Wissenschaftler, die winzige Fadenwürmer untersuchen, haben herausgefunden, wie die Geheimnisse eines langen Lebens von den Eltern an ihre Nachkommen weitergegeben werden können – ohne die DNA zu verändern. Die Entdeckung zeigt, dass wenn bestimmte Zellstrukturen, sogenannte Lysosomen, sich auf eine Weise verändern, die die Langlebigkeit fördert, diese Vorteile von den Körperzellen auf die Fortpflanzungszellen übertragen werden können. Diese Information wird von Histonen transportiert, speziellen Proteinen, die bei der Organisation der DNA helfen und es ermöglichen, dass die „Erinnerung“ an diese Veränderungen vererbt wird.
Wie Veränderungen in den Lysosomen des Wurms, die die Langlebigkeit fördern, auf Fortpflanzungszellen übertragen werden
Im Wang-Labor ist es nicht ungewöhnlich, dass Würmer lange leben. Meng Wang, Senior Group Leader am HHMI Janelia Research Campus, und ihr Team erforschen Langlebigkeit. Sie haben gezeigt, dass sie durch Überexpression eines Enzyms in den Lysosomen des Fadenwurms C. elegans die Lebensdauer des Wurms um bis zu 60 Prozent verlängern können. Überraschenderweise stellte das Team jedoch fest, dass auch die Nachkommen der Würmer ohne diese genetische Veränderung länger als normal lebten. Als sie ihre langlebigen Würmer mit „Wildtyp”-Würmern kreuzten, die das Enzym nicht überexprimierten – ein routinemäßiges Laborverfahren, um genetische Manipulationen zu beseitigen –, stellten sie fest, dass auch die Nachkommen länger als normale Würmer lebten. Irgendwie wurden die Langlebigkeitsmarker von Generation zu Generation weitergegeben, sogar vier Generationen später.
In der neuen Studie decken Wang und ihr Team auf, wie Veränderungen in den Lysosomen des Wurms, die die Langlebigkeit fördern, über Histone – Proteine, die eine Schlüsselrolle bei der Organisation und Regulierung der DNA spielen – von den Zellen seines Körpers auf seine Fortpflanzungszellen übertragen werden. In den Fortpflanzungszellen verursachen diese Histon-Botenstoffe Veränderungen im Epigenom des Wurms – einer Sammlung chemischer Marker, die die Genexpression regulieren –, wodurch die lysosomalen Veränderungen von Generation zu Generation weitergegeben werden können, ohne die zugrunde liegende DNA zu verändern. Die Ergebnisse haben Auswirkungen, die weit über die Langlebigkeit hinausgehen. Epigenetische Veränderungen können Organismen helfen, mit vielen verschiedenen Arten von Umweltstressoren umzugehen – von Ernährungsumstellungen über Schadstoffbelastungen bis hin zu psychischem Stress – und die neue Arbeit zeigt, wie diese Vorteile von den Eltern auf ihre Nachkommen übertragen werden können. „Man geht immer davon aus, dass die Vererbung im Zellkern stattfindet, aber jetzt zeigen wir, dass Histone von einem Ort zum anderen wandern können, und wenn diese Histone Modifikationen aufweisen, bedeutet das, dass epigenetische Informationen von einer Zelle zur anderen übertragen werden“, sagt Wang. „Das liefert einen Mechanismus zum Verständnis des transgenerationalen Effekts.“
Die Entdeckung der Vererbung
Die Forscher stellten fest, dass eine Art der Histonmodifikation – eine Art epigenetische Veränderung – bei langlebigen Würmern im Vergleich zu Würmern mit normaler Lebensdauer erhöht war. Sie wollten herausfinden, wie diese Modifikation mit lysosomalen Veränderungen zusammenhängt, die die Langlebigkeit fördern. Mithilfe einer Kombination aus genetischen Werkzeugen, Transkriptomik und Bildgebung stellten sie fest, dass Veränderungen im lysosomalen Stoffwechsel, die die Langlebigkeit der Würmer beeinflussen, eine Reihe von Prozessen innerhalb der Zelle aktivieren. Diese Vorgänge lösen einen Anstieg einer bestimmten Histonvariante aus, die über Proteine, die Nährstoffe zu den sich entwickelnden Eizellen transportieren, aus dem somatischen Gewebe oder Körpergewebe des Wurms in seine Keimbahn oder Fortpflanzungszellen gelangt. In der Keimbahn wird das Histon modifiziert, sodass die Informationen aus dem Lysosom in die Keimbahn gelangen und von den Eltern an die Kinder weitergegeben werden können.
Die Forscher zeigen, dass dieser Weg während des Fastens aktiviert wird, was zu einer Veränderung des lysosomalen Stoffwechsels führt – und damit eine Verbindung zwischen dem physiologischen Phänomen und den Veränderungen in der Keimbahn herstellt. Die neue Arbeit ergänzt eine wachsende Zahl von Belegen dafür, dass Lysosomen, von denen man früher annahm, dass sie nur als Recyclingzentren der Zelle fungieren, auch als Signalzentrum zur Steuerung verschiedener Prozesse in der Zelle dienen und nun nachweislich Generationen beeinflussen. Die neue Forschung enthüllt auch einen neuen Mechanismus für den Transport von Informationen von somatischen zu Keimbahnzellen über Histone, der helfen könnte zu erklären, wie andere Arten von vererbten Informationen von den Eltern an die Nachkommen weitergegeben werden. Durch die Bereitstellung eines Mechanismus zum Verständnis, wie Umweltveränderungen an somatischen Zellen über die Keimbahn weitergegeben werden, könnte die neue Arbeit Forschern helfen, zuvor beobachtete transgenerationale Effekte besser zu verstehen, wie beispielsweise die Unterernährung eines Elternteils, die sich auf dessen Nachkommen auswirkt.