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Seneszenz im Weltraum

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Wie wird die Seneszenz einzelner eukaryontischer Zellen und Gewebe durch Schwerkraft und Schwerelosigkeit beeinflusst? Mit anderen Worten, können eukaryotische Zellen (mit den entsprechenden Nährstoffen) ewig im Weltraum leben?


Das Tempo und die Form der Seneszenz bei Angiospermen

Die demografische Seneszenz, der Rückgang der Fertilitätsrate und/oder der Anstieg des Sterblichkeitsrisikos mit zunehmendem Alter, bleibt eines der auffälligsten Phänomene in Ökologie und Evolution, aber Studien zur Seneszenz bei Pflanzen sind selten. Evolutionsbiologen und Ökologen, die daran interessiert sind, zu verstehen, wie Pflanzen altern, haben die Notwendigkeit hervorgehoben, den Einfluss der Physiologie und der Umweltbedingungen auf die Sterblichkeitsmuster zu untersuchen (z. B. Watkinson 1992 Roach 1993, 2003 Silvertown et al. 1993 Franco & Silvertown 1996, 2004 Thomas 2003). In dieser Studie untersuchen wir diese Beziehungen bei Angiospermenarten unter Verwendung kürzlich entwickelter Mortalitätsmaße: „Tempo' und 'Form“ (Baudisch 2011). Die Sterblichkeitsrate erfasst die Geschwindigkeit, mit der das Leben fortschreitet und kann an der Lebenserwartung gemessen werden, während die Sterblichkeitsform erfasst, ob und um wie viel die Sterblichkeit zunimmt („Seneszenz“), abnimmt („negative Seneszenz“) oder konstant bleibt Überalterung („vernachlässigbare Seneszenz“). Diese Metriken erfassen das gesamte Spektrum potenzieller Altersmuster der Seneszenz: positiv, vernachlässigbar und negativ (Vaupel et al. 2004 Baudisch 2008).

Auf den ersten Blick sollte ein schädliches Phänomen wie die Seneszenz gegen den Selektionsdruck für den fittesten Genotyp keine Chance haben. Dennoch wird es häufig bei Tieren beobachtet (z. B. Finch 1990 Promislow 1991 Gaillard et al. 1994 Nussey et al. 2006 Jones et al. 2008). Evolutionstheorien der Seneszenz sagen voraus, dass das Sterblichkeitsrisiko bei mehrzelligen, iteroparischen Arten im Erwachsenenalter zunehmen und die Fruchtbarkeit sinken sollte, da die Selektionsstärke mit dem Alter abnimmt (Medawar 1952 Williams 1957 Hamilton 1966 Kirkwood 1977). Diese Theorien schlagen vor, dass Seneszenz selbst „in den entlegensten Bereichen fast jedes bizarren Universums“ universell sein sollte (Hamilton 1996). Obwohl Kirkwood und Williams eine klare Trennung der Soma-Keimlinie, die bei Pflanzen häufig fehlt, als notwendige Bedingung für die Seneszenz vorschlagen, bleiben die Theorien darüber unklar, ob dies auch eine ausreichende Bedingung für die Entwicklung der Seneszenz ist.

Aufgrund der komplexen Lebenszyklen von Pflanzen haben evolutionäre Theorien der Seneszenz das Pflanzenreich etwas vernachlässigt (Roach 2003). Unter den wenigen Studien, die sich auf einzelne Pflanzenarten konzentrieren, haben einige die Existenz von Seneszenz nachgewiesen (Barot, Gignoux & Menaut 1999 Van Dijk 2009 ), während andere entweder keinen Hinweis auf Seneszenz gefunden haben (Rose, Clarke & Chapman 1998 Willems & Dorland 2000 Lanner & Connor 2001) oder negative Seneszenz (Roach 2001 García, Dahlgren & Ehrlén 2011). In einer Studie zur Mortalität in verschiedenen Kohorten der mehrjährigen Pflanze Plantago lanceolata, Rotauge et al. ( 2009 ) zeigten, dass die Sterblichkeit eher größen- und wetterabhängig als altersabhängig war, außer unter Bedingungen starker Konkurrenz mit anderen Pflanzenarten. Angesichts dieser zweideutigen Beweise erfordert ein besseres Verständnis der Bedingungen, unter denen Pflanzen Seneszenz entwickeln oder nicht, einen vergleichenden Ansatz.

Unseres Wissens haben Silvertown, Franco & Perez-Ishiwara (2001) die bisher einzige vergleichende Studie zur Alterung von Pflanzen vorgelegt. Ihre Analysen verwendeten einen Matrix-Algebra-Ansatz, um Altersverläufe der Sterblichkeit zu erhalten und pro Kopf Rekrutierung aus Populationsprojektionsmatrizen (Cochran & Ellner 1992 Caswell 2001) für 65 mehrjährige Pflanzenarten. Die Autoren fanden große Unterschiede in den Altersverläufen der Sterblichkeit und teilten sie in drei Typen ein: (i) steigend, (ii) buckelförmig mit langer Abnahmephase und (iii) U-förmig. Obwohl diese Studie in unserem Verständnis der Seneszenz bei Pflanzen einen Sprung nach vorn darstellte, begrenzten die relativ geringe Anzahl der berücksichtigten Arten, die diskrete Klassifizierung der Sterblichkeitsverläufe und die Verwendung eines Seneszenzmaßes auf der Grundlage eines einzigen parametrischen Mortalitätsmodells eine In - Tiefenerforschung der Seneszenz. Seitdem wurden Populationsprojektionsmatrizen für Hunderte von Pflanzenarten aus einem größeren Spektrum taxonomischer Gruppen, Wuchsformen und Ökoregionen veröffentlicht (Salguero-Gómez & de Kroon 2010). Darüber hinaus liefert die Entwicklung der Tempo- und Formmetriken des Alterns (Baudisch 2011 ) nun nützliche Messgrößen, die eine objektivere Klassifizierung von Sterblichkeitsverläufen ermöglichen, da diese Metriken an kein parametrisches Mortalitätsmodell gebunden sind.

Baudisch ( 2011 ) argumentierte, dass Tempo- und Formmetriken zwei unabhängige Aspekte des Wandels über das Alter erfassen Tempo erfasst die Geschwindigkeit des Lebens, während Form erfasst, ob und wie stark die Spezies altert (siehe 2). Mathematisch ist für einen gegebenen Formwert jeder Tempowert möglich und umgekehrt. Allerdings werden nicht alle theoretisch denkbaren Sterblichkeitsmuster in der Natur beobachtet, da die Natur Zwänge auferlegt. Es wird angenommen, dass solche Beschränkungen durch Entscheidungen über die Verteilung von Ressourcen zwischen Wachstum, Erhaltung und Reproduktion bestimmt werden, die wiederum das Tempo und die Form der Sterblichkeit einer Bevölkerung beeinflussen. Diese Prozesse unterscheiden sich bekanntlich zwischen Wachstumsformen (Silvertown, Franco & McConway 1992 Silvertown, Franco & Menges 1996 Boggs 2009) und werden von ökologischen Bedingungen beeinflusst (Franco & Silvertown 2004). Hier untersuchen wir den Einfluss der Wachstumsform (Raunkiær 1934) und der Ökoregion (Olson et al. 2001 ) über das Tempo und die Form der Sterblichkeit unter Berücksichtigung der Phylogenie und potenzieller Störfaktoren. Wir verwenden Bayes'sche log-lineare Regressionen und testen eine Reihe von Modellen, die entweder alle, einige oder keine der oben genannten Variablen enthalten. Dieses Papier bietet daher einen zeitgenössischen Überblick über die Seneszenz, wie sie durch Tempo- und Formwerte bei Angiospermen charakterisiert wird.


Einführung

Die extrazelluläre Matrix (ECM) ist ein komplexes Netzwerk von Makromolekülen, die Zellen umgeben und traditionell dafür bekannt sind, strukturelle Unterstützung und Gewebestabilität zu bieten [1]. Unser Verständnis der vielfältigen Rollen der ECM hat sich in den letzten drei Jahrzehnten stark weiterentwickelt, insbesondere bei der Bereitstellung wesentlicher biochemischer und biomechanischer Hinweise, die erforderlich sind, um die Gewebemorphogenese während der Entwicklung, Homöostase und Verletzung zu steuern. Mesenchymale Zelltypen, insbesondere die residenten Fibroblasten, haben die Aufgabe, die ECM im Gewebe während der gesamten Lebensdauer eines Organismus aufrechtzuerhalten. Daher müssen mesenchymale Zellen auf lokalisierte Hinweise reagieren, um die geeignete ECM abzulagern, aufrechtzuerhalten und umzugestalten, um die funktionellen Bedürfnisse des Gewebes zu erfüllen. Um die ECM in ihrer Rolle als biologisch aktive Struktur zu unterstützen, interagieren Zellen mit einzelnen Matrixproteinen über Oberflächenrezeptoren wie Zelloberflächen-Proteoglykane (PGs), Diskoidindomänenrezeptoren und spezifische Integrine, was zu einer Signalübertragung von außen nach innen führt, die die Zellfunktion, das Schicksal und Phänotyp [2,3]. Zellen können durch die ECM kommunizieren, indem sie mechanische Kräfte erzeugen oder mechanische Eigenschaften der ECM wie die Steifigkeit verändern [4].

Die ECM ist entscheidend für die Aufrechterhaltung der normalen Gewebehomöostase, und viele pathologische Zustände entstehen durch fehlregulierte ECM-Remodellierung infolge des Alterns oder als Versuch, die Organfunktion zu erhalten oder wiederherzustellen. Ein Umbau der ECM während einer fibrotischen Erkrankung, der den physikalischen Zustand des Gewebes verändert, kann zu veränderten zellulären Reaktionen auf mechanische Kräfte wie Druck, Dehnung und Scherkraft beitragen [5,6]. Das Altern ist durch einen funktionellen Abbau des Gewebes im Laufe der Zeit gekennzeichnet, der zu einer fortschreitenden Verschlechterung führt, die schließlich zu einer Gewebedysfunktion führt. Viele Krankheiten haben Alter als Risikofaktor wie Herz-Kreislauf-Erkrankungen, Diabetes, Krebs, Demenz, Glaukom, chronisch obstruktive Lungenerkrankung (COPD) und idiopathische Lungenfibrose (IPF) [7�]. Die Veränderungen, die während des Alterns und/oder der Krankheit auftreten, beeinflussen die Zusammensetzung, Topographie und Biomechanik der ECM und tragen so zu einer abnormalen Zellaktivierung und einem fehlregulierten Verhalten bei. Beispielsweise werden bei fibrotischen Erkrankungen und Krebs eine abweichende ECM-Ablagerung und erhöhte Steifigkeit beobachtet, während ein übermäßiger ECM-Abbau mit Osteoarthritis (OA) und COPD in Verbindung gebracht wird [15�]. Die ECM-Veränderungen bei fibrotischer Lungenerkrankung werden als Hauptursache für abweichende Zellreaktionen erkannt [18]. Darüber hinaus zeigt eine Population von residenten Fibroblasten in gealtertem Gewebe einen Wachstumsstillstand und eine Resistenz gegen apoptotische Signale, die auf eine zelluläre Seneszenz hinweisen, ein Kennzeichen des Alterns [19,20]. Zelluläre Seneszenz ist als irreversibler Zellzyklusarrest als Reaktion auf verschiedene Stressquellen wie DNA-Schäden oder reaktive Sauerstoffspezies (ROS) gekennzeichnet. Während der physiologischen Homöostase fördert die zelluläre Seneszenz die Embryogenese, die Gewebereparatur und die Abwehr von Tumorgenese. Im Gegensatz dazu wurde kürzlich postuliert, dass die Seneszenz zur Pathogenese chronischer fibrotischer Erkrankungen in Herz, Niere, Leber und Lunge beiträgt [21�]. Hier wirken sich seneszente Zellen negativ auf die Geweberegeneration aus und schaffen gleichzeitig eine entzündungsfördernde Umgebung als Teil eines seneszenzassoziierten sekretorischen Phänotyps (SASP), der das Fortschreiten der Krankheit begünstigt. Ob die ECM-Änderungen im Alter und fibrotische Erkrankungen auch Treiber des mit diesen Erkrankungen verbundenen seneszenten Phänotyps sind, ist noch nicht erforscht.

