Altersforschung: Betagte Kraftwerke

Mit den Jahren schwächeln auch Energiepakete wie Mitochondrien. Eine Folge des Alters, oder lösen die Kraftwerke die Alterung der Zelle erst aus?

Andreas Jahn

Junge alte Maus — © Aleksandra Trifunovic (Ausschnitt)

Hunderte, wenn nicht Tausende winziger "Organe" versorgen die Zelle mit dem nötigen Kraftstoff: Mitochondrien werden zu Recht als "Kraftwerke der Zellen" bezeichnet. Die Energiepakete produzieren jedoch nicht nur den Zelltreibstoff ATP, sondern auch hoch reaktive Sauerstoffradikale, die wiederum andere Stoffe, wie das Erbmolekül DNA, angreifen und zerstören können.

Mitochondrium | In den Mitochondrien findet die Zellatmung statt, bei der Kohlenhydrate mit Sauerstoff in Kohlendioxid, Wasser und dem Energie übertragenden Molekül ATP umgewandelt werden. Die von einer Doppelmembran umgebenen Zellorganellen besitzen ein eigenes, ringförmiges DNA-Molekül.

Die Chromosomen im Zellkern wissen sich noch gut dagegen zur Wehr zu setzen, stehen ihnen doch eine ganze Palette an Reparaturtrupps hilfreich zur Seite, um die gröbsten Schäden wieder auszubügeln. Härter trifft es das Erbgut in den Mitochondrien selbst, die mtDNA: Sie sitzt unmittelbar am Produktionsort der zerstörerischen Radikale, und die Organellen verfügen lediglich über ein einziges Enzym für notwendige Ausbesserungsarbeiten: die DNA-Polymerase-gamma. Kein Wunder, dass sich mit zunehmendem Zellalter Mutationen vor allem in der mtDNA anhäufen.

Damit wären die Mutationen im Mitochondrien-Genom eine Folge des Alters, die für die Zelle erst dann problematisch werden, wenn ein Großteil ihrer Kraftwerke ausfällt. Oder könnten die Mitochondrien selbst die Alterung der Zelle auslösen?

Um die Frage nach Ursache oder Folge zu klären, nahmen Aleksandra Trifunovic von der Stockholmer Karolinska-Institut und ihre Kollegen den Mitochondrien die letzte Möglichkeit, sich gegen Mutationen zu wehren: Die Forscher züchteten Mäuse, bei denen in der mitochondrialen Polymerase an entscheidender Stelle Asparaginsäure durch die die Aminosäure Alanin ausgetauscht war. Diese kleine Veränderung bewirkte, dass das Enzym zwar nach wie vor die Verdopplung der mtDNA bewerkstelligen konnte, bei später anstehenden Reparaturaufträgen jedoch versagte.

Erwartungsgemäß häuften sich im Mitochondrien-Genom der Mäuse Mutationen an. Drei- bis fünfmal häufiger waren einzelne Basen der mtDNA ausgetauscht, mitunter fehlten auch längere Stücke. Damit fielen wichtige Enzyme der Atmungskette aus, die ATP-Produktion brach teilweise zusammen.

Junge alte Mäuse | Mäuse, bei denen die mitochondriale DNA-Polymerase-gamma mutiert ist, zeigen frühzeitige Alterserscheinungen.

Die Folgen der veränderten DNA-Polymerase gingen jedoch über die eingeschränkte Energielieferung hinaus: Das Gewicht der Mäuse nahm frühzeitig ab, die Tiere büßten ihre Haarpracht ein, ihr Rücken krümmte sich, sie konnten sich nicht mehr fortpflanzen. Diese typischen Degenerationserscheinungen tauchten bereits bei 25 Wochen alten Tieren auf – ein Alter, in dem andere Mäuse noch vor jugendlicher Kraft strotzen. Nach knapp 50 Wochen waren bereits die Hälfte der Mausmutanten gestorben, während normale Mäuse gut doppelt so alt werden können.

Damit wären mutierte Mitochondrien nicht Folge des Alters, sondern sie lösen selbst die Alterungserscheinungen aus, schließen die Forscher. Ob nun die Kraftwerke der Zelle sich in Zukunft als die Stellschraube erweisen werden, um das Schicksal des Alterns ein wenig hinauszuzögern, bleibt dabei offen.