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Win-win-Situation im Zellverbund: Kooperierende Zellen leben länger

Tauschen Zellen Stoffwechselprodukte miteinander aus, beschert ihnen dies ein längeres Leben. Das konnte ein Forschungsteam der Charité – Universitätsmedizin Berlin nun erstmals in einer Studie am Beispiel von Hefezellen zeigen. Dieses Ergebnis könnte auch für die Erforschung von Alterungsprozessen und altersbedingten Erkrankungen von Menschen eine wichtige Rolle spielen.

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Stoffwechsel und Altern gehören untrennbar zusammen:
  • Stoffwechselprozesse tragen zur Aufrechterhaltung der Lebensfunktionen bei,
  • sorgen für Wachstum oder
  • stossen Reparaturmassnahmen in Zellen an.
Doch es werden auch Stoffe produziert, die schädlich für die Zelle sind und den Alterungsprozess vorantreiben. «Die Stoffwechselprozesse, die innerhalb von Zellen ablaufen, sind hochkomplex», sagt Prof. Dr. Markus Ralser, Direktor des Instituts für Biochemie an der Charité. «Eine zentrale Rolle spielt dabei unter anderem der Stoffaustausch zwischen Zellen einer Zellgemeinschaft, denn er beeinflusst den internen Zellstoffwechsel massgeblich mit.»

Zellen stehen mit benachbarten Zellen – etwa in Körpergeweben – in stetigem Austausch: Sie schleusen nicht benötigte Stoffe aus ihrem Zellinneren aus und nehmen Substanzen aus ihrer Umgebung auf. In einer aktuellen Studie ging das Team um Prof. Ralser der Frage nach, ob der Austausch von Metaboliten, einen Einfluss auf die Lebensdauer von Zellen hat.

Bestimmung der Lebensdauer von Hefezellen
Für ihre Untersuchungen arbeiteten die Forschenden mit Hefezellen und führten Experimente zur Bestimmung der Lebensdauer durch. Hefezellen sind ein wichtiges Modell der Grundlagenforschung, ein dominierender Mikroorganismus in der Biotechnologie und auch in der Medizin wichtig, da sie Pilzinfektionen auslösen können. «Wir konnten zeigen, dass sich die Lebensspanne der Zellen um rund 25 Prozent verlängerte, wenn sie Metaboliten miteinander austauschen konnten», sagt Dr. Clara Correia-Melo, ebenfalls vom Institut für Biochemie der Charité und Erstautorin der Studie. «Nun wollten wir natürlich wissen, welche Stoffe und Austauschprozesse hinter dieser lebensverlängernden Wirkung stehen.»

Um das herauszufinden, nutzten die Forschenden ein spezielles, durch Massenspektrometrie gestütztes Untersuchungssystem, mit dem sich der Stoffaustausch zwischen den Zellen genau nachverfolgen lässt. Sie stellten fest, dass junge Zellen, die sich noch gut und oft teilten, Aminosäuren ausschieden, und dass diese von den älteren Zellen aufgenommen wurden.

Lebensverlängerung: Methionin und Glycerol
Das Team fand heraus, dass der Austausch der Aminosäure Methionin das Leben der beteiligten Zellen verlängert. Die Aminosäure kommt in allen Organismen vor und spielt für die Proteinherstellung und auch in vielen zellulären Prozessen eine wichtige Rolle. «Das Interessante ist, dass für die Lebensverlängerung der alten Zellen der Stoffwechsel der jungen Zellen verantwortlich war», sagt Prof. Ralser. Einige junge Zellen gaben Methionin ab, das andere junge Zellen aufnahmen. Dadurch wurde deren Zellstoffwechsel so verändert, dass sie Stoffwechselprodukte ausschieden, von denen die Methionin produzierenden Zellen profitierten.

Dabei handelt es sich etwa um Glycerol, das für den Aufbau von Zellmembranen benötigt wird und zellschützende Eigenschaften hat. «Geben langlebige, Methionin aufnehmende Zellen Glycerol ab, verlängern sie dadurch auch das Leben der Methionin produzierenden Zellen – eine Win-win-Situation», erklärt Dr. Correia-Melo. «Und durch diesen kooperativen Stoffaustausch zwischen den Zellen verlängert sich die Lebensdauer der gesamten Zellgemeinschaft.»

Stoffaustausch hat direkten Einfluss auf Alterungsprozess
Mit ihrer Studie konnten die Forschenden anhand von Hefezellgemeinschaften erstmalig zeigen, dass der Stoffaustausch einen direkten Einfluss auf die Lebensdauer und den Alterungsprozess von Zellen hat. Sie vermuten, dass dies auch für andere Zelltypen, etwa menschliche Körperzellen, zutrifft und wollen dies in weiterführenden Studien prüfen.

«Um die Entstehung altersbedingter Erkrankungen wie etwa Diabetes, Krebs oder neurodegenerative Erkrankungen zu erforschen, müssen die komplexen Stoffwechselwege innerhalb, aber eben auch zwischen den Zellen besser verstanden werden», sagt Prof. Ralser. «Der Stoffaustausch zwischen Zellen ist ein bislang übersehener, aber ganz offensichtlich massgeblicher Faktor für den zellulären Alterungsprozess. Wir hoffen, dass wir mit unserer Studie dazu beitragen können, dass künftig der Austausch von Stoffwechselprodukten zwischen Zellen verstärkt in den Blick genommen wird.»

In folgenden Forschungsprojekten möchte Prof. Ralser die genauen Mechanismen der zellschützenden und lebensverlängernden Wirkung von Glycerol genauer untersuchen.PS


Quelle: Charité – Universitätsmedizin Berlin/Pressemitteilung, 06.01.2023

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