Während des Umbaus und der Verletzung werden Abbauprodukte der ECM freigesetzt, die oft als schadensassoziierte molekulare Muster (DAMPs) wirken, die Mustererkennungsrezeptoren (PRRs) auf Zellen des angeborenen Immunsystems aktivieren. Interessanterweise wurde festgestellt, dass mehrere dieser ECM-DAMPs bei mehreren chronischen fibrotischen Erkrankungen signifikant erhöht sind [26�]. Die Aktivierung von PRRs durch DAMPs induziert eine durch den Kernfaktor 㮫 (NF-㮫) vermittelte proinflammatorische Zytokinfreisetzung mit einem ähnlichen Zytokinfreisetzungsprofil wie das mit SASP assoziierte. Darüber hinaus ist NF-㮫 als Hauptregulator des SASP in Fibroblasten bekannt, was auf eine Rolle von DAMPs bei der Regulierung der zellulären Seneszenz schließen lässt.

In diesem Review untersuchen und fassen wir das aktuelle Wissen darüber zusammen, wie aberrante ECM möglicherweise zum seneszenten Phänotyp bei chronischen fibrotischen Erkrankungen beiträgt. Es wird ein breiter Überblick über die Rolle von ECM und Seneszenz bei der physiologischen Homöostase und bei chronischen fibrotischen Erkrankungen gegeben. Ein Überblick über die Veränderungen der ECM in der Seneszenz während des Alterns wurde zuvor an anderer Stelle ausführlich beschrieben [29] und wird daher hier nicht ausführlich behandelt. In diesem Aufsatz werden die möglichen Mechanismen skizziert, durch die die ECM die pathologische Seneszenz antreibt, einschließlich Interaktionen zwischen Zellen und der ECM, Unterbrechung der Mechanotransduktion beim ECM-Remodelling, Veränderungen der Integrin-Adhäsionskomplexe und der Freisetzung von ECM-DAMPs. Schließlich werden wir die Möglichkeit von Interventionen in den ECM-Seneszenz-Regulationswegen für das therapeutische Potenzial bei chronischen fibrotischen Erkrankungen untersuchen. Während in dieser Übersicht mehrere Krankheiten dargestellt werden, wird IPF als Beispiel für chronische fibrotische Erkrankungen betrachtet.


Seneszenz-assoziierter sekretorischer Phänotyp und seine mögliche Rolle bei chronisch obstruktiver Lungenerkrankung

Die chronisch obstruktive Lungenerkrankung (COPD) ist eine der Haupterkrankungen der Lunge. Sie tritt vor allem nach längerem Zigarettenrauchen auf. Chronische Entzündungen der Atemwege und des Alveolarraums sowie die Zerstörung von Lungengewebe sind die Kennzeichen der COPD. Kürzlich wurde gezeigt, dass zelluläre Seneszenz eine Rolle bei der Pathogenese der COPD spielen könnte. Die zelluläre Seneszenz umfasst ein Signaltransduktionsprogramm, das zu einem irreversiblen Zellzyklusarrest führt. Der Wachstumsstopp in der Seneszenz kann durch viele verschiedene Mechanismen ausgelöst werden, einschließlich DNA-Schäden und deren Erkennung durch zelluläre Sensoren, was zur Aktivierung von Checkpoint-Reaktionen des Zellzyklus und zur Aktivierung der DNA-Reparaturmaschinerie führt. Seneszenz kann neben dem Telomerabrieb durch mehrere genotoxische Faktoren induziert werden. Wenn die Seneszenzinduktion auf DNA-Schäden beruht, weisen seneszente Zellen einen einzigartigen Phänotyp auf, der als „seneszenz-assoziierter sekretorischer Phänotyp“ (SASP) bezeichnet wird. SASP kann ein wichtiger Treiber chronischer Entzündungen sein und kann daher Teil eines Teufelskreises aus Entzündungen, DNA-Schäden und Alterung sein. Diese Forschungsperspektive zielt darauf ab, die zelluläre Seneszenz mit Relevanz für COPD und die auffallenden Ähnlichkeiten zwischen den Mediatoren und dem sekretorischen Phänotyp bei COPD und SASP aufzuzeigen.

Chronisch obstruktive Lungenerkrankung (COPD) ist ein großes globales Gesundheitsproblem. Sie war 2002 die fünfthäufigste Todesursache (1). Laut Weltgesundheitsorganisation wird COPD in den nächsten 10 Jahren voraussichtlich um mehr als 30 % zunehmen, und bis 2020 wird COPD voraussichtlich die dritthäufigste Todesursache weltweit werden (2). Unter allen großen chronischen Erkrankungen ist COPD die einzige Krankheit, die eine steigende Sterblichkeitsrate aufweist. Aufgrund der eskalierenden Risikofaktoren für COPD und der zunehmend alternden Bevölkerung in vielen Teilen der Welt wird dieser Trend in Zukunft voraussichtlich weiter ansteigen. Noch dramatischer ist die Situation in den asiatischen Entwicklungsländern, wo es eine Epidemie der Tabakexposition und eine schnelle Industrialisierung gibt, die zu einer Belastung durch Biomasse-Schadstoffe führt und ein beispielloses Wachstum der COPD verursacht. Die enorme Belastung und die steigenden Gesundheitskosten übertreffen jede andere Krankheit und haben das Interesse geweckt, die zugrunde liegenden molekularen Mechanismen zu verstehen, um neuartige Therapien für COPD zu entwickeln (3).

Es gibt verschiedene Hypothesen zur Pathogenese der Krankheit (4), die sich teilweise überschneiden können, wie die Beteiligung von Entzündungen, Fehlregulation des Proteinabbaus und Produktion von reaktiven Sauerstoffspezies (ROS). Zuletzt wurde die Hypothese einer beschleunigten Seneszenz oder Zellalterung bei COPD aufgestellt und wird derzeit umfassend untersucht (5). Seneszenz wird als dauerhafter Stillstand des Zellzyklus definiert. Sie kann durch zellulären Stress (vorzeitige Seneszenz) oder durch eine eingeschränkte Replikationskapazität, auch bekannt als Hayflick-Limit (6), induziert werden. Es wurde gezeigt, dass seneszente Zellen einen sekretorischen Phänotyp besitzen, der signifikante Faktoren hervorruft, die Seneszenz, Entzündung und maligne Transformation verstärken. Einige Studien unterstützen nicht nur die Seneszenz-Hypothese für COPD, sondern zeigen auch das Vorhandensein molekularer Marker der Seneszenz oder des Alterns in der emphysematösen Lunge der Patienten mit COPD (7, 8). Obwohl die Studien darauf ausgerichtet waren, Marker für COPD und Seneszenz zu finden, müssen die molekulare Verbindung und die Mechanismen, die bei der Induktion des sekretorischen Phänotyps bei Seneszenz und COPD üblich sein könnten, noch untersucht werden. Die Schlüsselmediatoren der Seneszenz, die bei COPD von entscheidender Bedeutung sein könnten, müssen noch identifiziert werden. Die Definition und das Verständnis der Seneszenz-Induktoren und -Mediatoren könnten der Schlüssel zum Verständnis von COPD sein. Angesichts des chronischen und entzündlichen Charakters der COPD ist es interessant, die Ähnlichkeiten zwischen den bisher mit COPD assoziierten sezernierten Faktoren (9) und dem seneszenz-assoziierten sekretorischen Phänotyp (SASP) aus dem wissenschaftlichen Bereich mit Fokus auf DNA-Schäden und Seneszenz ( 10).

Leonard Hayflick bemerkte 1961 zum ersten Mal, dass aus menschlichem Gewebe gewonnene primäre Fibroblasten, die für mehrere Passagen in einer Kultur gehalten wurden, die beschlagnahmt wurde, um sich auf unbestimmte Zeit zu teilen. Er entdeckte, dass die Zellproliferation nach einer begrenzten Anzahl von Teilungen allmählich bis zum vollständigen Stillstand abnimmt (11). Die Proliferation der Fibroblasten in Kultur zeigte drei unterschiedliche Phasen: Phase 1, eine Lag-Phase der langsamen Proliferation während der Etablierung der Kultur, Phase 2, eine logarithmische Phase, in der die Zellen eine schnelle Proliferation zeigen und Phase 3, eine stationäre Phase, in der die Zellen allmählich dauerhafte Festnahme (11). Die mögliche Ursache für den Übergang in Phase 3 wurde von Hayflick (6) als „Die endliche Lebensdauer diploider Zellstämme“ beschrieben in vitro kann ein Ausdruck von Alterung oder Seneszenz auf zellulärer Ebene sein.“ Der Begriff „zelluläre Seneszenz“ steht somit für einen irreversiblen, stabilen und langfristigen Verlust der proliferativen Kapazität trotz anhaltender Lebensfähigkeit und Stoffwechselaktivität. Die in Kultur gehaltenen Primärzellen können sich nach einer replikativen Seneszenz weiter teilen. Die replikative Seneszenz oder Hayflick-Grenze tritt auf, weil bei jeder Zellteilung die Telomere an den Chromosomenenden kürzer werden. Telomere unterliegen einem Abrieb aufgrund der Unfähigkeit der DNA-Polymerase, die nacheilenden Stränge vollständig zu replizieren. In den frühen 1970er Jahren beschrieben Olovnikov (12) und Watson (13) dieses Phänomen unabhängig voneinander als „Endreplikationsproblem“, das zur Verkürzung der Telomere beiträgt. Somit spiegeln Telomere die Replikationsgeschichte einer Primärzelle als molekulare Uhr wider (14).

Telomer-Capping bietet eine schützende und strukturelle Integrität am Ende der Chromosomen. Erreicht die Telomerverkürzung nach ausgedehnten Replikationszyklen eine entscheidende Mindestlänge, ist ihre Schutzstruktur beeinträchtigt. Die Zelle erkennt diesen entscheidenden Chromosomenverlust als DNA-Schaden und löst so eine DNA-Schadensantwort (DDR) aus. DDR wird mit dem Auftreten von DNA-Schadensherden in Verbindung gebracht, die wichtige Proteine ​​der DNA-Reparaturmaschinerie rekrutieren, wie -H2AX (eine phosphorylierte Form der Histonvariante H2AX) und die DDR-Proteine ​​53BP1 (p53-bindendes Protein), NBS1 (das für das Nijmegen-Bruchsyndrom verantwortliche Protein) und MDC1 (Mediator des DNA-Schadens-Checkpoint-Proteins 1). Es wurde auch berichtet, dass die DNA-Schadenskinasen ATM und ATR in seneszenten Zellen aktiviert werden (15). Die Amplifikation des DDR-Signals aktiviert die Zellzyklus-Checkpoint-Kinase (CHK)1 und CHK2. DDR-assoziierte Faktoren kommunizieren mit der Zellzyklusmaschinerie über Phosphorylierung und Aktivierung mehrerer Zellzyklusproteine, darunter CDC25 (eine Familie von Phosphatasen) und der Schlüsselregulator des Zellzyklusarrests, p53. Darüber hinaus wurde die unterschiedliche Expression von p53-Isoformen mit der replikativen Seneszenz in Verbindung gebracht (16). Zusammen können diese Faktoren einen vorübergehenden Proliferationsstopp induzieren, der es den Zellen ermöglicht, ihren Schaden zu reparieren, oder, falls der DNA-Schaden irreparabel zu sein scheint, Zellen dazu bestimmt sind, entweder Seneszenz oder Apoptose zu durchlaufen. Die molekulare Entscheidungsfindung, die das Schicksal dieser Zellen mit irreparablen DNA-Schäden bis hin zur Seneszenz oder Apoptose bestimmt, bleibt unklar. Der Zelltyp, die Intensität und Dauer des Stresssignals sowie die Art der Schädigung dürften wichtige Determinanten sein (17).

Seneszenz kann auch in Abwesenheit von nachweisbarem Telomerabrieb oder -dysfunktion durch eine Vielzahl von Bedingungen induziert werden, die im folgenden Abschnitt diskutiert werden.Der Begriff „vorzeitig“ erklärt, dass die in diesen Zellen erreichte Seneszenz nicht durch die Replikationsgrenze verursacht wird. Hinweise auf das Vorliegen einer vorzeitigen Seneszenz in vivo hat sich rasch angesammelt und weist darauf hin, dass die Seneszenz eine wichtige und entscheidende Rolle bei der Tumorsuppression spielt. Die Ursachen der vorzeitigen Seneszenzinduktion werden im Folgenden kurz beschrieben und sind in Abbildung 1 schematisch dargestellt.

