Studie über den Stressregulator SKN-1
Der nur 1 mm große Fadenwurm C. elegans ist einer der wichtigsten Modellorganismen für die Insulin- und Alterungsforschung.
Prof. Dr. Ralf Baumeister
Forscher der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg haben in Zusammenarbeit mit Kollegen von der Harvard Medical School in Boston, USA, eine bislang unbekannte Funktion des Insulins entdeckt, die Alterung und Lebenserwartung beeinflussen kann.
Die Studie, die am 21. März 2008 in der jüngsten Ausgabe der Wissenschaftszeitschrift Cell erscheint, zeigt, dass Insulin über ein vor kurzem von der Freiburger Gruppe beschriebenes Enzym einen der wichtigsten zellulären Stressregulatoren, ein Protein namens SKN-1, in den Zellen blockiert. Im Experiment führte die Aktivierung von SKN-1 zur Verlängerung der Lebenserwartung. SKN-1 kontrolliert dabei ein in der Medizin als Phase-2-Detoxifizierung bekanntes genetisches Netzwerk, das Zellen und Gewebe vor oxidativem Stress schützt. Dieser Stress entsteht durch erhöhte Mengen an freien Radikalen, Nebenprodukten des Zellstoffwechsels, und wird auch durch verschiedene Umweltgifte hervorgerufen. Die jüngste Entdeckung wurde im Rahmen von Experimenten im Verdauungstrakt des Fadenwurms C. elegans gemacht, der bereits häufig als Modellorganismus für menschliche Krankheiten des Alterns benutzt wurde.
Die Freiburger Forscher um Professor Dr. Ralf Baumeister hatten erst vor vier Jahren ein Gen gefunden, das ein entscheidendes Enzym namens SGK-1 produziert und im Insulinweg für die Steuerung des zellulären Alterungsprogramms sorgt. "Zur selben Zeit entdeckten unsere Kollegen am Joslin Diabetes Zentrum der Harvard Medical School, dass der Stressregulator SKN-1 ebenfalls einen Einfluss auf die Lebenserwartung hat", erklärt Baumeister, einer der Autoren der neuen Studie. "Nichts lag also näher, als unsere Daten zu vergleichen und gemeinsam weiterzuforschen. Dabei entdeckten wir, dass wir uns demselben Phänomen von zwei Seiten genähert hatten".
Diese neu gefundene Rolle von Insulin sollte berücksichtigt werden, wenn man an die vielfältigen Aufgaben von Insulin im Körper denkt. Die Veröffentlichung legt nahe, dass Insulin unter bestimmten Umständen die Abwehr gegen die schädlichen Einflüsse von oxidativem Stress stärker reduzieren kann als bislang angenommen wurde.
Man hofft jetzt, dass die präzise Regulation der SKN-1 Aktivität die Abwehrkräfte gegen chronische Erkrankungen und die Lebenserwartung steigern könnte. Die Arbeit könnte daher wichtig werden für das Verständnis von Diabetes und den vielen mit dieser Erkrankung verbundenen Komplikation, zu denen Arteriosklerose - Erkrankungen der Blutgefäße - und Nierenversagen zählen.
"Den größten Einfluss hat diese Forschung aber auf unser Verständnis von Alterungsvorgängen", betont Baumeister. "Obwohl wir bereits seit den neunziger Jahren wissen, dass der Insulinweg eine wichtige Rolle für die Zellalterung von vielen Organismen spielt, sind die meisten Details immer noch unbekannt." Die Forscher gingen bislang stets davon aus, dass das Alterungsprogramm allein über einen einzelnen Genschalter namens FOXO vermittelt wird, den Insulin meistens im ausgeschalteten Zustand hält. FOXO ist wichtig für den Stoffwechsel bei Diabetes, für Tumorsuppression und für die Erhaltung von Stammzellen. Darüber hinaus steuert FOXO auch Gene, die an der Stressabwehr beteiligt sind. Reduziert man in C. elegans das Insulinsignal, etwa über Manipulation von SGK-1, so wird dort ebenfalls ein FOXO Protein namens DAF-16 aktiviert, das wirksam gegen Stress ist und einen Anti-Aging Effekt hervorruft.
Die Neuentdeckung ist nun, dass mit dem SKN-1 ein zweiter Schalter existiert, der, unabhängig von FOXO durch Insulin inhibiert wird. SKN-1 steuert den neuen Erkenntnissen zufolge völlig andere genetische Mechanismen, die Stress abwehren und Leben verlängern. "So ähnlich wie wir müssen sich Archäologen fühlen, die eine verborgene Schatzkammer entdeckt haben. Es genügt, SKN-1 zu aktivieren, und der Wurm lebt länger!" meint Baumeister, der als Direktor des Freiburger Zentrums für Biosystemanalyse ZBSA jetzt das komplexe Regulationsnetzwerk der beteiligten Gene untersuchen will.
