Alte Hautzellen werden neu programmiert, um ihre jugendliche Funktion wiederzuerlangen

Forschungen des Babraham Institute haben eine Methode entwickelt, um menschliche Hautzellen um 30 Jahre „zeitzuspringen“, wodurch die Alterungsuhr für Zellen zurückgedreht wird, ohne ihre spezialisierte Funktion zu verlieren. Die Arbeit von Forschern im Forschungsprogramm Epigenetik des Instituts konnte die Funktion älterer Zellen teilweise wiederherstellen und die molekularen Maße des biologischen Alters verjüngen. Die Forschung wird heute in der Zeitschrift veröffentlicht eLifeund obwohl sich dieses Thema noch in einem frühen Forschungsstadium befindet, könnte es die regenerative Medizin revolutionieren.

Was ist Regenerative Medizin?

Mit zunehmendem Alter nimmt die Funktionsfähigkeit unserer Zellen ab und das Genom sammelt Altersspuren an. Regenerative Biologie zielt darauf ab, Zellen zu reparieren oder zu ersetzen, einschließlich alter. Eines der wichtigsten Werkzeuge in der regenerativen Biologie ist unsere Fähigkeit, „induzierte“ Stammzellen zu erzeugen. Der Prozess ist das Ergebnis mehrerer Schritte, von denen jeder einige der Markierungen löscht, die Zellen spezialisiert machen. Theoretisch haben diese Stammzellen das Potenzial, zu jedem Zelltyp zu werden, aber Wissenschaftler sind noch nicht in der Lage, die Bedingungen für die Redifferenzierung von Stammzellen in alle Zelltypen zuverlässig wiederherzustellen.

Zeit zurückdrehen

Die neue Methode, die auf der mit dem Nobelpreis ausgezeichneten Technik basiert, die Wissenschaftler zur Herstellung von Stammzellen verwenden, überwindet das Problem der vollständigen Löschung der Zellidentität, indem die Umprogrammierung auf einem Teil des Weges durch den Prozess angehalten wird. Dies ermöglichte es den Forschern, das genaue Gleichgewicht zwischen der Reprogrammierung von Zellen zu finden, sie biologisch jünger zu machen und gleichzeitig ihre spezialisierte Zellfunktion wiederzuerlangen.

Shinya Yamanaka war 2007 der erste Wissenschaftler, der normale Zellen, die eine bestimmte Funktion haben, in Stammzellen umwandelte, die die besondere Fähigkeit haben, sich zu jedem Zelltyp zu entwickeln. Der vollständige Prozess der Reprogrammierung von Stammzellen dauert etwa 50 Tage, wobei vier Schlüsselmoleküle, die sogenannten Yamanaka-Faktoren, verwendet werden. Die neue Methode mit dem Namen „Maturation Phase Transient Reprogramming“ setzt Zellen nur 13 Tage lang Yamanaka-Faktoren aus. An diesem Punkt sind altersbedingte Veränderungen beseitigt und die Zellen haben vorübergehend ihre Identität verloren. Den teilweise umprogrammierten Zellen wurde Zeit gegeben, unter normalen Bedingungen zu wachsen, um zu beobachten, ob ihre spezifische Hautzellfunktion zurückkehrte. Die Genomanalyse zeigte, dass die Zellen für Hautzellen (Fibroblasten) charakteristische Marker wiedererlangt hatten, was durch die Beobachtung der Kollagenproduktion in den umprogrammierten Zellen bestätigt wurde.