Abbildung 1. Viele Wege führen zur Seneszenz, aber nicht alle verursachen die Seneszenz-assoziierte sekretorische Phänotyp (SASP)-Antwort. HRAS, Transfektion von GTPase HRas OIPS, Onkogen-induzierte vorzeitige Seneszenz PTEN, Phosphatase- und Tensinhomologe SIPS, stressinduzierte vorzeitige Seneszenz.

Stress-induzierte vorzeitige Seneszenz (SIPS) ist hauptsächlich auf das Zellkulturmedium zurückzuführen, das zellulären Stress ausübt. Verschiedene Faktoren, wie Nährstoffe, Wachstumsfaktoren, Sauerstoffgehalt, das Fehlen anderer Zelltypen und extrazelluläre Matrixkomponenten, die zur ursprünglichen Umgebung der Zellen gehören, können die Akklimatisierung der explantierten Kultur in der neuen künstlichen Umgebung beeinträchtigen. Veränderungen eines oder mehrerer dieser Faktoren können einen Kulturschock auslösen, der zu einer stressinduzierten Seneszenz führt (18). Diese Art von Zellzyklusarrest ist unabhängig von der Telomerlänge. Embryonale Fibroblasten (MEFs) der Maus unterliegen nach einer begrenzten Anzahl von Passagen in Kultur der Seneszenz, obwohl sie lange Telomere behalten. Murine Zellen exprimieren im Gegensatz zu den meisten menschlichen Zellen Telomerase (19) und haben lange Telomere (20). Oxidativer Stress führt in kultivierten humanen Zellen zum Stillstand der Replikation (21–23), während das Replikationspotential humaner Melanozyten und Epithelzellen stark von der Zusammensetzung des verwendeten Kulturmediums und der Verwendung von Feederlayern abhängt (24–26). Die Seneszenz von MEFs kann auch durch Inaktivierung von p53 oder gleichzeitige Ablation von Genen der RB-Familie umgangen werden (27–29). Somit erfordert die Langzeitkultur von Säugerzellen nicht nur die Erhaltung der Telomere, sondern auch optimale Kulturbedingungen (30).

Die Transfektion von GTPase HRas, auch bekannt als transformierendes Protein p21 oder HRAS, kann in Primärzellen einen Zellzyklusarrest induzieren (31). Über HRas angehaltene Zellen zeigten eine auffallende phänotypische Ähnlichkeit mit Zellen, die eine replikative Seneszenz durchliefen. Dieses Phänomen der onkogenvermittelten Seneszenz ist als „onkogeninduzierte vorzeitige Seneszenz“ (OIPS) bekannt (32). Die hTERT-Expression kann die replikative Seneszenz retten, aber nicht OIPS, was ihre Unabhängigkeit vom Telomerabrieb bestätigt (33). OIPS tritt in den frühen Stadien der Tumorentwicklung in Mausmodellen und beim Menschen auf (34–37). Diese Beobachtungen weisen stark darauf hin, dass OIPS die Proliferation von onkogen gestressten Zellen kontrolliert und den Tumor im prämalignen Zustand hält. Im Gegensatz dazu ebnet das Fehlen von OIPS, das durch die Mutation der Seneszenz-induzierenden Signalwege verursacht wird, den Weg zu einer onkogengetriebenen malignen Progression ungehindert (34, 35). Der Nachweis von Seneszenzmarkern könnte für prämaligne Läsionen von prognostischem Wert sein, die durch eine normale Zellmorphologie und fehlendes invasives Wachstum gekennzeichnet sind und oft mit Seneszenz einhergehen. Die mit prämalignen Tumoren verbundene Seneszenz ist im Kontext des Tumorwachstums nicht paradox, da sich nur ein Bruchteil der Zellen innerhalb eines Tumors erfolgreich vermehren kann, während viele Zellen Apoptose oder Seneszenz durchmachen, die durch den Stress aufgrund der abweichenden intrazellulären und extrazellulären Bedingungen ausgelöst werden die charakteristischerweise in Tumoren vorhanden sind (38). Daher ist es das Gleichgewicht zwischen Zellproliferation und Apoptose oder Seneszenz, das die Wachstumsrate eines bestimmten Tumors bestimmt (39).

Eine vorzeitige Seneszenz kann auch durch den Verlust von Tumorsuppressormolekülen in Maus- und Humanzellen ausgelöst werden. Phosphatase- und Tensin-Homolog-Gen-defiziente MEFs altern, was von einer Induktion von p53 begleitet wird. Der gleichzeitige Verlust von p53 ermöglicht es diesen Zellen, die zytostatischen Wirkungen von Phosphatase- und Tensin-Homolog-Deletionen zu überwinden (22). Ebenso führt der Verlust von NF1 zur Seneszenz in vitro, was schließlich mit einer Abnahme der ERK- und AKT-Aktivitäten einhergeht (40). Ein weiteres Beispiel ist von Hippel-Lindau, dessen Verlust die Seneszenz RB- und p400-abhängig auslöst (41).

Frühere Studien haben gezeigt, dass das Kulturmedium seneszenter Zellen mit sekretierten Proteinen angereichert ist (42, 43). Wenn Zellen seneszent werden, weisen sie oft einen seneszenz-assoziierten sekretorischen Phänotyp auf, der aus Zytokinen, Wachstumsfaktoren und Proteasen besteht, die von der Campisi-Gruppe zusammenfassend als „seneszenz-assoziierter sekretorischer Phänotyp“ (SASP) bezeichnet wurden (44). Kuilman und Peeper bezeichneten das gleiche Phänomen als „Senescence Messaging Secretome“ (45). Der Beitrag der Seneszenz mag passiv erscheinen, aber die jüngste Entdeckung von SASP deutet stark darauf hin, dass Seneszenz eine aktivere und pathologisch vielfältigere Rolle spielen könnte (45, 46). Die physiologische Rolle von SASP wurde als Wundheilungsmechanismus vorgeschlagen (47). Die anfängliche Beobachtung von SASP deutet darauf hin, dass Seneszenz nicht nur ein Tumorsuppressor-Mechanismus, sondern eher ein zweischneidiges Schwert innerhalb der Tumormikroumgebung sein könnte (39). SASP-Faktoren könnten dazu beitragen, Immunzellen für die Entfernung seneszenter Zellen zu signalisieren. Wenn dieser Entfernungsprozess beeinträchtigt ist oder die Anzahl der seneszenten Zellen in einem Gewebe zu hoch ist, können die seneszenten Zellen persistieren und den sekretorischen Phänotyp aufrechterhalten, wodurch das lokale Gewebe dauerhaft dem SASP ausgesetzt wird. Die Sekretion dieser seneszenzassoziierten Faktoren hat das Potenzial, die lokale Mikroumgebung nachteilig zu verändern, was zu Gewebedysfunktionen im Zusammenhang mit Alterung und Krankheit führt.

Seneszente Zellen sezernieren zahlreiche Zytokine, Wachstumsfaktoren, Proteasen und unzählige andere Faktoren, die das Potenzial haben, die Mikroumgebung des Gewebes zu verändern, was wiederum altersbedingte Pathologien fördert. Die detaillierte Beschreibung und ihre auffallenden Ähnlichkeiten mit dem entzündlichen Profil der COPD werden unten diskutiert.

Die zelluläre Seneszenz ist meistens das Ergebnis einer nuklearen DNA-Schädigung, die eine chronische DDR anheizt. Der DDR-Weg wird in der Regel durch ionisierende Strahlung oder andere genotoxische Ereignisse ausgelöst, was zu DNA-Doppelstrangbrüchen führt. Der DDR-Weg beginnt mit der Phosphorylierung von Histon H2AX durch mutiertes Ataxia-telangiectasia-Gen (ATM), das an oder nahe der DNA-Doppelstrangbruchstelle auftritt und für die Phosphorylierung des 53-bindenden Proteins-1 (53BP1) durch ATM und die Lokalisierung von 53BP1 an nukleären Reparaturherden erforderlich ist (48). Die 53BP1-Funktion ist wichtig für die Kopplung von ATM an mehrere seiner stromabwärts gelegenen Ziele, einschließlich p53 und SMC1 (d. h. die strukturelle Aufrechterhaltung des Chromosomenproteins). Im Fall von CHK2 scheint der Kopplungsmechanismus an ATM weitgehend unabhängig von 53BP1 zu sein und könnte ein weiteres undefiniertes Mitglied der BRCT-Repeat-Proteinfamilie umfassen (48). Upstream-Elemente des DDR-Signalwegs, wie ATM, NBS1 (Nibrin) und CHK2, sind für eine ausgewachsene SASP notwendig, und zwischen dem DDR und der Zytokinsekretion in einer autokrinen Schleife kommt es zu zusätzlichem Crosstalk, was bedeutet, dass die sezernierten Zytokine beide kontrollieren und werden von der DDR kontrolliert (10).

p53-Knock-out-Zellen lösen bei fehlender Seneszenz bei anhaltender DNA-Schädigung eine SASP-Antwort aus (10, 44). ). Dies unterstreicht die Tatsache, dass persistente DDR die Hauptursache für SASP ist ( Abbildung 2 ). Die DDR-Signalgebung steuert nur eine Untergruppe der SASP-Faktoren (44, 49), aber diese umfassen die potenten inflammatorischen Zytokine IL-6 und IL-8. Die Entwicklung von SASP ist ein langsamer Prozess. Erst bei anhaltender DNA-Schädigung ausreichender Größenordnung wird SASP initiiert (10). Verzögertes SASP könnte es den Zellen ermöglichen, eine DNA-Reparatur zu versuchen, bevor das Immunclearance-Signal durch SASP initialisiert wird.

Zusammenfassend kann die Seneszenz vom replikativen und vorzeitigen Typ sein. Ein Telomer-Abrieb aufgrund wiederholter Replikation führt zu einer replikativen Seneszenz, während eine vorzeitige Seneszenz aufgrund von genotoxischem Stress, Onkogen-Insertion oder Verlust eines Tumorsuppressors auftritt. Stressinduzierte Seneszenz über den chronischen oder intensiven DNA-Schaden führt zu einer DDR, die ATM, NBS1 und CHK2 involviert, was über die Zellzykluseffektoren p53 und pRB zu einer zellulären Seneszenz führt (10). Persistent DDR wiederum ist für die SASP-Antwort verantwortlich.

Obwohl Seneszenz einen Stopp der Zellteilung darstellt und man glaubt, dass sie tumorsupprimierende Fähigkeiten besitzt, wurde gezeigt, dass seneszente Zellen die Tumorbildung fördern und auch eine Rolle bei der Gewebereparatur spielen können. Der Zellzyklusarrest ist der Hauptmechanismus, durch den die zelluläre Seneszenz die maligne Tumorentstehung unterdrückt (46, 50, 51). Einige der Faktoren, die von seneszenten Zellen sezerniert werden, tragen jedoch dazu bei, den Seneszenz-Wachstumsstopp auf autokrine Weise zu verstärken, wie die proinflammatorischen Zytokine IL-6 und IL-8 und Faktoren wie das proapoptotische Protein insulinähnlicher Wachstumsfaktor-Bindungsprotein (IGFBP). -7 und Plasminogen-Aktivator-Inhibitor (PAI)-1. Collado und Serrano haben Beweise vorgelegt, die die Tumorsuppressor-Natur der Seneszenzreaktion bei Mäusen und Menschen bestätigen (52). Es gibt Hinweise darauf, dass seneszente Zellen Faktoren absondern, die auch die Krebsprogression fördern (39, 44). Beispiele für solche SASP-Faktoren sind Amphiregulin und wachstumsbezogenes Onkogen (GRO)-α, die die Zellproliferation stimulieren vaskulärer endothelialer Wachstumsfaktor, der die Angiogenese stimuliert und die proinflammatorischen Zytokine IL-6 und IL-8, die eine Epithel-zu- Mesenchymübergang und Epithelzellmigration und -invasion (53). Seneszenz wurde auch mit Gewebereparatur oder -regeneration in Verbindung gebracht (54, 55), was darauf hindeutet, dass seneszente Zellen ein paradoxes Phänomen aufweisen und seine Rolle kontextabhängig sein könnte. Wie in Abbildung 3 gezeigt, wurde die Seneszenz daher als eine Form der antagonistischen Pleotropie angesehen, bei der sie früh im Leben von Vorteil ist, aber in einem späteren Lebensstadium schädlich ist (46).

