Bioinformatiker erforschen die molekularen Mechanismen des Alterns

Ein Team um die Bioinformatiker Andreas Keller und Fabian Kern von der Universität des Saarlandes hat zusammen mit Forschern der Stanford University neue Einblicke in Erscheinungsformen des Alterns auf molekularer Ebene gewonnen. Sie fanden heraus, dass der Prozess des Ablesens genetischer Informationen bei älteren Menschen nicht so reibungslos abläuft wie bei jüngeren.

Diese Veränderungen im Transkriptionsprozess sind auf bestimmte RNA-Moleküle zurückzuführen, die die Aktivität einzelner Gene beeinflussen und damit bestimmen, welche Proteine ​​der Körper produziert – physiologische Veränderungen, die einen enormen Einfluss auf den Stoffwechsel des Körpers haben können. Ihre Forschungsergebnisse wurden nun in der Fachzeitschrift veröffentlicht Naturbiotechnologie.

Wie und warum altern unsere Organe? Um diese Frage zu beantworten, hat eine Gruppe von Forschern aus Saarbrücken und Stanford einen Teil der molekularen Mechanismen untersucht, die dem Altern zugrunde liegen. Ein Team um Andreas Keller, Professor für Klinische Bioinformatik an der Universität Saarbrücken, untersuchte die Organe von Mäusen über die Lebensspanne der Maus und stellte fest, dass sich die Menge an kleinen nicht-kodierenden RNAs (sncRNAs), die in den Organen exprimiert werden, je nach Alter der Mäuse signifikant unterscheidet Mäuse.

„Wir haben eine Reihe von RNA-Molekülen identifiziert, deren Häufigkeit mit dem Alter zunimmt, aber auch solche, deren Vorkommen deutlich abnimmt“, sagt Andreas Keller, der auch ein Forschungsteam in der Abteilung für Klinische Bioinformatik am Helmholtz-Institut für Pharmazeutische Forschung leitet. Saarland (HIPS). HIPS ist eine Außenstelle des Helmholtz-Zentrums für Infektionsforschung (HZI) in Braunschweig und wird gemeinsam mit der Universität des Saarlandes betrieben.

Einige sncRNAs regulieren spezifisch die Mengen an Boten-RNA-Molekülen (mRNA). Diese mRNA-Moleküle leiten die im Genom (DNA) codierten genetischen Anweisungen an die Proteinherstellungsmaschinerie einer Zelle weiter. Sie machen im Wesentlichen Kopien von DNA-Segmenten in der Zelle – ein Prozess, der als Transkription bekannt ist. Die mRNA kodiert also den chemischen Bauplan, nach dem einzelne Proteine ​​hergestellt werden, die wiederum die meisten Stoffwechselvorgänge im Körper steuern.

„Wenn man die DNA des Organismus mit einem Kochbuch vergleicht, das alle Proteinrezepte enthält, kopiert die mRNA einzelne Rezepte, aus denen dann die entsprechenden Gerichte (Proteine) entstehen“, erklärt Viktoria Wagner, Biotechnologin und Erstautorin der Arbeit, die die Ergebnisse der Studie vorstellt die Forschung des Teams. Werden die mRNA-Moleküle aber durch andere RNAs blockiert, wird der Translationsprozess gehemmt, sodass keine Proteine ​​mehr produziert werden.

„Wird die Proteinproduktion gehemmt, wirkt sich das auf den Stoffwechsel von Zellen und Organen aus und wirkt sich letztlich auch auf den Alterungsprozess des gesamten Organismus aus“, erklärt Wagner.

Dem Saarbrücker Forschungsteam ist es gelungen, molekulare Signaturen und Muster im Zusammenhang mit dem Altern zu beschreiben. Einige dieser molekularen Signaturen sind allgemeiner Natur, dh sie wurden in jedem der untersuchten Organe identifiziert, andere erwiesen sich als spezifisch für einzelne Organe.

„Ein bestimmtes Molekül zeigte sehr starke Wirkungen in der Leber“, sagt Professor Andreas Keller, der zusammen mit seinem Team in Saarbrücken eine Bioinformatik-Software einsetzte, um die riesigen Mengen an anfallenden Sequenzierungsdaten zu analysieren. „Weitere Experimente zeigten das überraschende Ergebnis, dass einige der beteiligten Mechanismen reversibel sind – zumindest auf molekularer Ebene.“

In zukünftigen Forschungen wollen die Bioinformatiker die RNA-Moleküle genauer untersuchen und hoffen, dass sich daraus Alterungsmarker für bestimmte Organe entwickeln lassen. „Durch die Entwicklung eines solchen Biomarkers hoffen wir, den Alterungsprozess von Menschen anhand von Blutuntersuchungen beobachten zu können“, sagt Keller. Dies könnte eine besonders interessante Entwicklung sein, da der Alterungsprozess immer noch eine der Hauptursachen für viele der häufigsten Krankheiten ist.

Dies könnte möglicherweise eine Reihe weiterer Möglichkeiten in der Biomedizin eröffnen. „Wir wissen, dass Infektionskrankheiten unsere Zellen teilweise enorm belasten und dadurch deren Alterung beschleunigen können“, sagt Fabian Kern, Nachwuchsgruppenleiter am HIPS.

Kern, der in Bioinformatik promoviert ist, war maßgeblich an der Entwicklung der in der Studie verwendeten Softwaretools beteiligt und erläutert die Bedeutung der aktuellen Forschung wie folgt: „Mit den neuesten Methoden und Technologien des maschinellen Lernens können wir die verschiedenen molekularen Signalwege genau klassifizieren Aus den gewonnenen Erkenntnissen erhoffen wir uns neue Ansätze zur Entwicklung innovativer Arzneimittel und befinden uns damit bereits in einem frühen Stadium des Drug Discovery-Prozesses: Während herkömmliche Wirkstoffe auf der Ebene von Proteinen angreifen, würde unser Ansatz gezielte Veränderungen beinhalten die Boten-RNA-Ebene.“