Die Experimente sollen jetzt an Mäusen wiederholt werden, wo Insulin und ein dem Insulin ähnlicher Wachstumsfaktor IGF in einem komplizierten und noch nicht vollständig verstandenen Zusammenhang stehen. Immerhin, so bemerken die Autoren der Forschungsarbeit übereinstimmend, haben die C. elegans Experimente in der Vergangenheit häufig gezeigt, dass sich die gefundenen Erkenntnisse auch in Maus und Mensch bestätigen ließen.
Die Freiburger Autoren der Veröffentlichung verwenden C. elegans als Modell für eine Reihe menschlicher Erkrankungen des Alterns. Ihre Arbeiten trugen in der Vergangenheit bereits mehrfach zu einem besseren Verständnis der Vorgänge bei der Alzheimerschen und Parkinsonschen Erkrankung und bei Muskeldystrophie bei. Die Forschung an der Universität Freiburg wird durch Fördermittel des BMBF, der Landesstiftung Baden-Württemberg, des Fonds der Chemischen Industrie, DFG und der Europäischen Gemeinschaft finanziell unterstützt.
Information über das Zentrum für Biosystemanalyse ZBSA
Das ZBSA ist ein vom Land Baden-Württemberg und der Universität Freiburg finanziertes interdisziplinäres Forschungszentrum. Gestützt von allen naturwissenschaftlichen Fakultäten arbeiten hier experimentell arbeitende Grundlagenforscher aus Biologie und Medizin mit Theoretiker der Physik und Mathematik, Computerwissenschaftlern und Robotikexperten zusammen mit dem Ziel, das komplexe Zusammenspiel von Genen und Proteinen im Organismus und bei Krankheiten zu forschen. Das ZBSA ist Zentrale der im Rahmen der bundesweiten Exzellenzinitiative geförderten naturwissenschaftlichen Projekte der Universität Freiburg.
Kontakt:
ZBSA - Zentrum für Biosystemanalyse
ZBMZ (Medizinische Fakultät), Bioinformatik & Molekulargenetik (Biologische Fakultät)
Prof. Dr. Ralf Baumeister
Schänzlestr. 1
D-79104 Freiburg i.Brsg.
Tel. +49-761-203 8350
Fax. +49-761-203 8351
mobil: +49-1520-986 3097
E-Mail: baumeister@celegans.de
Zitat:
Cell, Volume 132, Issue 6 vom 21. März 2008
Jennifer M.A. Tullet,1,5 Maren Hertweck,2,5 Jae Hyung An,1,3,5 Joseph Baker,1 Ji Yun Hwang,3 Shu Liu,2 Riva P. Oliveira,1 Ralf Baumeister,2,4 and T. Keith Blackwell1
1 Section on Developmental and Stem Cell Biology, Joslin Diabetes Center; Department of Pathology, Harvard Medical School; Harvard Stem Cell Institute, 1 Joslin Place, Boston, MA, 02215, USA
2 Center of Biochemistry and Molecular Cell Research (ZBMZ, Faculty of Medicine), Bioinformatics and Molecular Genetics (Faculty of Biology), University of Freiburg, Schänzlestr. 1, D-79104 Freiburg, Germany
3 Protein Network Research Center, Yonsei University, 134 Shinchon-dong, Seodaemun-gu, Seoul, 120-749, Republic of Korea
4 Center for Systems Biology (ZBSA), University of Freiburg, D-79104 Freiburg, Germany
5 These authors contributed equally to this work.
SUMMARY
Insulin/IGF-1-like signaling (IIS) is central to growth and metabolism and has a conserved role in aging. In C. elegans, reductions in IIS increase stress resistance and longevity, effects that require the IIS inhibited FOXO protein DAF-16. The C. elegans transcription factor SKN-1 also defends against oxidative stress by mobilizing the conserved phase 2 detoxification response. Here we show that IIS not only opposes DAF-16 but also directly inhibits SKN-1 in parallel. The IIS kinases AKT-1, -2, and SGK-1 phosphorylate SKN-1, and reduced IIS leads to constitutive SKN-1 nuclear accumulation in the intestine and SKN-1 target gene activation. SKN-1 contributes to the increased stress tolerance and longevity resulting from reduced IIS and delays aging when expressed transgenically. Furthermore, SKN-1 that is constitutively active increases life span independently of DAF-16. Our findings indicate that the transcription network regulated by SKN-1 promotes longevity and is an important direct target of IIS.