Figur 2. Molekulare Induktion von SASP und ihre mögliche Rolle bei der chronisch obstruktiven Lungenerkrankung (COPD). ROS, reaktive Sauerstoffspezies.

Figur 3. Seneszenz als Beispiel für antagonistische Pleotropie. Seneszenz kann zu Beginn des Lebens von Vorteil sein, kann sich jedoch in einem späteren Lebensstadium nachteilig auswirken.

COPD wird voraussichtlich bis 2020 die dritthäufigste Todesursache sein (2). Sie stellt angesichts der zunehmend alternden Bevölkerung eine große gesundheitliche und wirtschaftliche Belastung dar. Der Zustand ist gekennzeichnet durch eine chronische irreversible Luftstrombegrenzung, gemessen am FEV1. Die wichtigsten auslösenden Faktoren sind Zigarettenrauch, Umweltverschmutzung durch anorganischen und organischen Staub (z. B. durch offene Feuerstellen), genetische Veranlagung, rezidivierende Lungeninfektionen, sozioökonomischer Status und Alterung. Selbst wenn das Rauchen oder die Schadstoffexposition eingestellt wird, schreitet die Erkrankung oft schneller voran als der normale altersbedingte Rückgang des FEV1. Kennzeichen der COPD sind eine chronische, sich selbst fortsetzende Entzündung der Atemwege und Gasaustauschregionen, der Verlust von Gasaustauschgewebe, der zu einem Emphysem führt, und der Kollaps kleiner Atemwege, der zu zunehmender Atemnot führt. Es gibt keine kausale Behandlung, um das Fortschreiten der Krankheit zu stoppen. Das verfügbare therapeutische Instrumentarium umfasst Bronchodilatatoren wie Muskarin-Antagonisten und β-adrenerge Rezeptoragonisten, entzündungshemmende Medikamente einschließlich inhalativer und oraler Steroide und Phosphodiesterase-4-Inhibitoren sowie interventionelle oder chirurgische Verfahren zur Linderung von Lufteinschlüssen. Diese Behandlungen verbessern Symptome wie Atemnot und Bewegungsintoleranz und können die Häufigkeit von Exazerbationen der Krankheit verringern, aber ihre Auswirkungen sind oft sehr begrenzt.

Die anhaltende Entzündung und Gewebezerstörung trotz Raucherentwöhnung bei COPD ist ein faszinierender Befund, der zumindest teilweise durch die Auswirkungen der zellulären Seneszenz und SASP erklärt werden kann. Oxidativer Stress ist ein Kennzeichen der COPD-Pathogenese und induziert stark DNA-Doppelstrangbrüche, was zu einer zellulären Seneszenz führt und die Hypothese fördert, dass die Lungenzellen bei COPD vorzeitig altern.

Das Altern hat einen Einfluss auf die Entstehung von COPD, gleichzeitig wird COPD als Erkrankung der vorzeitigen Lungengewebealterung beschrieben (7, 56). „Alterung“ ist der fortschreitende Rückgang der Gewebehomöostase nach einer bestimmten Lebensspanne (reproduktivem Alter). Altern führt zu einer zunehmenden Krankheitsanfälligkeit und führt zum Versagen von Organen aufgrund von DNA-Schäden durch anhaltenden oxidativen Stress (vorzeitige Seneszenz) oder die replikative Erschöpfung durch Telomerverkürzung (replicative Seneszenz). Umweltstress wie Zigarettenrauch oder andere Schadstoffe können die Alterung der Lungenzellen durch oxidativen Stress beschleunigen und dadurch bei einigen Patienten ein beschleunigtes Fortschreiten der COPD induzieren. Die auffallende Tatsache, dass nur 25 % der Zigarettenraucher COPD entwickeln, deutet auf zusätzliche „Hits“ durch Infektionen und auf genetische Variabilität und Veranlagung für die Krankheit hin. Es wurde auch vorgeschlagen, dass Menschen mit unterschiedlich langen Telomer-DNA eine unterschiedliche Anfälligkeit für die Krankheit hervorrufen könnten (57).

Es wurde berichtet, dass Zigarettenrauchen eine vorzeitige Zellalterung in der Lunge verursacht. In vitro Die Exposition menschlicher Lungenepithelzellen gegenüber Zigarettenrauchextrakt führt zu einer erhöhten Expression von Seneszenz-assoziierter β-Galactosidase, einem Marker für zelluläre Seneszenz (8). Kultivierte Lungenfibroblasten von Patienten mit Emphysem zeigen eine erhöhte Expression von Seneszenz-assoziierter β-Galactosidase und eine verminderte proliferative Kapazität in vitro im Vergleich zu denen von gesunden Rauchern (58, 59).

Zigarettenrauchen gilt als wichtiger Risikofaktor für verschiedene altersbedingte Gesundheitsstörungen. Zigarettenrauchen ist mit einer erhöhten systemischen Entzündung und oxidativem Stress verbunden (60). Dies unterstützt auch den Befund, dass extrapulmonale Manifestationen von COPD Muskelschwund, Herz-Kreislauf-Erkrankungen oder Osteoporose umfassen könnten (61). Diese Manifestationen sind auch häufige Merkmale des Alterns (62). Ältere Personen (> 60 Jahre alt) weisen eine höhere COPD-Erkrankungsrate auf als jüngere Gruppen, unabhängig von ihrer Tabakrauchexposition in der Vorgeschichte. Die alternde Lunge zeigt normalerweise eine progressive Vergrößerung des distalen Luftraums mit Verlust der Gasaustauschfläche und der Unterstützung der alveolären Attachments für die peripheren Atemwege (63). Die Lungenfunktion nimmt bei älteren gesunden Personen normalerweise ab, wird jedoch bei Patienten mit COPD beschleunigt (64). Eine der prominentesten möglichen Ursachen für den Rückgang der Lungenfunktion könnte die ebenfalls mit dem Alter assoziierte Elastinfaserfragmentierung sein (64, 65). Obwohl die strukturellen Veränderungen in der Lunge als nicht destruktiv gelten, haben sie im Gegensatz zum rauchbedingten Emphysem (65) funktionelle Konsequenzen, die zu einem Verlust des elastischen Rückstoßes der Lunge und zu einer Zunahme des Residualvolumens und des funktionellen Residuals führen Kapazität oder Überblähung der Lunge. Dieser Verlust an Elastinfasern ähnelt dem, der bei der Hautalterung auftritt, was zu Elastizitätsverlust und Hautfalten führt, die durch Rauchen verstärkt werden (66). Der Grad der Hautfalten korreliert mit quantitativen Emphysemmessungen durch CT-Scans (67). Somit scheint Zigarettenrauchen Elastolyse in der Lunge und systemisch in der Haut zu verursachen (68), was darauf hindeutet, dass Zigarettenrauch den Alterungsprozess beschleunigen kann (69).

Patienten mit COPD zeigen neben anderen signifikanten Anstiegen verschiedener Entzündungsmoleküle, die wir zusammenfassend als „COPD-assoziierter sekretorischer Phänotyp“ (CASP) bezeichneten. CASP ist nicht spezifisch für COPD und überschneidet sich mit Faktoren, die bei anderen Lungenerkrankungen vorhanden sein können. Eine erhöhte Exposition gegenüber Oxidantien und/oder eine verminderte antioxidative Kapazität wird allgemein als zentrales Merkmal vieler Krankheiten anerkannt (70, 71). Viele Beweise verbinden COPD auch mit erhöhtem oxidativem Stress (72, 73). Darüber hinaus wird vermutet, dass SIPS eine wichtige Rolle bei COPD spielt (74).

Der Zusammenhang zwischen Seneszenz und COPD ergibt sich aus der Tatsache, dass jede von ihnen das Ergebnis von oxidativem Stress ist. Oxidativer Stress durch Zigarettenrauch/Schadgasexposition kann zu anhaltenden DNA-Schäden in Alveolarzellen führen, die zu einer vorzeitigen Lungenalterung führen. Durch anhaltende DNA-Schäden vermittelte Seneszenz führt zu einem sekretorischen Phänotyp (Abbildung 1). Seneszenz und COPD sind mit prominenten sekretorischen Phänotypen verbunden. Es wurde berichtet, dass diese Faktoren bei Patienten mit COPD hochreguliert sind und eine klare Ähnlichkeit mit denen von SASP aufweisen, was auf einen starken Zusammenhang zwischen den beiden schließen lässt.

Im Folgenden besprechen wir die auffallenden Ähnlichkeiten zwischen den sekretorischen Phänotypen von Seneszenz und COPD. Eine zusammengefasste Version ist in Tabelle 1 enthalten.

Tabelle 1. Vergleich des Seneszenz-assoziierten sekretorischen Phänotyps und der chronisch obstruktiven Lungenerkrankung-assoziierter sekretorischer Phänotyp

Definition von Abkürzungen: bFGF, basischer Fibroblasten-Wachstumsfaktor COPD, chronisch obstruktive Lungenerkrankung EGF, endothelialer Wachstumsfaktor EGF-R, endothelialer Wachstumsfaktor-Rezeptor GM-CSF, Granulozyten-Makrophagen-Kolonie-stimulierender Faktor GRO, wachstumsbezogenes Onkogen ICAM, interzelluläres Adhäsionsmolekül IGFBP, Insulin- wie Wachstumsfaktor-bindendes Protein MCP, Monozyten-Chemoattraktant-Protein MIF, Makrophagen-Migrations-Inhibitor-Faktor MIP, Makrophagen-Inflammatorisches Protein MMP, Matrix-Metalloproteinase OPG, Osteoprotegerin PAI, Plasminogen-Aktivator-Inhibitor PGE2, Prostaglandin E2 SASP, seneszenzassoziierter sekretorischer Tumor Faktorrezeptor TRAIL, Tumornekrosefaktor-verwandter Apoptose-induzierender Ligand uPAR, Plasminogenaktivatorrezeptor vom Urokinase-Typ VEGF, vaskulärer endothelialer Wachstumsfaktor.

*Pfeile zeigen eine Erhöhung der Konzentration des sezernierten Moleküls an.

IL-1, IL-6, IL-8 (CXCL-8), GROα, GROβ und GROγ sind in menschlichen Fibroblasten und seneszenten Prostataepithelzellen (44) hochreguliert und bei COPD hochreguliert ( 75, 76). Die Spiegel von MCP-2, Makrophagen-Entzündungsprotein-1α und MIP-3α sind in seneszenten Zellen erhöht (44, 49). In ähnlicher Weise waren bei COPD MCP-1 und IL-8 im Sputum erhöht, mit weiteren Anstiegen während Exazerbationen, überexprimiert im Bronchiolenepithel und an der Rekrutierung von Makrophagen und Mastzellen in das Atemwegsepithel beteiligt (77, 78).

Wachstumsfaktoren wie endotheliale Wachstumsfaktoren, basischer Fibroblasten-Wachstumsfaktor, vaskulärer endothelialer Wachstumsfaktor und Angiogenin wurden in Zellkulturmedien alternder Zellen sowie in Atemwegsgewebe und Epithelzellen von Patienten mit COPD signifikant hochreguliert ( 79, 80). Der insulinähnliche Wachstumsfaktor (IGF)/IGF-Rezeptor spielt eine wichtige Rolle bei der SASP-Reaktion. Seneszente Endothel-, Epithel- und Fibroblastenzellen exprimieren hohe Mengen fast aller IGFBPs, einschließlich IGFBP-2, -3, -4, -5 und -6 (44, 49, 81, 82). Lungenfibroblasten von Patienten mit Emphysem zeigten auch eine Hochregulierung von IGFBP-3 und IGFBP-verwandtem Protein-1 (58).Kolonie-stimulierende Faktoren (CSFs), einschließlich GM-CSF und G-CSF, werden in hohem Maße von seneszenten Fibroblasten (44) sezerniert, und die Konzentration von GM-CSF in der BAL-Flüssigkeit wurde bei stabiler COPD erhöht und weiter erhöht während Exazerbationen erhöht (83).

