Je leest:

Gist als modelsysteem voor veroudering

Gist als modelsysteem voor veroudering

Auteur: | 30 oktober 2002

Veroudering is een zeer complex onderwerp dat niet in één enkel kort artikel volledig te bespreken is. In dit artikel wordt dan ook vooral uit te doeken gedaan dat je met behulp van een modelsysteem zoals gist, wat in eerste instantie totaal niet zoogdieren lijkt, toch aanwijzingen kunt vinden over een ingewikkeld proces zoals veroudering.

‘Iedereen wil oud worden, maar niemand wil het zijn’ Waarom niet? Omdat, als je oud bent, je over het algemeen minder valide door het leven gaat. De botten worden strammer, de spieren worden dunner, de ogen worden slechter, het geheugen wordt minder etc. Wat is de oorzaak van al deze ouderdoms-verschijnselen? En is er wat aan te doen?

Gist lijkt meer op mens dan op bacterie

Om dat te onderzoeken zijn er verschillende mogelijkheden. Een voor de hand liggende methode is om groepen mensen te volgen die in de loop der tijd verouderen. Een nadeel van deze methode is dat het erg lang duurt, de omstandigheden niet goed te controleren zijn en ook op het moleculaire vlak veel beperkingen zijn.

In de moleculaire celbiologie zijn er verschillende technieken ontwikkeld waarmee DNA, eiwitten en hele cellen te controleren en manipuleren zijn. Ook bijvoorbeeld het maken van knock-out mutanten, dit zijn mutanten waarin één of meerdere genen verwijderd zijn, is relatief eenvoudig. Dit zijn zeer waardevolle methoden maar lang niet altijd toepasbaar in mensen vanwege ethische bezwaren. Het is natuurlijk niet verantwoord om met behulp van moleculaire technieken humane mutanten te maken om uit te zoeken waar een bepaald gen voor dient.

Organismen verschillen in heel wat zaken van elkaar. Zo lijkt de salmonella bacterie absoluut niet op een hond. Tegelijkertijd zijn er ook veel overeenkomsten tussen die verschillende levensvormen. Deze liggen echter wat minder voor de hand omdat ze zich voornamelijk op moleculair niveau afspelen. Met andere woorden, veel processen die zich in cellen afspelen zijn hetzelfde gebleven gedurende de miljoenen jaren van evolutie. Het is natuurlijk wel zo dat sommige processen meer ‘geconserveerd’ zijn dan andere. Vooral belangrijke processen zoals energievoorziening en DNA replicatie lijken in veel verschillende organismen op elkaar. Daarover later meer.

Als je het evolutionaire filmpje over het ontstaan der soorten terugdraait kom je op een gegeven moment, nadat je de zoogdieren al een tijdje achter je gelaten hebt, maar nog voordat je bij de bacteriën bent, de gisten tegen. Gist ligt moleculair gezien dichter bij een zoogdier dan een bacterie. Dit komt onder andere tot uiting in het feit dat gisten net als zoogdiercellen een celkern hebben waar het DNA in ligt opgeslagen. Vanwege die celkern horen ze evenals de mens bij de ‘eukaryoten’ (eu is Grieks voor echt en karyos betekent kern).

Gisten lijken genetisch dus ook meer op mensen dan bacteriën op mensen lijken, hun DNA heeft veel overeenkomsten. Zo zijn bijvoorbeeld bepaalde enzymen die betrokken zijn bij reparatie van DNA tussen mens en gist uitwisselbaar. Met andere woorden, als je een knockout mutant maakt van dat ‘reparatie-gen’ dan is die mutant niet levensvatbaar. Als je echter het humane ‘reparatie-gen’ daarvoor in de plaats zet, doet hij het weer prima.

Deze overeenkomsten maken ze dus geschikt als modelsysteem. Dit heeft zich in het verleden reeds bewezen. Zo is afgelopen jaar de Nobelprijs voor geneeskunde gegaan naar drie wetenschappers die zich hebben bezig gehouden met onderzoek naar de celcyclus, het proces dat leidt tot celdeling. Dit proces moet zeer nauwkeurig gereguleerd worden want als het uit de rails loopt krijg je ongecontroleerde celgroei: kanker. Kanker is zoals bekend een probleem waarbij cellen niet meer weten wanneer ze moeten stoppen met delen. Dit kan bij multicellulaire systemen zoals de mens grote gevolgen hebben.

