Funktion dieser kleinen Zell-Kraftwerke.

cell_simpleDNA

Und da beginnt das Problem, denn wenn Mitochondrien nicht richtig funktionieren, können fatale Krankheiten entstehen. So zum Beispiel das Leigh-Syndrom, das bei Säuglingen Muskelschwäche, Epilepsie und Entwicklungsverzögerungen verursacht und innerhalb weniger Jahre zum Tod führt. Andere Krankheiten, deren Ursache in den Mitochondrien liegt, gehen mit Taubheit, Sehstörungen, Muskellähmungen und Defekten im Nervensystem einher. Ziemlich scheußlich also. Seit etwa 20 Jahren arbeiten Forscher jedoch daran, Frauen aus Familien mit solchen mitochondrialen Krankheiten den Wunsch nach einem gesunden Kind zu erfüllen. Bevor ich dazu mehr erkläre, will ich erst einmal diese Frage beantworten: Wie kann es sein, dass Mitochondrien ihre eigene DNA haben? Und warum muss man sich keine Sorgen machen, wenn in der Familie des Mannes mitochondriale Krankheiten vorkommen?

Vor etwa anderthalb Milliarden Jahren schwammen in der Ursuppe die ersten primitiven Zellen herum. Sie alle hatten bereits Erbinformation auf einer recht kurzen DNA, die sie exakt kopierten und weitergaben, wenn sie sich teilten. Einige dieser frühen Zellen gewannen Energie, indem sie Sauerstoff und Kohlenstoffverbindungen aus dem Wasser aufnahmen und durch mehrstufige chemische Reaktionen in ihrem Zellinneren zu ATP verarbeiteten. Das kann man auch einfach „atmen“ nennen. Andere wiederum gewannen Energie, indem sie diese atmenden Zellen „fraßen“. Wie frisst ein Einzeller? Indem er seinen Zellkörper über den Zellkörper des anderen stülpt und ihn sich so gewissermaßen einverleibt. Die aufgenommene Zelle wird dann verdaut. Aber nicht immer. In einigen Fällen muss es wohl dazu gekommen sein, dass so ein Atmer von der anderen Zelle, die ihn in sich aufgenommen hatte, nicht verdaut wurde. Stattdessen blieb er als „Zelle in der Zelle“ am Leben und atmete weiter, setzte also Sauerstoff und Kohlenstoffverbindungen zu Energie um. Da dieser Atmer jetzt aber innerhalb einer anderen Zelle wohnte, kam dieser das ATP aus der Atmung auch zugute. Und der Atmer lebte geschützt und konnte nicht gefressen werden. Dieses Phänomen nennt man „Endosymbiose“. Das Wort ist aus verschiedenen griechischen Wörtern zusammengesetzt und bedeutet soviel wie „innen zusammenleben“ und wird verwendet, um eine Beziehung von beiderseitigem Nutzen zwischen zwei Lebewesen zu beschreiben. Im Laufe der Jahrmillionen verlor der Atmer viele Teile seiner DNA, sodass er nicht mehr frei leben konnte und zur Organelle wurde, einem Zellorgan. Doch auch heute haben diese Organellen, die wir nun „Mitochondrien“ nennen, noch genügend DNA um innerhalb der Zelle ein Eigenleben zu führen und sich selbstständig zu teilen.