Seneszente Zellen sezernieren neben löslichen Signalzytokinen und Wachstumsfaktoren mehrere Proteasen. Die wichtigsten Proteasen sind die Matrix-Metalloproteinasen (MMPs). MMPs sind eine große Familie von zinkabhängigen Proteinasen, die die Zerstörung extrazellulärer Matrixkomponenten regulieren (84). Die Mitglieder der MMP-Familie, die in menschlichen und Maus-Fibroblasten, die eine replikative oder stressinduzierte Seneszenz durchlaufen, durchweg hochreguliert werden, sind Stromelysin-1 und -2 (MMP-3 bzw. -10) und Collagenase-1 (MMP-1) (85 –89). Auch bei COPD kommt es bei Patienten mit Emphysem zu einem Anstieg der BAL-Konzentrationen und der Makrophagen-Expression von MMP-1 (Kollagenase) und MMP-9 (Gelatinase B) (90–92). Alveolarmakrophagen von normalen Rauchern exprimieren mehr MMP-9 als die von gesunden Probanden (93), und es gibt einen noch weiteren Anstieg der Zellen von Patienten mit COPD (94), die eine verstärkte elastolytische Aktivität ausüben (95). MMP-9 und das Verhältnis von MMP-9 zu TIMP-1 sind im induzierten Sputum von Patienten mit COPD erhöht (96, 97). MMP-8 und MMP-9 wirken nicht nur als sezernierte Enzyme, sondern werden auch an Zellen gebunden, wo sie eine elastolytische Aktivität ausüben.

Eine andere Familie von Proteasen, die in der SASP vorhanden ist, umfasst Serinproteasen und Regulatoren des Plasminogen-Aktivierungswegs. Zu dieser Familie gehören Urokinase- oder Gewebetyp-Plasminogen-Aktivatoren (uPA bzw. tPA), der uPA-Rezeptor (uPAR) und Inhibitoren dieser Serinproteasen (PAI-1 und -2) (49, 98). Tatsächlich wurde in seneszenten Endothelzellen und Lungen- und Hautfibroblasten über eine > 50-fache Zunahme der Plasminogenaktivatoraktivität berichtet (49, 99, 100). PAI-1 wird auch in Fibroblasten und Endothelzellen von gealterten Spendern hochreguliert (49, 101–103). Es wurde auch gezeigt, dass induziertes Sputum von Patienten mit COPD im Vergleich zu Kontrollpersonen signifikant erhöhte u-PAR, PAI-1 und IL-8 enthält (104).

Shed-Rezeptoren umfassen ICAM-1, ICAM-3, Osteoprotegerin, TRAIL-R3, sTNFR1, Fas, STNFR2, uPAR und endothelialer Wachstumsfaktor-R, die in hohen Konzentrationen im extrazellulären Milieu seneszenter Fibroblasten vorhanden sind bei COPD hochreguliert (105-107). Tatsächlich ist Osteoprotegerin im Sputum ein potenzieller Biomarker bei COPD (108).

Zu den im Alter hochregulierten Hormonen gehören Prostaglandin (PG)E2 (109) und Cox-2, das Enzym, das für die Produktion von PGE2 und anderen Prostaglandinen verantwortlich ist. Diese wirken autokrin oder parakrin. In ähnlicher Weise wurde berichtet, dass die Konzentration von PGE2 in der Ausatemluft von Patienten mit COPD signifikant ansteigt (110). Dies wird wahrscheinlich von Cyclooxygenase (COX)-2 abgeleitet, die in alveolären Makrophagen exprimiert wird (111). Es gibt auch eine erhöhte COX-2-Expression in alveolären Makrophagen von Patienten mit COPD im Vergleich zu normalen Kontrollpersonen (112).

Fibronectin ist ein großes Multidomänen-Glykoprotein, das im Bindegewebe, auf Zelloberflächen sowie in Plasma und anderen Körperflüssigkeiten vorkommt. Es interagiert mit einer Vielzahl von Makromolekülen, einschließlich Zelloberflächenrezeptoren, Komponenten des Zytoskeletts und anderen extrazellulären Matrixmolekülen. Durch seine Interaktionen mit Zelloberflächenrezeptoren, hauptsächlich Integrinen, kann Fibronektin die Zelladhäsion, das Überleben, das Wachstum und die Migration beeinflussen. Die Fibronektinproduktion wird in vorzeitig alternden Werner-Syndrom-Fibroblasten hochreguliert (113). Darüber hinaus können Zellen, die in Kultur eine Seneszenz durchlaufen, und in vivo (114) erhöhen die Fibronektin-Expression. Daten aus früheren Studien deuten auf ein ähnliches Profil extrazellulärer Matrixmoleküle, einschließlich Fibronektin, bei COPD hin (115).

Seneszente Zellen setzen Stickoxid und ROS aufgrund von Veränderungen der induzierbaren Stickoxid-Synthase, der endothelialen Stickoxid-Synthase und der Superoxid-Dismutase-Aktivitäten frei (49, 116–120). Diese reaktiven Moleküle sind bekannte Modulatoren des zellulären Phänotyps, wie der Differenzierung von Monozyten. Darüber hinaus können diese Moleküle die Aggressivität von Krebszellen verstärken und das Altern und die altersbedingte Degeneration fördern (121, 122). In ähnlicher Weise produzieren auch Entzündungs- und Strukturzellen, die in den Atemwegen von Patienten mit COPD aktiviert werden, ROS, einschließlich Neutrophilen, Eosinophilen, Makrophagen und Epithelzellen (123). Superoxidanionen (O2· - ) werden von NADPH-Oxidase erzeugt und diese in Wasserstoffperoxid (H2Ö2) durch Superoxiddismutasen. h2Ö2 wird dann durch Katalase zu Wasser dismutiert. Ö2· - und H2Ö2 kann in Gegenwart von freiem Eisen wechselwirken, um das hochreaktive Hydroxylradikal (·OH) zu bilden. Ö2· - kann sich auch mit NO verbinden, um Peroxynitrit zu bilden, das ebenfalls ·OH (124) erzeugt. Die Nitrosylierung und Oxidation von Lungenproteinen ist ein prominenter Befund bei COPD und Emphysem. Die genetische Ablation und pharmakologische Hemmung von induzierbaren NOS verhinderte und kehrte ein durch Zigarettenrauch induziertes Emphysem bei Mäusen um (125).

Ein genauer Vergleich zwischen den Faktoren, die bei SASP und COPD hochreguliert werden, macht auf die auffallende Ähnlichkeit zwischen ihnen aufmerksam. Daher ist der molekulare Mechanismus, durch den SASP induziert werden könnte, von Interesse, um das Verständnis der Pathogenese und des Fortschreitens von COPD zu verbessern. Es konnte gezeigt werden, dass die Suppression des DDR-Masterregulators ATM die durch anhaltende DNA-Schäden induzierte Hemmung von SASP bewirken kann (10). ATM-Inhibitoren können den Zellzyklusarrest von Zellen mit signifikanten DNA-Schäden außer Kraft setzen und die Empfindlichkeit gegenüber Chemotherapie oder Bestrahlung erhöhen, indem sie Zellen in eine mitotische Krise und den Tod treiben. Solche Substanzen werden in klinischen Studien zur Krebsbehandlung untersucht. Die Modulation von ATM könnte bei Patienten mit COPD von klinischem Nutzen sein. Die Rolle von Faktoren, die zur DDR beitragen, könnte für das Verständnis der molekularen Mechanismen, die COPD zugrunde liegen, von besonderem Interesse sein. Mechanismen, die die mutmaßliche positive Rückkopplungsschleife von Seneszenz, SASP, anhaltender Entzündung und DNA-Schädigung steuern, können im Zentrum der COPD-Pathogenese stehen. Die therapeutische Modulation vielfältiger schädlicher Faktoren von SASP durch gezielte DDR-Wege scheint einer Untersuchung wert. Die Beurteilung der DDR-Marker könnte auch für den Krankheitsverlauf von prognostischem Wert sein.

Resveratrol, das Rotweinmolekül, von dem bekannt ist, dass es Sirtuine hochreguliert, ist ein wichtiges Anti-Aging-Molekül, von dem angenommen wird, dass es oxidative Stressresistenz, DNA-Reparatur und Entzündungen kontrolliert (126). Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass Sirt-1 über eine Reduktion der vorzeitigen Seneszenz vor Emphysemen schützt und durch Foxo3 reguliert wird (127). Die Behandlung von Blutauswuchs-Endothelzellen von Patienten mit COPD mit einem SIRT1-Aktivator (Resveratrol) rettete den seneszenten Phänotyp (128). Ein potenterer SIRT1-spezifischer Aktivator als Resveratrol wurde kürzlich als Therapie für Diabetes entwickelt und untersucht (129). In ähnlicher Weise wurde eine Anzahl von Anti-Aging-Molekülen identifiziert, und die Bewertung dieser Moleküle bei Patienten mit COPD könnte mehrere neue molekulare Ziele für die Behandlung von COPD identifizieren.

Moleküle, die auf die SASP-Reaktion abzielen könnten, könnten bei der Kontrolle der Exazerbationen während der COPD hilfreich sein. Es wurde gezeigt, dass Glucocorticoide ausgewählte Komponenten des Seneszenz-assoziierten sekretorischen Phänotyps unterdrücken (130), und dies könnte erklären, wie die Glucocorticoide bei der Verabreichung an Patienten mit COPD wirken könnten. Es wurde gezeigt, dass COX-Inhibitoren die Seneszenz und die damit verbundene Entzündung in COPD-Fibroblasten aufheben (131). Wie die Apoptose spielt die zelluläre Seneszenz jedoch eine wichtige Rolle bei der Unterdrückung der Tumorentstehung bei Mäusen und Menschen in vivo (34). Daher wird die Seneszenz unterdrückt an sich wäre keine ideale Strategie, da die Unterdrückung der Seneszenz zu Krebs führen könnte. Es ist wichtig, sich mit den Mechanismen zu befassen, die das Zellschicksal bestimmen, um Seneszenz oder Apoptose zu durchlaufen, wenn sie durch potenzielle Angriffe herausgefordert werden. Wichtige zu lösende Fragen sind die Wege, die zur Seneszenzreaktion führen, die Schlüsselsignale, die die Seneszenz von der Apoptose trennen, und ob die Entfernung seneszenter Zellen aus ihrer Gewebeumgebung eine Möglichkeit sein könnte, die schädliche Wirkung von SASP bei COPD zu verringern.

Für den direkten Vergleich des seneszenzinduzierten SASP und des sekretorischen Phänotyps von Lungenzellen mit COPD sind weitere Studien erforderlich. Die Klärung der molekularen Entscheidungsfindung, wann eine DNA-Schädigung eine Zelle in den seneszenten Zustand überführt und wie die SASP aktiviert wird, könnte neue Angriffspunkte für die kausale Behandlung der Gewebezerstörung bei Patienten mit COPD ableiten. Da die Seneszenz ein wichtiger zellulärer Zustand für geschädigte Gewebe ist, um Struktur und Funktion aufrechtzuerhalten, ohne durch weitere Zellteilung Tumorzellen zu erzeugen, wäre die Hemmung von SASP ohne Störung der Seneszenz ein Hauptziel.


Einführung

Blattalterung ist ein genetisch programmierter Entwicklungsprozess

Altern wird als die mit dem Wachstum und der Entwicklung eines Organismus verbundenen Veränderungen definiert, während sich Seneszenz oft als die sich verschlechternden Auswirkungen des Alterns bezeichnet. Diese beiden Begriffe sind in erster Linie aus der Tier- und Humangesundheitsforschung hervorgegangen, da sie offensichtlich intrinsisch mit Lebensdauer und Langlebigkeit verbunden sind, sowie dem Wunsch, den Jungbrunnen zu suchen. Pflanzen weisen eine unterschiedliche Lebensdauer auf, die von wenigen Wochen bis zu Jahrtausenden reicht. Zum Beispiel können kurzlebige Pflanzen, einschließlich Frühlings-, Unkraut- und Wüsten-Ephemeriden, ihren Lebenszyklus in wenigen Wochen beenden, aber eine Borstenkiefer, die derzeit als der älteste lebende Organismus bekannt ist, wird auf eine Lebensdauer von über 5.000 Jahren geschätzt. und einige klonale Pflanzen, die sich durch asexuelle Fortpflanzung vermehren, haben eine aufgezeichnete Lebensdauer von über 10.000 Jahren ( Lanner 2002 Thomas 2002 ). Pflanzen sind auch sehr unterschiedlich in ihrer Alterungsrate. Die monokarpen Pflanzen durchlaufen nach einem einzigen Reproduktionszyklus eine abrupte Seneszenz, aber bei Bäumen mit langer Lebensdauer ist die Seneszenz fast vernachlässigbar ( Lanner und Connor 2001 ). Diese Beobachtungen deuten darauf hin, dass sowohl Tiere als auch Pflanzen über genetische Programme verfügen, die ihre Lebensdauer und Seneszenz steuern, die auf zellulärer und molekulargenetischer Ebene ähnlich sein könnten ( Jing et al. 2003 ).