Bij gist, als ééncellige valt dat natuurlijk wel mee. Normaal gesproken zijn er maar weinig momenten in het leven van een gistcel dat hij moet stoppen met delen, behalve als het voedsel op is. Er kunnen echter wel degelijk problemen ontstaan als de celdeling niet goed geregeld wordt. Sommige mutanten delen bijvoorbeeld te snel en zijn daardoor niet volledig functioneel. Deze mutanten gaan dan gewoonlijk ook eerder dood. Omdat de regulatie van de celcyclus, waar DNA replicatie deel van uitmaakt, grote overeenkomsten heeft in zowel gisten als humane cellen, heeft het werk van die drie Nobel-laureaten er mede toe bijgedragen dat kanker beter begrepen wordt.

Gist is niet onsterfelijk

Gist wordt natuurlijk al honderden jaren gebruikt om bier te brouwen en brood te bakken dus men had al snel door dat het micro-organismen waren. Het duurde echter tot halverwege de twintigste eeuw tot men besefte dat gist sterfelijk was. Tot die tijd dacht men, zolang er maar voldoende voedingstoffen aanwezig zijn, dat gisten oneindig zouden doorgroeien.

Vanaf de maan gezien lijkt het net of de mensheid ook een eeuwig levende krioelende massa is. Als je echter per individu gaat kijken dan zie dat er wel degelijk een levenspanne met een definitief einde bestaat, zowel voor gist als voor mensen. In 1959 ontdekten Mortimer en Johnston dat een gistcel maar een beperkt aantal keer kan delen en daarna doodgaat. Een eindige levenspanne dus. Op celniveau bekeken heb je dus een ‘moeder-gistcel’ die een ‘dochter-gistcel’ produceert. Doordat er op de moeder een soort litteken achterblijft kan je ze relatief makkelijk van elkaar onderscheiden (zie afbeelding 1). Het produceren van een dochter kan maar een x-aantal keer voordat de moeder dood gaat.

Afb. 1: Boven, oude moedercellen met meerdere littekens op het oppervlak van hun celwand. Onder, jonge gistcellen nog zonder littekens.

Veroudering wordt in de literatuur meestal gedefinieerd als tijdsafhankelijke afname van het functioneren van een organisme met de dood tot gevolg. In mensen is dit duidelijk te zien maar ook in gist zijn er specifieke veranderingen zichtbaar. Zo gaat de celcyclus langer duren, krijgt de celwand meer oneffenheden en uiteindelijk gaat ook de gistcel dood.

Wetenschappers zijn het fenomeen veroudering al jaren aan het onderzoeken. Denk ook maar aan het zoeken naar de steen der wijzen door alchemisten in de middeleeuwen die het eeuwig leven zou geven. Tegenwoordig wordt het onderzoek naar veroudering echter wel op een serieuzere manier aangepakt. In de loop van de tijd zijn er verschillende theorieën ontwikkeld. Het gaat wat te ver om ze hier nu allemaal te behandelen maar een paar wil ik wel even aanstippen.

Zo is een tijd lang gedacht dat DNA-schade de grote boosdoener was. Door schade aan je DNA, bijvoorbeeld veroorzaakt door zuurstof radicalen, gaat genetische kennis verloren en kan een cel niet meer goed functioneren. Als die schade zich ophoopt in de loop der tijd kan dat allerlei ziekten en uiteindelijk de dood tot gevolg hebben. In gist lijkt dit echter niet of in ieder geval niet het enige te zijn wat meespeelt. De dochtercellen van een oude moeder hebben namelijk de gewone normale levensduur, terwijl eventuele DNA-schade wel van moeder op dochter zou moeten worden doorgegeven.

Andere wetenschappers dichten de oorzaak van veroudering toe aan de zogenaamde ERC’s ( Extrachromosomal Ribosomal Circular DNA). Deze cirkelvormige stukjes DNA zouden ontstaan doordat bepaalde delen van het DNA die normaal gesproken afgeschermd zijn, op een gegeven moment bloot komen te liggen. We hebben het hier over het stuk DNA dat ook wel het ‘ribosomale genen domein’ genoemd wordt.

Op dit stuk liggen rond de tweehonderd kopieën van hetzelfde gen. Omdat dit stuk nu onbeschermd is kan er door een proces dat recombinatie heet, een stuk DNA uitgesplitst worden. Dit cirkelvormige stuk DNA heeft de eigenschap bij de celdeling in de moedercel te blijven hangen. Doordat de ERC’s gerepliceerd en gerecombineerd worden neemt het aantal cirkels exponentieel toe. Uiteindelijk kost het de moedercel zoveel extra werk bij het verdubbelen van haar DNA, dat de celdeling een onmogelijke taak wordt.