Und was hat das mit Frauen und Fortpflanzung zu tun? Mitochondrien werden bei Säugetieren nur von der Mutter weitergegeben. Der Grund dafür ist einfach: die Spermien des Mannes müssen schnell sein. Mitochondrien haben ein gewisses Gewicht, das so ein Spermium langsam machen würde. Also enthalten Spermien schlichtweg keine Mitochondrien. Sie brauchen auch keine, da sie nicht besonders lange überleben müssen. All das ATP, das sie zum Schwimmen benötigen, wird vorher in den Spermien gespeichert.
Wenn die mitochondriale DNA aber Mutationen trägt, können die Mitochondrien nicht richtig funktionieren und es kommt zu Krankheiten. Die meisten Menschen mit Gendefekten in den Mitochondrien tragen eine Mischung aus kranken und gesunden Mitochondrien. So können oft die gesunden Mitochondrien die Defekte ausgleichen und eine Krankheit bricht nicht oder erst spät im Leben aus. Ist der Anteil kranker Mitochondrien jedoch höher als 60 %, können Krankheiten schon im Säuglingsalter ausbrechen. Solche Krankheiten sind nicht heilbar und meist auch nicht oder nur schwer behandelbar. Wenn eine Frau also weiß, dass solche mitochondrialen Krankheiten in ihrer Familie vorkommen, musste sie früher oft die schwere Entscheidung fällen, keine eigenen Kinder zu bekommen. Denn man kann nicht kontrollieren oder vorhersagen, wieviele kranke Mitochondrien an das Kind weitergegeben werden (selbst, wenn die Frau keine Symptome hat, kann sie einen gewissen Anteil kranke Mitochondrien haben).
Hier kommt nun die „Drei-Eltern-Befruchtung“ ins Spiel. Bei dieser Variante der künstlichen Befruchtung wird eine Eizelle der „echten“ Mutter mit dem genetischen Material des Vaters befruchtet. Das genetische Material dieser befruchteten Eizelle wird dann entnommen und in eine entkernte, befruchtete Eizelle der zweiten Frau eingebracht. So bekommt das Kind das genetische Material aus den Zellkernen seiner Eltern – und sieht ihnen damit ähnlich – hat aber die Mitochondrien einer anderen, gesunden Person. Da die Mitochondrien nicht mithilfe von Genen aus dem Zellkern hergestellt werden, sondern sich selbstständig innerhalb der Zelle teilen, ist dieser genetische Mix kein Problem.

Das genetische Material aus der befruchteten Eizele der leiblichen Mutter wird in die entkernte, befruchtete Eizelle der Mitochondrien-Spenderin übertragen. (aus: Paula Amato et al., Fertil Steril 2014)

Das genetische Material aus der befruchteten Eizele der leiblichen Mutter wird in die entkernte, befruchtete Eizelle der Mitochondrien-Spenderin übertragen.
(aus: Paula Amato et al., Fertil Steril 2014)

Diese neue Methode wird in Großbritannien bereits angewendet. Doch in allen anderen Ländern ist sie nicht erlaubt, da sich ethische Probleme ergeben: Die Eizelle mit den gesunden Mitochondrien muss ebenfalls befruchtet sein. Eine befruchtete menschliche Eizelle ist streng gesehen jedoch ein lebensfähiger menschlicher Embryo. Mit der Entfernung des genetischen Materials aus diesem Embryo nimmt man ihm die Chance, zu leben. Es gibt jedoch eine zweite Methode, bei der keine Befruchtung der Spender-Eizelle notwendig ist. Bei dieser Methode wird die Eizelle erst befruchtet, nachdem das genetische Material der leiblichen Mutter in die entkernte Spender-Eizelle eingebracht wurde. Doch trotzdem ergeben sich praktische Erwägungen: Wieviel bezahlt man der Eizell-Spenderin? Hat sie auch ein Recht auf das Kind? Ganz abgesehen von den ethischen Fragestellungen, die seit dem Beginn der künstlichen Befruchtung bestanden, z.B., ob wir irgendwann diese Technik nutzen werden, um das perfekte Kind, den perfekten Mensch, den perfekten Soldaten zusammenzubauen.

Ich persönlich glaube, dass wir Menschen einfach zu neugierig sind, um etwas, das möglich ist, nicht zu tun. Die Neugier ist es, die uns so weit hat kommen lassen. Sie treibt alles voran: Kunst, Kultur, Wissenschaft. Was ist möglich, wie weit können wir kommen? Dieser Frage werden Menschen immer nachgehen. Die neuen Techniken werden immer weiter entwickelt werden und alles, was möglich ist, werden wir irgendwann auch tun. Ethische Bedenken werden wir immer haben, doch letztendlich werden wir wohl den Fortschritt wählen. Ich glaube allerdings nicht, dass wir in zehn Jahren schon perfekte Babys züchten. Vielleicht in hundert oder fünfhundert Jahren. Ob das gut oder schlecht ist, weiß ich nicht. Es gibt Argumente für beide Seiten. Es muss jeder für sich entscheiden, welche Meinung er hat und welche Seite er unterstützt. Als Wissenschaftler bin ich natürlich ein neugieriger Mensch. Und ich kann nicht leugnen, dass ich die Möglichkeit, sich bewusst für ein gesundes Kind zu entscheiden attraktiv finde.