Allerdings unterscheiden sich Pflanzen von Tieren in einer Reihe grundlegender Lebensmerkmale und Überlebensstrategien, was den Begriffen „Alterung“ und insbesondere „Seneszenz“ in der Pflanzenforschung unterschiedliche Bedeutungen verleiht. Pflanzen sind besonders „ursächlich“ bei der Gestaltung von Körperplänen während der Embryogenese, und die meristematischen Stammzellen an den Wurzel- und Sprossspitzen können sich vermehren und während des gesamten postembryonalen Lebens fast alle Strukturen und Organe erzeugen. Darüber hinaus unterscheiden sich Pflanzen von Tieren durch modulares Wachstum, und einzelne Organe wie Blätter, Triebe und Wurzeln sind modulierbar und für das Überleben der ganzen Pflanze entbehrlich. Bei Tieren und Menschen führt der Verfall, die Fehlfunktion und der Tod eines Organs (zum Beispiel Leber, Magen oder Gehirn) letztendlich zum Tod eines Tieres oder eines Menschen, während bei Pflanzen der Abbau eines Organs bedeutet, das Wachstum und die Entwicklung neuer Organe und/oder der ganzen Pflanze unterstützen. Ein weiteres Merkmal, das Pflanzen von Tieren unterscheidet, besteht darin, dass der Tod einer Zelle und eines Organs vom Tod des gesamten Organismus entkoppelt ist. In diesem Sinne bedeutet Seneszenz bei Pflanzen einen genetisch gut programmierten Prozess, der zum Absterben von Gewebe und Organen führt und nicht nur eine „Abnutzung“ des Alterns.

Die Blattseneszenz ist die letzte Phase der Blattentwicklung. Das Phänomen der Blattalterung lässt sich an den spektakulären Farbveränderungen bei Laubbäumen und bei der Reifung von Getreidepflanzen im Spätsommer und Herbst erkennen, die auf globaler Ebene auftreten können, um das Erscheinungsbild der Erde aus dem Weltraum zu verändern. Bei einjährigen Pflanzen ist die Blattseneszenz eng mit dem Absterben der ganzen Pflanze verbunden (monokarpische Seneszenz), während bei mehrjährigen Pflanzen die Blattseneszenz während der gesamten Lebensdauer der Pflanze mehrmals auftritt. Obwohl die Bedeutung der Blattseneszenz seit langem erkannt wurde, fehlt im Zusammenhang mit der genetischen Verbesserung von Nutzpflanzen noch eine systematische Analyse von Genen und regulatorischen Netzwerken, die die Blattseneszenz kontrollieren.

In diesem Review beschreiben wir zunächst die Prozesse und Ereignisse während der Blattseneszenz und analysieren ihre Bedeutung für die Pflanzenproduktion. Ein Großteil des Manuskripts ist dem aktuellen Verständnis der Blattalterung gewidmet, wobei den wichtigsten regulatorischen Genen besondere Aufmerksamkeit gewidmet wird, die den Beginn und das Fortschreiten der Blattalterung verschieben können. Wir schlagen vor, die Funktionalität eines Blattes als Funktion des Blattalters zu betrachten und zu erörtern, wie die Gene untersucht werden können, die den Beginn und das Fortschreiten der Blattalterung für die genetische Verbesserung von Pflanzen kontrollieren.

Das Seneszenz-Syndrom: Blattseneszenz erfordert massive Veränderungen in der Expression von Seneszenz-assoziierten Genen

Als letzte Phase der Entwicklung eines Blattes aktiviert die Seneszenz ein selbstzerstörendes Programm zur Degeneration der Zellstrukturen und ermöglicht es einem Blatt, seinen letzten Beitrag zur Pflanze zu leisten, indem es die im alternden Blatt angesammelten Nährstoffe remobilisiert. Während der Blattseneszenz wird die Summe morphologischer, physiologischer und molekularer Veränderungen allgemein als Seneszenzsyndrom bezeichnet, das mehrere Merkmale wie sichtbare Farbänderungen, eine Verringerung der Photosynthese, den Abbau von Chloroplasten, den Abbau von RNA, Proteinen und DNA umfasst , und die Translokation von Makro-/Mikromolekülen in andere Pflanzenteile, was zum Absterben des seneszierenden Blattes führt (Bleecker und Patterson 1997, Ougham et al. 2008). Daher verleiht die Nährstoffremobilisierung dem Seneszenzprogramm in Pflanzen eine evolutionäre Bedeutung ( Bleecker 1998 Jing et al. 2003 ) und unterscheidet sich von der tierischen Seneszenz, von der allgemein angenommen wird, dass sie ohne natürliche Selektion und evolutionäre Triebkräfte auftritt ( Kenyon 2010 Barzilai ua 2012).

Das Seneszenzsyndrom lässt sich am besten aus Sicht der Nährstoffremobilisierung erklären ( Bleecker 1998 Masclaux-Daubresse et al. 2008 ). Tatsächlich wurde dokumentiert, dass massive Biomoleküle und Mikronährstoffe aus absterbenden Blättern transportiert werden ( Himelblau und Amasino 2001 Masclaux-Daubresse et al. 2010 ). Diese Vorstellung wird insbesondere durch die Erstellung von Genexpressionsprofilen während der Blattalterung unterstützt. Im Zusammenhang mit der Entstehung des Seneszenzsyndroms werden sogenannte Seneszenz-assoziierte Gene (SAGs) zeigen eine hochregulierte Expression. Die Identifizierung von Genen, die während der Blattseneszenz unterschiedliche Expressionsprofile aufweisen, war ein zentraler Schwerpunkt in Seneszenzstudien. Bisher, DURCHHÄNGEN Expressionsprofilierung wurde in einer Reihe von Pflanzen durchgeführt, aber genomweite Daten sind nur in Arabidopsis und werden daher hier zur Analyse herangezogen ( Buchanan-Wollaston et al. 2003 Gepstein et al. 2003 Buchanan-Wollaston et al. 2005 Breeze et al. 2011 ). Es ist allgemein anerkannt, dass der Ausdruck von SAGs können als zuverlässige molekulare Marker für die Überwachung des Beginns und des Fortschreitens der Blattalterung und der Auswirkungen von Induktionsbedingungen dienen. DURCHHÄNGEN Profiling hat ein ziemlich konsistentes Bild des Seneszenzsyndroms auf der Ebene der Genexpression geliefert. Hier fassen wir kurz zusammen, was wir aus diesen Studien gelernt haben.

Eines der charakteristischen Merkmale der Blattseneszenz ist die klare metabolische Verschiebung vom primären Anabolismus zum Katabolismus, und die Anzahl der katabolen Gene, die in alternden Blättern stark exprimiert werden, ist fast doppelt so hoch wie die der anabolen Gene ( Guo et al. 2004 ). Chloroplasten sind die wichtigsten Zellorganellen in einer photosynthetischen Zelle, und bis zu 80 % des gesamten Blattstickstoffs sind in den Chloroplasten reserviert, während Rubisco (D-Ribulose-1,5-Bisphosphat-Carboxylase/Oxygenase) bis zu 50 % lösliche Proteine ​​darstellt. Daher ist die effiziente Erzielung des Chloroplastenabbaus und des Rubisco- und Chlorophyllabbaus für das Nährstoffrecycling von entscheidender Bedeutung. Neuere Erkenntnisse zeigen, dass der Proteinabbau innerhalb der Chloroplasten initiiert wird und anschließend mit den vakuolären Proteinasen fortschreitet ( Feller et al. 2008 Kato und Sakamoto 2010 ). Die Autophagie-Maschinerie lenkt Rubisco über die Bildung von Rubisco-enthaltenden Körpern in die Vakuole und spielt eine wichtige Rolle beim Chloroplastenabbau (Ishida et al. 2008 Wada et al. 2009). Interessanterweise verursacht diese Funktion der Autophagie keine Chloroplastenlyse und hängt vom Kohlenstoffstatus der Blätter ab ( Stettler et al. 2009 Izumi et al. 2010 ). Der Chlorophyllabbau ist ein weiteres zentrales Thema während der Seneszenz und wird über den Pheophorbide A Oxygenase (PAO)-Weg ausgeführt ( Hortensteiner und Krautler 2011 Hortensteiner 2012 ). Diese Proteinabbaugene stehen an der Spitze der Expressionsniveaus von SAGs und des zellulären Verhaltens einiger Proteine ​​charakterisiert. Beispielsweise verbleibt RD21, eine Seneszenz-assoziierte Protease, in der Vakuole als inaktive Aggregate und wird während der Seneszenz durch die Spaltung ihrer C-terminalen Granulindomäne aktiv (Yamada et al. 2001). Darüber hinaus kommt es zur Bildung von Seneszenz-assoziierten Vakuolen (SAVs), die proteolytische Enzyme wie z SAG12, wurde beobachtet ( Otegui et al. 2005 Martinez et al. 2008 ).

Viele DURCHHÄNGENs, die für Transporter wie ABC-Transporter, Aminosäurepermease und Kationenaustauscher kodieren, weisen ebenfalls eine durch Seneszenz verstärkte Expression auf, was auf eine aktive Remobilisierung hinweist. Insgesamt wurde gezeigt, dass Gene, die am Abbau von Makromolekülen und Nährstoffrecycling beteiligt sind, etwa 9 % der gesamten in seneszierenden Blättern exprimierten Gene einnehmen, und dieser Prozentsatz steigt auf etwa 20–30 %, wenn nur diejenigen mit erhöhter Expression analysiert werden ( Gepstein ua 2003 Guo ua 2004 Buchanan-Wollaston ua 2005 ). Begrenzte Studien zum Verhalten von Transportern während der Blattalterung wurden durchgeführt ( Van der Graaff et al. 2006 ), obwohl über Monosaccharid- und vakuoläre organische Kationentransporter berichtet wurde ( Quirino et al. 2001 Frelet-Barrand et al. 2008 ).

Während der Blattseneszenz führt die Dysfunktion der zellulären Redoxmaschinerie zur Überproduktion von reaktiven Sauerstoffspezies (ROS), die Auslöser für die hohe Expression von Stress- und Abwehrgenen sind. Daher befindet sich eine seneszierende Blattzelle in einer stressigen Umgebung. Ein möglicher Grund für solch hohe Expressionsraten dieser Gene ist die Entgiftung der oxidierten Proteinzwischenprodukte und die Gewährleistung der Funktionalität der Mitochondrien und des Zellkerns ( Guo und Crawford 2005 Sakuraba et al. 2012b ). Alternativ erhöhen die stressbedingten Hormone wie Ethylen, Jasmonat und Abscisinsäure ihre endogenen Spiegel während der Seneszenz, was wiederum die Expression stressbedingter Gene induziert ( Navbpour et al. 2003 ).Obwohl seit langem beobachtet wurde, dass die Expression von Abwehrgenen in seneszierenden Blättern hochreguliert ist (was auf einen intrinsischen Zusammenhang zwischen dem durch den Erregerangriff ausgelösten und dem seneszenzassoziierten Zelltod hindeutet), ist noch nicht klar, warum dies notwendig ist dies zu tun, da eine verstärkte Expression von Abwehrproteinen Ressourcen und Energie vom Nährstoffrecycling ablenken kann. In Anbetracht der Tatsache, dass die Nährstoffaufnahme eine treibende Kraft für einen bestimmten Krankheitserreger ist, um Pflanzen anzugreifen, kann der Schutz, der durch die verstärkte Expression von Abwehrgenen bereitgestellt wird, ein notwendiger Kostenfaktor sein, um die Nährstoffremobilisierung zu bezahlen. Darüber hinaus besagt eine Theorie über den Ursprung der Seneszenz, dass sich Seneszenz als Strategie gegen das Eindringen von Pathogenen entwickelt hat. In diesem Sinne kann die verstärkte Expression von Abwehrgenen lediglich eine Folge von Pflanzenabwehrreaktionen parallel zur Seneszenz sein.

