Der Körper ist keine abgenutzte Maschine
Viele Menschen spüren irgendwann in ihren Dreißigern oder Vierzigern einen plötzlichen Rückgang der körperlichen Leistungsfähigkeit oder Energie. Nach wenigen Treppenstufen gerät man außer Puste, oder auf dem Befundbericht des Routinechecks tauchen ungewohnte Werte auf. Man führt diese Veränderungen gewöhnlich auf körperliche Überlastung und Organverschleiß zurück. Die Vorstellung, dass der menschliche Körper wie ein altes Auto funktioniert, dessen Bauteile durch jahrelangen Gebrauch zwangsläufig verschleißen, gilt seit langem als allgemeiner Konsens.
Eine in Fachjournal Science veröffentlichte Studie bietet nun eine völlig neue Erklärung. Das Team um Junyue Cao, Leiter des Labors für Einzelzell-Genomik und Populationsdynamik an der Rockefeller University, zeigt: Das biologische Altern folgt einem vorgegebenen Code; der Verfall und das Lebensende werden im Körper durch ein geordnetes molekulares Programm gesteuert.
Vom Oberschüler in Hebei zur Erforschung von 21 Millionen Einzelzellen
Junyue Caos Motivation, die Geheimnisse des Alterns zu entschlüsseln, entstand bereits während seiner Schulzeit in der chinesischen Provinz Hebei. Als er miterlebte, wie seine Großeltern zunehmend schwächer wurden und schließlich verstoben, keimte in ihm der Wunsch, die Mechanismen des Alterns zu erforschen. Er nahm später ein Studium an der Peking-Universität auf und entwickelte sich zu einem führenden Forscher auf dem Gebiet der Einzelzell-Genomik (single-cell genomics, einer Technologie, mit der die Genexpressionszustände auf der Ebene einzelner Zellen ausgelesen werden können).
Um die Funktionsweise des Alterungsprogramms aufzudecken, führte das Forschungsteam ein riesiges Experiment durch. Die Wissenschaftler untersuchten knapp 50 Mäuse unterschiedlichen Alters, die 14 Hauptorgane und 5 Lebensphasen abdeckten. Diese 5 Phasen erstreckten sich vom Alter von 3 Monaten bis zu 23 Monaten bei den Mäusen, was beim Menschen den Entwicklungsstufen von den 20ern (Jugend/junges Erwachsenenalter), den 30ern (Erwachsenenalter), den 50ern (mittleres Alter) bis hin zum Alter von 60 und 75 Jahren entspricht.
Das Team führte Einzelzell-Sequenzierungen an 21 Millionen Zellen durch und bestimmte präzise die Aktivität von 20.000 Genexpressionen (gene expression, der Prozess, bei dem Gene aktiviert werden und die Synthese von Proteinen anleiten) in jeder einzelnen Zelle. Ein Datensatz von 21 Millionen Zellen ist gigantisch – vergleichbar mit der detaillierten Auswertung der Arbeitsnachweise aller Einwohner einer Großstadt. Daraus identifizierten die Forscher 536 Hauptzelltypen sowie 1.828 Subtypen (Subtypen sind fein differenzierte Funktionsrollen innerhalb derselben Zellkategorie).
Abb.: Junyue Cao, Leiter des Labors für Einzelzell-Genomik und Populationsdynamik an der Rockefeller University. Quelle: Quanta Magazine / Karen Dias
Die vier Phasen des Alterns und plötzliche Leistungssprünge
Die Daten enthüllten eine überraschende Tatsache: Ähnlich wie bei der Embryonalentwicklung bleiben fast drei Viertel aller Zell-Subtypen im Laufe des Lebens stabil; drastische Veränderungen treten nur bei etwa einem Viertel der Zellpopulationen auf. Der körperliche Verfall schreitet in klaren Phasen voran und ist kein abrupter Gesamtzusammenbruch.
In der ersten Phase, bei Mäusen im Alter von 3 bis 6 Monaten (entspricht beim Menschen den 20ern bis frühen 30ern), leitet der Körper das Alterungsprogramm bereits leise ein. In diesem Zeitraum gehen bestimmte Fett- und Muskelzellen rasch verloren, während gleichzeitig zwei Typen unreifer Gehirnzellen mit Regenerationsfähigkeit abnehmen. Obgleich der Körper von außen betrachtet auf dem Höhepunkt seiner Jugend zu sein scheint, hat der molekulare Countdown im Hintergrund längst begonnen.