Alter ist nicht nur eine Zahl

Um zu zeigen, dass sich die Zellen verjüngt hatten, suchten die Forscher nach Veränderungen in den Merkmalen des Alterns. Wie Dr. Diljeet Gill, eine Postdoc in Wolf Reiks Labor am Institut, die die Arbeit als Ph.D. Student: „Unser Verständnis des Alterns auf molekularer Ebene hat sich im letzten Jahrzehnt weiterentwickelt und Techniken hervorgebracht, mit denen Forscher altersbedingte biologische Veränderungen in menschlichen Zellen messen können. Wir konnten dies auf unser Experiment anwenden, um das Ausmaß zu bestimmen Neuprogrammierung unserer neuen Methode erreicht.“

Die Forscher untersuchten mehrere Maße des Zellalters. Die erste ist die epigenetische Uhr, bei der chemische Markierungen, die im gesamten Genom vorhanden sind, das Alter anzeigen. Das zweite ist das Transkriptom, alle Genanzeigen, die von der Zelle produziert werden. Durch diese beiden Maßnahmen entsprachen die umprogrammierten Zellen dem Profil von Zellen, die im Vergleich zu Referenzdatensätzen 30 Jahre jünger waren.

Die möglichen Anwendungen dieser Technik hängen davon ab, dass die Zellen nicht nur jünger erscheinen, sondern auch wie junge Zellen funktionieren. Fibroblasten produzieren Kollagen, ein Molekül, das in Knochen, Hautsehnen und Bändern vorkommt und dabei hilft, Gewebe zu strukturieren und Wunden zu heilen. Die verjüngten Fibroblasten produzierten mehr Kollagenproteine ​​im Vergleich zu Kontrollzellen, die den Reprogrammierungsprozess nicht durchliefen. Fibroblasten bewegen sich auch in Bereiche, die repariert werden müssen. Die Forscher testeten die teilweise verjüngten Zellen, indem sie einen künstlichen Schnitt in einer Zellschicht in einer Schale erzeugten. Sie fanden heraus, dass sich ihre behandelten Fibroblasten schneller in die Lücke bewegten als ältere Zellen. Dies ist ein vielversprechendes Zeichen dafür, dass diese Forschung eines Tages dazu verwendet werden könnte, Zellen zu schaffen, die Wunden besser heilen können.

In Zukunft könnte diese Forschung auch andere therapeutische Möglichkeiten eröffnen; Die Forscher beobachteten, dass ihre Methode auch Auswirkungen auf andere Gene hatte, die mit altersbedingten Krankheiten und Symptomen in Verbindung stehen. Das APBA2-Gen, das mit der Alzheimer-Krankheit in Verbindung gebracht wird, und das MAF-Gen, das eine Rolle bei der Entstehung von grauem Star spielt, zeigten beide Veränderungen in Richtung jugendlicher Transkriptionsniveaus.

Der Mechanismus hinter der erfolgreichen vorübergehenden Umprogrammierung ist noch nicht vollständig verstanden und ist das nächste Puzzleteil, das es zu erforschen gilt. Die Forscher spekulieren, dass Schlüsselbereiche des Genoms, die an der Bildung der Zellidentität beteiligt sind, dem Umprogrammierungsprozess entgehen könnten.

Diljeet schloss: „Unsere Ergebnisse stellen einen großen Schritt nach vorne in unserem Verständnis der Zellreprogrammierung dar. Wir haben bewiesen, dass Zellen verjüngt werden können, ohne ihre Funktion zu verlieren, und dass die Verjüngung darauf abzielt, alten Zellen eine gewisse Funktion zurückzugeben. Die Tatsache, dass wir auch eine Umkehrung gesehen haben von Alterungsindikatoren in mit Krankheiten assoziierten Genen ist besonders vielversprechend für die Zukunft dieser Arbeit.“

Professor Wolf Reik, ein Gruppenleiter im Forschungsprogramm Epigenetik, der kürzlich an die Leitung des Altos Labs Cambridge Institute gewechselt ist, sagte: „Diese Arbeit hat sehr aufregende Auswirkungen. Letztendlich können wir möglicherweise Gene identifizieren, die sich ohne Umprogrammierung verjüngen, und zwar ganz besonders zielen darauf ab, die Auswirkungen des Alterns zu reduzieren. Dieser Ansatz verspricht wertvolle Entdeckungen, die einen erstaunlichen therapeutischen Horizont eröffnen könnten.“