Verstärkte Transkription wird beobachtet für DURCHHÄNGENs an der Signalgebung und Transkriptionsregulation beteiligt. Zu den identifizierten Komponenten zählen rezeptorähnliche Kinase ( Lee et al. 2011 Xu et al. 2011 ), MAP-Kinase-Kaskade ( Zhou et al. 2009 ) und solche in Protein-Protein-Interaktionen ( Vainonen et al. 2012 ). Viele Transkriptionsfaktoren weisen ein seneszenzassoziiertes Muster auf, darunter solche, die NAC enthalten ( Guo und Gan 2006 Uauy et al. 2006 Kim et al. 2009 Yang et al. 2011 Lee et al. 2012a Zhang und Gan 2012 ), WRKY ( Miao und Zentgraf 2007 Zentgraf et al. 2010) und MYB (Warner et al. 2007 Guo und Gan 2011 Zhang et al. 2011) Domänen, was auf die Bedeutung der Transkriptionsregulation für die Seneszenz hinweist. Da viele dieser regulatorischen Gene zu großen Genfamilien gehören, ist gezeigt worden, dass sie an verschiedenen Wachstums- und Entwicklungsprozessen beteiligt sind und komplexe Wechselwirkungen zwischen ihnen haben, und es wird notwendig sein, ihre spezifischen nachgeschalteten Effektoren zu identifizieren, die für regulierte zelluläre und biochemische Ereignisse während der Seneszenz.

Offensichtlich könnten interne und externe Faktoren die Blattalterung über verschiedene Signalwege auslösen (Lim et al. 2007). Ein kürzlich durchgeführter bioinformatischer Vergleich der Genexpressionsprofile von 27 verschiedenen Seneszenz-Induktionsbehandlungen mit denen der entwicklungsbedingten Blattseneszenz zeigt jedoch, dass gemeinsame Wege für die Ausführung der Blattseneszenz nach ihrem Einsetzen existieren ( Guo und Gan 2012 ). Dies legt nahe, dass eine gemeinsame Ausführungsmaschinerie erhalten bleibt, um den Seneszenzprozess zu vollenden, unabhängig von den anfänglichen Induktionssignalen in Arabidopsis. Es wäre interessant zu untersuchen, ob dieser Kernsatz der Ausführung SAGs ist bei verschiedenen Arten erhalten.

Zusammenfassend hat das genomweite Transkriptionsprofiling ein ganzheitliches Bild der molekularen Ereignisse während der Blattseneszenz geliefert, was die seit langem bestehende Vorstellung weiter unterstützt, dass die Blattseneszenz ein komplexer Prozess ist, der viele katabole Wege umfasst. Leider fehlen noch immer hochauflösende Transkriptomdaten für andere Arten, insbesondere für wichtige Nutzpflanzen. Mit der Entwicklung der Next Generation Sequencing Technology und bioinformatischen Werkzeugen ist es möglich, groß angelegte Profilerstellung für Pflanzen mit komplexen Genomen durchzuführen. Im kommenden Jahr erwarten wir eine rasche Expansion von DURCHHÄNGEN Profiling-Daten für Nutzpflanzen, die einen artenübergreifenden Vergleich und die Identifizierung von Divergenz und Konvergenz von SAGs.

Blattalterung ist eng mit Ernteertrag, Fruchtreife und Biomasseproduktion verbunden

Der Ernteertrag wird durch die Kornfüllung in Getreide erzielt, die von zwei Kohlenstoff- und Stickstoffquellen abhängt: den Photoassimilaten, die aus einem photosynthetischen aktiven Blatt gebildet und direkt zum Getreide transportiert werden, und denjenigen, die aus dem vegetativen Gewebe remobilisiert werden ( Yang und Zhang 2006 ). Bei kleinkörnigem Getreide wie hexaploider Weizen (Triticum aestivum) und Reis (Oryza sativa), tragen Pre-Anthese-Photoassimilate 10–40% des endgültigen Korngewichts bei ( Gebbing und Schnyder 1999 Yang und Zhang 2006 ). Blattalterung kann das Endkorngewicht negativ und positiv beeinflussen. Häufig führt ein frühes Auftreten von Blattalterung durch intrinsische genetische Faktoren oder durch ungünstige Umweltveränderungen zu einem Rückgang der Photosynthese und vorzeitigem Zelltod und schränkt die Versorgung mit den Photoassimilaten vor der Anthese ein ( Gregersen et al. 2008 ). In Wirklichkeit haben vorzeitige Blattalterung und der anschließende Totalverlust von Ernten, verursacht durch raue Bedingungen wie Dürre, häufig Schlagzeilen gemacht (zum Beispiel die schwere Dürre im Maisgürtel in den USA in diesem Jahr, http://www. Washingtonpost.com/business/economy/). Jüngste Modellierungsarbeiten mit neunjährigen Satellitenmessungen des Weizenwachstums in Nordindien zur Überwachung der Seneszenzraten von Weizen nach Temperaturen über 34 °C zeigen eine statistisch signifikante Beschleunigung der Seneszenz durch extreme Hitze (Lobell et al. 2012). Daher ist die Züchtung von Kulturpflanzen mit erhöhter Toleranz gegenüber hitzeinduzierter Blattseneszenz eine Voraussetzung für den zukünftigen Ernteerfolg. Andererseits könnte, wie die Züchtungsbemühungen der letzten 50 Jahre gezeigt haben, eine Verzögerung der Blattseneszenz und eine Verlängerung der Dauer der aktiven Photosynthese die sofortige Photoassimilatquelle erheblich erhöhen und damit den Getreideertrag erhöhen ( Richards 2000 Long et al. 2006 ) . Viele grün bleibende Sorten, die eine verzögerte Blattalterung aufweisen, haben nachweislich mehrere positive Wirkungen, einschließlich der Förderung von mehr Wurzelwachstum, der Bereitstellung von zusätzlichem Kohlenstoff und der Verkürzung der Intervalle zwischen Anthese und Seidenbildung, wie von Davies et al. (2011) . Daher ist der Zeitpunkt des Einsetzens der Blattalterung wichtig für den Ernteertrag.

Die Rate oder das Fortschreiten der Blattalterung ist auch für den Ernteertrag wichtig, indem die Remobilisierung von Post-Anthese-Photoassimilaten kontrolliert wird (Thomas und Howarth 2000 Himelblau und Amasino 2001). Dies wird am besten in der Stickstoffnutzungseffizienz veranschaulicht, die Stickstoffaufnahme, Assimilation, Translokation und Remobilisierung umfasst ( Hirel et al. 2001 Hortensteiner und Feller 2002 Hirel et al. 2007 ). Da die Verfügbarkeit von Stickstoff fast immer das Pflanzenwachstum einschränkt, ist die effiziente Nutzung von Stickstoff für den Pflanzenlebenszyklus unerlässlich. Der Getreideertrag hängt von der Stickstoffaufnahme vor der Blüte und der Remobilisierung nach der Blüte während der Samenreifung ab ( Masclaux-Daubresse et al. 2008 ). Bei Gerste, Weizen und Reis werden bis zu 90 % des Stickstoffs aus den vegetativen Pflanzenteilen zum Korn remobilisiert, während bei Mais 35–55 % des Kornstickstoffs aus der Bodenaufnahme nach der Anthese stammen ( Hirel et al. 2007 Gregersen ua 2008). Zwischen dem Beginn der Blattalterung und der Stickstoffnutzungseffizienz besteht ein komplexer Zusammenhang (Chardon et al. 2010 Masclaux-Daubresse et al. 2010 Masclaux-Daubresse und Chardon 2011). Das Stay-Green-Merkmal kann den Ernteertrag erhöhen, jedoch führt eine ungünstig verlängerte verzögerte Blattalterung zu einer geringen Kornfüllung, einer geringen Stickstoffnutzungseffizienz und einem niedrigen Getreideproteingehalt, was ein Dilemma für die Züchtung des Stay-Green-Merkmals darstellt ( Mi ua 2002 Gong ua 2005 ). Der Effekt der Verzögerung der Blattalterung auf den Kornertrag und die Kornproteinkonzentration hängt von der Stickstoffverfügbarkeit während der Zeit nach der Blüte ab ( Bogard et al. 2011 ). Daher sollte die Blattseneszenz nach der Blüte unter strenger genetischer und Managementkontrolle stehen.

Fruchtreife und Nacherntelagerung sind wichtige Aspekte der Pflanzenalterung, und die Regulierung des Reifezeitpunkts und die Verlängerung der Haltbarkeit von Gemüse nach der Ernte könnten durch die Kontrolle wichtiger regulatorischer Gene erreicht werden ( Causier et al. 2002 Klee 2010 ). Jüngste Bedenken hinsichtlich der Züchtung spezieller Biokraftstoffpflanzen haben die Forschung zur Biomasseproduktion angeregt. Bei Mais wurde gezeigt, dass die Verzögerung der Blattalterung eine Schlüsselkomponente für die Erhöhung der Gesamtbiomasse in neuen Hybriden ist ( Richards 2000 ) und die Biomasseproduktion für Biokraftstoffe in Holzpflanzen maximiert werden kann, wenn die Alterung mit dem saisonalen Wachstum synchronisiert wird ( Jackson 2009 ) . Sorghum und viele andere Gräser gelten als zukünftige Biokraftstoffpflanzen mit hohem Potenzial ( Byrt et al. 2011 Calvino und Messing 2012 ), und das Management der Blattalterung ist entscheidend für das Erreichen einer hohen Biomasse ( Robson et al. 2012 ). Bei Sorghum ist das Stay-Green-Merkmal eng mit der Toleranz gegenüber Trockenheit nach der Blüte verbunden, um eine hohe Biomasse und einen hohen Stängelzucker zu erreichen (Harris et al. 2007).

Gesellschaftliche Forderungen verlangen, dass die Rolle von Nutzpflanzenarten über ihre konventionelle Nutzung als Nahrungsquelle hinaus erweitert wird, beispielsweise die Entwicklung von Pflanzen für Biokraftstoffquellen und die Umwandlung von Pflanzen in eine Fabrik zur Herstellung von pharmazeutischen Inhaltsstoffen und Impfstoffen (Lossl und Waheed 2011). Daher ist das Verständnis der Blattseneszenz ein notwendiger Schritt, um die Seneszenz im Pflanzenlebenszyklus zu manipulieren, um zur Sicherung der weltweiten Nahrungs- und Energieversorgung in einem sich ändernden globalen Klima und parallelem Bevölkerungswachstum beizutragen. Der folgende Abschnitt ist der Diskussion eines genetischen Rahmens gewidmet, um die Genwirkung bei der Regulation der Blattalterung zu zeigen.

Der Beginn und das Fortschreiten der Blattalterung: Ein genetischer Rahmen zur Identifizierung von Genen, die für die Pflanzenverbesserung von Interesse sind

Wie im vorherigen Abschnitt angedeutet, trägt ein Blatt zum Lebenszyklus einer Pflanze zweifach bei. Als primäre physikalische Plattform liefert ein photosynthetisches aktives Blatt wesentliche Photoassimilate, um das Wachstum und die Entwicklung anderer Pflanzenteile, einschließlich der Fortpflanzungsstrukturen, zu unterstützen. Zweitens werden die angesammelten Nährstoffe in einem absterbenden Blatt über das Seneszenzprogramm remobilisiert. Es ist klar, dass die Maximierung des Beitrags eines Blattes entweder durch eine Erhöhung der photosynthetischen Photoassimilate oder durch eine Verbesserung der Effizienz der Nährstoffremobilisierungsmaschinerie erreicht werden kann. Blattalter oder Blattentwicklungsstadien sind die primären Determinanten dieser beiden Funktionen. Als Entwicklungsprogramm wird die Blattalterung durch das Blattalter gesteuert und kann beide Funktionen beeinflussen. Daher ist es wichtig, die Entwicklungskontrollen der Blattseneszenz zu analysieren, um Gene zu identifizieren, die für die genetische Verbesserung von Nutzpflanzen von Interesse sind.