Afb. 2: Door recombinatie splitsen cirkels DNA zich af uit het chromosomale DNA. Bij de celdeling blijven ze achter in de moedercel en hopen zich daar op. Voor de duidelijkheid zijn niet de +/- tweehonderd kopieën getekend maar slechts vijf.

Dit is allemaal redelijk uitgebreid bestudeerd in gistcellen en het is inderdaad zo dat cellen korter leven als je dit soort cirkels in hun kern stopt, althans in sommige gevallen. Echter, in de spaarzame gevallen dat deze ERC’s in andere organismen aangetroffen zijn lijkt het er op dat ze daar niets met veroudering te maken hebben. Dus ook de ERC’s zijn niet de steen der wijzen.

Als we even teruggaan naar de oorzaak van het ontstaan van deze cirkels dan komt daar een thema bovendrijven dat misschien wel breder gedragen wordt. Normaal gesproken zijn er grote delen van het DNA niet actief omdat ze dicht ingepakt zitten om grote eiwitcomplexen, de histonen. Echter speciale enzymen, de histon acetylases, zorgen ervoor dat de structuur minder compact wordt. Dit maakt het DNA beter toegankelijk om afgelezen te worden. Natuurlijk bestaan er ook histon _de_acetylases die het omgekeerde bewerkstelligen.

Nu lijkt het er op dat die histon _de_acetylases betrokken zijn bij verouderings-verschijnselen. In zowel het modelwormpje C. elegans als in S. cerevisiae (het gist-model) leven mutanten die een actievere _de_acetylase (SIR2) gen hebben langer dan normale cellen. Een actievere _de_acetylase betekent dat er minder acetyl groepen op de histonen zitten. De structuur is dus compacter en minder goed afleesbaar. Daarmee zijn we toch weer terug bij de ERC’s omdat die nu minder makkelijk gevormd kunnen worden.

Als je van een andere histon _de_acetylase, RPD3, een knock-out maakt dan heb je echter óók een verlenging van de levensduur. Het gaat blijkbaar om een ingewikkeld systeem van acetylatie en _de_acetylatie van de histonen die er op hun beurt voor zorgen dat bepaalde gedeeltes van het genoom wel of niet toegankelijk zijn voor transcriptie.

Op dit moment is de enige methode in zoogdieren waarvan bekend is dat die leidt tot een langere levensduur, calorie restrictie. Dit wil zoveel zeggen als het beperken van het aantal calorieën dat ingenomen wordt. Dit is ook met gistonderzoek bevestigd maar de precieze moleculaire achtergrond is nog steeds niet duidelijk. Ondertussen probeert ieder kamp het zo in te passen dat zijn/haar theorie ermee bevestigd wordt. Minder calorieën, minder verbranding, minder zuurstofradicalen als bijproduct, minder schade aan het DNA. Maar net zo makkelijk, minder calorieën, een shift van fermentatie naar respiratie, meer NAD+, actiever SIR2, minder ERC’s. Het zou mij persoonlijk niets verbazen als de waarheid ergens in het midden ligt en er van al de verschillende theorieën een stukje in te ontdekken valt.

Conclusie

Hoewel sommige wetenschappers beweren dat gist geen goed modelsysteem kan zijn voor verouderingsprocessen, lijkt het er toch op de studies met bepaalde mutanten toch wel degelijk hun nut hebben bewezen en gaan bewijzen. Verschillende theorieën en ideeën doen de ronde, sommige zijn niet eens aan de orde gekomen in dit stuk zoals de telomerase-theorie. Eén ding is wel duidelijk en dat is dat er nog een heleboel onderzoek gedaan moet worden om precies uit vogelen wat de onderliggende moleculaire reden van het verouderingsproces is. Vast staat dat gist hierbij een belangrijke rol kan spelen.

Bronnen

Chang KT, Ageing Research Reviews, 1 (2002) 313-326

Gershon H, Gershon D, Mech Ageing Dev, 120 (2000) 1-22

Molecular Biology of the Cell, 4th Ed.

Voor vragen of opmerkingen n.a.v. dit artikel kunt u mailen met:

Dit artikel is een publicatie van Nederlands Instituut voor Biologie (NIBI).
© Nederlands Instituut voor Biologie (NIBI), sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 30 oktober 2002

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.