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Alte Blut- in junge Hirnstammzellen verwandelt
Die molekulare Uhr einer Zelle zeigt anhand chemischer Markierungen ihrer DNA Hinweise auf ihr biologisches Alter. Forscher haben Blutvorläuferzellen von Menschen bis zum Alter von 101 Jahren in neurale Stammzellen umgewandelt, deren Altersmarker stark zurückgingen. Überraschend dauerte dieser Vorgang mehrere Wochen und könnte helfen, die Mechanismen zellulärer Verjüngung zu untersuchen.
Bonn (Deutschland). Blut- und Nervenzellen besitzen dieselbe Erbinformation, unterscheiden sich aber darin, welche Gene sie nutzen und welche Aufgaben sie erfüllen. Normalerweise wechselt eine ausgereifte Zelle ihren Typ nicht einfach. Im Labor lässt sich diese Festlegung durch bestimmte Steuerproteine dennoch verändern.
Für die Forschung an Alterserkrankungen ist das besonders interessant, weil Zellen älterer Menschen oft bereits Alterungsspuren tragen. Diese lassen sich unter anderem an chemischen Anhängen an der DNA ablesen. Solche epigenetischen Markierungen bilden die Grundlage sogenannter Altersuhren, die das molekulare Alter einer Probe abschätzen.
Forscher der Rheinischen Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn um Prof. Dr. Oliver Brüstle haben nun untersucht, wie sich diese Alterssignaturen verändern, wenn Blutvorläuferzellen in neurale Stammzellen umprogrammiert werden. Dafür verwendeten sie Proben von Spendern vom Neugeborenenalter bis zu 101 Jahren und analysierten die Zellen über unterschiedliche Stadien der Umwandlung hinweg.
Das Team setzte zwei Genregulatoren namens SOX2 und cMYC ein, um Vorläufer roter Blutkörperchen in teilungsfähige neurale Stammzellen umzuwandeln. Aus diesen können sich später verschiedene Zellen des Nervensystems entwickeln. Anders als bei der üblichen Umprogrammierung führte dieser Weg nicht über pluripotente Stammzellen, die sich noch in zahlreiche Gewebetypen verwandeln können.
Um das Alter zu bestimmen, ermittelten die Wissenschaftler das Muster der DNA-Methylierung, also chemische Anlagerungen am Erbgut. Daraus berechneten sie das epigenetische Alter und verglichen es mit dem Lebensalter der jeweiligen Spender. In den fertigen Stammzelllinien untersuchten sie außerdem Merkmale des Zellstoffwechsels, der zellulären Selbstreinigung und der Zellalterung.
Die erzeugten Hirnstammzellen trugen schon in frühen Kulturen im Mittel nur noch rund 13 Prozent des rechnerischen Ausgangsalters ihrer Spender. Nach längerer Vermehrung lag der Wert bei ungefähr fünf Prozent. So beschreibt die offizielle Studienmitteilung beispielsweise Zellen eines 80-Jährigen, deren epigenetische Uhr nach der Umwandlung weniger als 20 Jahre anzeigte.
Auch Untersuchungen typischer Zellmerkmale sprechen für einen jugendlicheren Zustand. Selbst Stammzelllinien sehr alter Spender zwischen 87 und 101 Jahren zeigten mehrere Zeichen zellulärer Alterung nicht mehr, darunter Veränderungen an den Zellkernen und Störungen der Mitochondrien, der Kraftwerke der Zellen. Hinzu kamen unauffällige Befunde bei der zellulären Abfallbeseitigung und bei Merkmalen alternder, nicht mehr teilungsfähiger Zellen.
„Wir wissen zudem, dass diese epigenetische Verjüngung dafür sorgt, dass sich die Zellen tatsächlich auch so verhalten wie junge Zellen“, erklärt Prof. Dr. Oliver Brüstle.
Der entscheidende neue Befund betrifft das Tempo des Vorgangs. Anhand wiederholter Messungen an drei Zelllinien von 50- bis 101-jährigen Spendern zeigte sich, dass der Großteil der altersbezogenen DNA-Markierungen erst nach etwa 50 Tagen zurückgesetzt war. Anders als bei einer Umwandlung über pluripotente Stammzellen lässt sich der Prozess deshalb über einen längeren Zeitraum verfolgen.