Beim Eintritt in die zweite Phase (entspricht beim Menschen den 30ern bis 40ern) kommt es zu einer drastischen Abnahme von Gewebe-Instandhaltungszellen. Tenozyten (Sehnenzellen), glatte Muskelzellen des Dickdarms sowie Perizyten (Zellen, die Mikrogefäße umhüllen und deren Struktur sowie Nährstoffversorgung aufrechterhalten) nehmen deutlich ab. Die tägliche Selbstreparatur-Effizienz der Organe sinkt infolgedessen. Diese Phase erklärt genau, warum viele Menschen ab dreißig eine langsamere Wundheilung und eine verzögerte Muskelregeneration feststellen.
In der dritten und vierten Phase (entspricht beim Menschen den späten 40ern, 50ern und darüber hinaus) verlagert sich das Hauptmerkmal des Alterns von der Zellerschöpfung hin zu einer massiven Expansion bestimmter Zelltypen. Immunzellen führen die erste Welle der Expansion an, gefolgt von einer Ansammlung alterungsbedingter Immunzellen, die systemische chronische Entzündungen auslösen. Diese Veränderung der zellulären Sozialstruktur führt direkt zu einem steilen Anstieg von chronischen Erkrankungen wie Herzkrankheiten, Arthritis und Krebs.
Physiologische Daten des Menschen bestätigen dieses Muster. Das Proteinprofil des menschlichen Blutes zeigt in den Mitte-40ern und späten 50ern zwei steile Sprünge, was exakt mit den phasenweisen Veränderungen im Mausexperiment korrespondiert. Junyue Cao vergleicht diese Sprünge mit dem Laubfall der Bäume: Herbstblätter fallen nicht jeden Tag gleichmäßig ab, sondern lösen sich getriggert durch Lichtsignale gebündelt innerhalb von etwa zwei Wochen im Übergang vom Sommer zum Herbst. Das Altern von Säugetieren wird ebenso durch spezifische interne Signale angetrieben und zeigt an festen Knotenpunkten stufenförmige, abrupte Veränderungen.
Abb.: Junyue Cao bei der Beobachtung von Zellproben im Labor. Quelle: Quanta Magazine / Karen Dias
Vorgegebener Code in molekularen Schaltern
Wäre das Altern lediglich eine Folge zufälliger physikalischer Abnutzung, müssten die Genveränderungen in den Zellen ungeordnet und zufällig über das Genom verteilt sein. Auf der Ebene des Epigenoms (epigenome, dem molekularen Markierungssystem, das auf der DNA sitzt und Genschalter steuert, ohne die DNA-Sequenz zu verändern) entdeckten die Forscher jedoch 280.000 Genombereiche, die sich während des Alterungsprozesses reproduzierbar öffnen oder schließen.
An bestimmten Altersknotenpunkten werden stets exakt dieselben Genombereiche aktiviert oder blockiert. Das Skript für den systemischen Verfall ist folglich bereits früh im Leben geschrieben worden. Dieser präzise Schaltmechanismus wiederholt sich sowohl bei Mäusen als auch beim Menschen. Der Prozess des Alterns ist im Kern eine Umstrukturierung der gesamten zellulären Gesellschaft.
Abb.: Forscher analysieren großflächige Einzelzell-Genomdaten über Berechnungsplattformen. Quelle: Quanta Magazine / Karen Dias
Die Möglichkeit, den biologischen Countdown neu zu schreiben
Die Erkenntnis, dass Altern ein steuerbares molekulares Programm ist, eröffnet völlig neue therapeutische Ansätze für die Anti-Aging-Forschung. Da das Altern durch spezifische genetische Codes und Zellvariationen angetrieben wird, könnte der Mensch durch das gezielte Blockieren oder Aktivieren von Schlüsselschaltern die zelluläre Gesellschaft verjüngen. Das Forschungsteam hat bereits mehrere besonders anfällige, seltene Zell-Subtypen identifiziert und arbeitet daran, den molekularen Code zu entschlüsseln, der die Alterungsveränderungen antreibt.
Die Wissenschaftler stellten fest, dass die Instandhaltungs- und Regenerationsfähigkeit der Zellen bereits vor dem 30. Lebensjahr spürbar nachlässt. Um alterungsbedingten Gewebeschäden wirksam vorzubeugen, muss der Zeitpunkt für medizinische Interventionen weit vor das mittlere Alter verlegt werden. Altern ist kein unumkehrbares Verrosten einer biologischen Maschine. Gelingt es, diesen geordneten molekularen Code im Körper zu entschlüsseln und umzuprogrammieren, könnte die Erhaltung einer jungen zellulären Gesellschaft Realität werden.
Referenz:
- Quanta Magazine
