PSI-Forscher entschlüsseln Ursache im Zellkern – Chromatin-Veränderungen behindern Genaktivität und können Krankheiten begünstigen
Villigen – Mit zunehmendem Alter verändern sich nicht nur die Zellen selbst, sondern auch die Art, wie ihre DNA im Zellkern verpackt ist. Diese Veränderungen im sogenannten Chromatin führen dazu, dass ältere Zellen auf äußere Signale schwächer und manchmal fehlerhaft reagieren. Das hat ein Forschungsteam des Paul Scherrer Instituts (PSI) in Villigen nachgewiesen. Die Ergebnisse könnten langfristig neue Ansätze eröffnen, um altersbedingte Gewebeveränderungen zu verlangsamen.
Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler um Prof. Dr. G.V. Shivashankar vom PSI-Zentrum für Life Sciences haben Hautzellen (Fibroblasten) von zehnjährigen Kindern mit denen von 75-jährigen Personen verglichen. Die Zellen wurden in einer dreidimensionalen Kollagen-Matrix kultiviert und sowohl mechanischer Spannung als auch dem Wachstumsfaktor TGF-β ausgesetzt – einem Signalstoff, der Reifung, Zellteilung und Immunantwort reguliert.
Die Ergebnisse bestätigten die Erwartungen: Ältere Zellen reagierten deutlich schwächer. Sie zogen sich unter Zugkraft weniger stark zusammen, erhöhten ihre Teilungsrate nur minimal und behielten die Kontraktion länger bei, während junge Zellen flexibel auf die Veränderungen reagierten.
Chromatin als entscheidender Faktor
Die Ursache für dieses unterschiedliche Verhalten liegt in der dreidimensionalen Struktur des Chromatins, der verpackten Form der DNA. „Das Chromatin wirkt wie ein Filter für mögliche Genaktivitäten“, erklärt Shivashankar. Mit dem Alter „öffnet“ sich das Chromatin: Bereiche der DNA, die in jungen Zellen eng gepackt und unzugänglich waren, werden leichter ablesbar. Dadurch werden vermehrt Gene aktiviert, die für die Zelle ungeeignet sind, was zur Produktion falscher Proteine führt.
„Wenn die Aktivierung der passenden Gene nicht mehr richtig funktioniert, werden Prozesse wie Wundheilung oder Reparaturvorgänge im Gehirn beeinträchtigt“, so Shivashankar weiter.
Die Erstautorin der Studie, Doktorandin Yawen Liao, ergänzt: „Wir konnten beobachten, dass alte Zellen deutlich schwächer und anders auf das Signal reagierten, obwohl die Bedingungen in beiden Fällen exakt gleich waren.“ Hochauflösende Bildgebung und molekularbiologische Analysen zeigten, dass Fehlaktivierungen von Genen in älteren Zellen zunehmen. Dieser Mechanismus verringert nicht nur die Flexibilität der Zellen, sondern kann langfristig auch zur Entstehung von Erkrankungen wie Krebs beitragen.
Die Studie wurde im Fachmagazin PNAS (Proceedings of the National Academy of Sciences) veröffentlicht. Shivashankar betont, dass der Mechanismus grundsätzlich in allen Zelltypen vergleichbar ist – nicht nur in Hautzellen: „Wir hätten genauso gut Hirn- oder Muskelzellen untersuchen können.“
Mögliche therapeutische Perspektiven
In Folgestudien will das Team prüfen, ob sich die Chromatin-Struktur gezielt beeinflussen lässt. „Vielleicht kann man die Form des Chromatins so verändern, dass altersbedingte Fehlaktivierungen reduziert werden – oder sie sogar in einen jugendlichen Zustand zurückgeführt werden“, erklärt Shivashankar. Das Altern selbst lasse sich damit zwar nicht aufhalten, doch altersbedingte Degeneration in einzelnen Geweben könnte gebremst oder verzögert werden.
Parallel dazu hat Shivashankar mit Kollegen ein neues KI-gestütztes Bildgebungsverfahren entwickelt, das krankhaft veränderte Chromatinstrukturen in Blutzellen frühzeitig erkennt. Die künstliche Intelligenz vergleicht Hunderte Merkmale wie Form, Textur und Lichtspektrum mit einer Referenzdatenbank gesunder Zellen. In Kombination mit gezielten Chromatin-Modulationen könnten solche Verfahren künftig neue Möglichkeiten für ein gesünderes Altern eröffnen.
Die Studie ist Teil der Grundlagenforschung des PSI zu Health Innovation. Das Paul Scherrer Institut betreibt als größtes Forschungsinstitut der Schweiz komplexe Anlagen für nationale und internationale Wissenschaftsprojekte.
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