Wir schlagen vor, die Funktionalität eines Blattes als Funktion des Blattalters zu betrachten. Hier wird die Funktionalität eines Blattes als seine Fähigkeit definiert, Photosynthese durchzuführen und den Fortpflanzungsstrukturen, neuen Wachstumspunkten und Speicherorganen Netto-Photoassimilate bereitzustellen. Wie in Abbildung 1A skizziert, ändert sich die Funktionalität eines Blattes mit der Blattalterung, und der Lebenszyklus eines Blattes ist in drei verschiedene Phasen unterteilt: die Phase der Erhöhung der Funktionalität im frühen Wachstumsstadium, die Phase der vollen Funktionalität und die Seneszenz und Phase nachlassender Funktionalität. In der ersten Phase, beginnend mit der Bildung der Blattprimordien, erfolgt eine schnelle Zellteilung und -expansion bis zur vollständigen Reifung. Während dieser anfänglichen Wachstumsphase werden nach und nach photosynthetische Aktivitäten erworben, und die meisten Photoassimilate (entweder durch die photosynthetische Aktivität des Blattes gebildet oder von anderen Blättern importiert) werden verwendet, um den Blattkörper selbst und damit die Funktionalität des Blattes aufzubauen. dh die Netto-Photoassimilation nimmt allmählich zu. Die zweite Phase ist das Stadium, in dem ein Blatt photosynthetisch voll funktionsfähig ist und ständig die Netto-Photoassimilate für das Reproduktionswachstum liefert. Im späteren Stadium der dritten Phase nimmt die Funktionalität eines Blattes nach dem Einsetzen der Blattalterung ab.

Ein Diagramm, das die Beziehungen zwischen dem Blattalter und den Änderungen der Blattfunktionalität und den damit verbundenen Ereignissen und Genaktionen während der Lebensdauer eines Blatts veranschaulicht. (EIN) Ereignisse während der Blattentwicklung und die Funktionsänderungen eines Blattes während der Entwicklung. Die Funktionalität eines Blattes wird als seine Fähigkeit definiert, Photosynthese durchzuführen und Netto-Photoassimilate für das reproduktive Wachstum bereitzustellen. Details siehe Text. (B) Gene, die den Phasenübergang und die Blattalterung steuern. Vier Kategorien von Genen sind wichtige Ziele für die genetische Verbesserung von Pflanzen. Details siehe Text.

Die Implikation dieses Diagramms (Abbildung 1A) ist, dass es eine Reihe von Kontrollpunkten gibt, um den Beitrag eines Blattes zum Reproduktionswachstum oder zur Pflanzenproduktion zu maximieren. Mindestens vier Kategorien von Genen können möglicherweise in einem Pflanzengenom existieren und entwicklungskontrolliert zur Pflanzenproduktion beitragen: diejenigen, die (I) die Geschwindigkeit des frühen Blattwachstums und den Übergang in die Phase der vollen Funktionalität regulieren, (II ) die Photosyntheserate, (III) den Beginn und (IV) das Fortschreiten der Blattalterung (Abbildung 1B).

Gene der Kategorie I regulieren verschiedene Aspekte des frühen Wachstums eines Blattes und des Übergangs, um die volle Ausdehnung und Funktionalität zu erreichen. Diese Gene kontrollieren wahrscheinlich Merkmale wie Blattgröße, -form und -anzahl und wurden durch Mutationsanalysen analysiert ( Fleming 2006 Walter et al. 2009 ). Verbesserungen der Photosyntheserate haben in den letzten 50 Jahren nur eine untergeordnete Rolle bei der Steigerung des Ertragspotenzials wichtiger Getreidearten gespielt ( Richards 2000 Long et al. 2006 ). Es wurde jedoch argumentiert, dass eine weitere Steigerung des Ernteertragspotenzials weitgehend auf der Identifizierung von Kategorie-II-Genen beruht, um die Photosyntheserate zu verbessern ( Zhu et al. 2010 Parry et al. 2011 ), insbesondere in Umgebungen mit vorhersehbaren globalen CO .-Erhöhungen2 mit dem Klimawandel verbundenen Niveaus. Die Diskussion dieser beiden Kategorien von Genen würde jedoch den Rahmen dieser Übersicht sprengen. Hier konzentrieren wir uns vor allem auf die Analyse der regulatorischen Gene der Blattseneszenz.

Gene der Kategorie III und IV kontrollieren den Beginn und die Rate der Blattalterung. Die Blattseneszenz wird schließlich eingeleitet und schreitet altersabhängig bei Pflanzen fort, die unter optimalen Bedingungen, mit ausreichender Ernährung und ohne Pathogenangriffe und abiotischen Stress gezüchtet wurden ( Gan und Amasino 1997 Quirino et al. 2000 ). Dies ist ein klarer Hinweis darauf, dass die Blattalterung ein entwicklungsbedingter Prozess ist. In Arabidopsis, einzelne Blätter leben eine identische Lebensdauer ( Hensel und Bleecker 1992, Nooden und Penney 2001 ), was die Verwendung einer solchen Modellpflanze bei der Jagd nach Genen von Altersfaktoren ermöglicht. Ein genetischer Ansatz wurde aktiv verwendet, um die Gene zu analysieren, die den Beginn der Blattalterung regulieren, und zu untersuchen, wie die Wirkung dieser Gene zeitlich in das Entwicklungsprogramm integriert wird. Zu diesem Zweck wurde die fördernde Wirkung des Phytohormons Ethylen auf die Blattseneszenz untersucht, um die Entwicklungskontrolle der Blattseneszenz zu analysieren ( Jing et al. 2002 ). Ein Konzept des Seneszenzfensters wurde vorgeschlagen, um zu veranschaulichen, dass Ethylen die Blattseneszenz nur in einem bestimmten Altersfenster fördern kann und dass mehrere genetische Loci (z ALT (EINSETZEN DES BLATTTODES) Gene) kontrollieren die Auswirkungen von Ethylen auf die Blattalterung (Abbildung 2 Jing et al. 2003 Jing et al. 2005 ). Offensichtlich kann das Seneszenzfenster verwendet werden, um die Wirkung mehrerer Gene und Wege bei der Blattseneszenz zu erklären. In einem Pflanzengenom sind zahlreiche Loci an der Blattseneszenz beteiligt, und es gibt Gene, die als negative Regulatoren fungieren, wie z ALT Gene, sowie Gene, die als positive Regulatoren wirken, wie durch die Isolierung von oresara (Erz) Mutanten von Nam und Mitarbeitern (Oh et al. 1997).

Ein Diagramm, das die Rollen von Ethylen und ALT (Beginn des Blatttodes) Gene in der Blattseneszenz. Die Entwicklung eines Blattes kann in vier Stadien eingeteilt werden, abhängig von ihrer Reaktion auf die Exposition gegenüber exogen aufgebrachtem oder heimisch produziertem Ethylen. „Keine Seneszenz“ zeigt an, dass in dieser Phase Seneszenz nicht durch Ethylen induziert werden kann, wohingegen „Always Seneszenz“ zeigt, dass die Seneszenz auch in Abwesenheit von Ethylen einsetzt. Die Rollen von ALT Gene, die den Beginn und das Fortschreiten der ethyleninduzierten Blattseneszenz modulieren, werden als Hinweis darauf gezeigt, dass viele Gene an der Interaktion zwischen Ethylen und Faktoren des Blattalters beteiligt sind ( Gan 2012 ).

Bisher ist wenig über die Gene der Kategorie IV bekannt, die das Fortschreiten der Blattalterung steuern. Die Tatsache, dass einige kurzlebige Pflanzen ihren Lebenszyklus in wenigen Wochen beenden, die monokarpische Seneszenz in einer Saison abgeschlossen ist und langlebige Gehölze kaum Anzeichen einer Seneszenz zeigen, weist darauf hin, dass Pflanzen sich in ihrer Blattseneszenz unterscheiden. Die Effizienz der Stickstoffremobilisierung ist vielleicht ein guter Parameter, um dieses Thema zu untersuchen ( Ono et al. 2001 Masclaux-Daubresse et al. 2010 ). Autophagie ist seit langem als Schlüsselmaschinerie für das Nährstoffrecycling sowohl bei der umgebenden als auch bei begrenzter Ernährung und während der Seneszenz anerkannt (Bassham 2007 Guiboileau et al. 2012). Agronomische Praktiken wie das Auferlegen einer Bodentrocknung nach der Blüte können die Blattalterung induzieren und die Stickstoffremobilisierung verbessern, und es wäre interessant, die beteiligten Signalkomponenten zu analysieren ( Yang und Zhang 2006 ).

Zusammengefasst glauben wir, dass im Laufe des Lebens eines Blattes viele charakteristische Ereignisse auftreten und dass es notwendig ist, die Funktionalitäten eines Blattes und die damit verbundenen Regulationsprozesse in einem Entwicklungs- und Alterungskontext zu analysieren. Der vorgeschlagene genetische Rahmen, wenn auch rudimentär, könnte helfen, spezifische Kategorien von Genen für die volle Funktionalität der Blätter und die Verbesserung der Ernte zu analysieren.

Ideotypen der Blattalterung: Verzögerung des Beginns der Blattalterung, um die photosynthetische funktionelle Phase zu verlängern, und Beschleunigung der Blattalterung, um die Effizienz der Nährstoffremobilisierung zu verbessern

Es wird vorgeschlagen, dass vier Kategorien von Genen in einem Pflanzengenom als potenzielle Nutzungsziele für die Verbesserung von Nutzpflanzen existieren. Aus Sicht der Blattseneszenzregulation ist es wünschenswert, Nutzpflanzen mit Blattseneszenz-Ideotypen zu entwickeln, bei denen zwei wichtige Aspekte optimiert werden sollten. Zunächst sollten Gene der Kategorie III intensiv erforscht werden, um den Beginn der Blattseneszenz zu verzögern, um die photosynthetische funktionelle Phase zu verlängern. Zweitens sollten auch Gene der Kategorie IV untersucht werden, um die Rate der Blattalterung zu beschleunigen, um die Effizienz der Nährstoffremobilisierung zu verbessern. Es wird erwartet, dass die Manipulation von Genen der Kategorie III die gesamten Netto-Photoassimilate für die Ertragszuwächse erhöht, während die Manipulation von Genen der Kategorie IV den Ernteindex erhöhen soll.

Intuition ist die Verlängerung der photosynthetischen Funktionsphase der einfachste Ansatz zur Steigerung der Gesamtphotoassimilate, des Ernteertrags und der Biomasse. Bei vielen Nutzpflanzen können Variationen in den Funktionen von Genen, die die Empfindlichkeit gegenüber Vernalisation und/oder Photoperiode steuern, die Dauer von der Etablierung der Pflanzen bis zur Blüte erheblich verändern, was zu enormen Unterschieden in Ernteertrag und Biomasse führt, insbesondere bei Mais und Sorghum (Rooney und Aydin 1999 Richards 2000). Die Verlängerung der Photosynthesedauer und die daraus resultierende Ertragssteigerung bei Nutzpflanzen wurde in den letzten Jahrzehnten vor allem durch die genetische Verbesserung der Blattkrankheitsresistenz erreicht, mit der Folge, dass die durch Krankheitserregerangriffe induzierte Blattalterung verzögert wird.Tatsächlich sind viele Gene und Signalwege, die die Blattseneszenz steuern, auch an der Resistenz gegen Krankheiten und der Toleranz gegenüber abiotischem Stress beteiligt. Interessanterweise scheint es eher eine Regel als eine Ausnahme zu sein, dass Gene, die die Stresstoleranz erhöhen, die Blattalterung beeinflussen oder umgekehrt. Beispielsweise zeigten transgene Tabakpflanzen, die ein Isopentenyltransferase-Gen exprimieren, das von einem stress- und reifungsinduzierten Promotor angetrieben wird, eine verzögerte Gesamtalterung der Pflanzen und eine hervorragende Trockenheitstoleranz (Rivero et al. 2007). Bei Sorghum wurden genetische Loci beschrieben, die die durch Dürre verursachte Blattseneszenz nach der Blüte verstärken (Harris et al. 2007). Somit kann die Manipulation einzelner Gene die Blattalterung und damit die Pflanzenproduktivität wesentlich verändern (Gan und Amasino 1995, 1997). In diesem Sinne sollten eine Reihe von positiven und negativen regulatorischen Genen der Blattseneszenz, die in Modellpflanzen gut charakterisiert sind, einschließlich der Mitglieder der WRKY-, NAC- und MYB-Transkriptionsfaktoren, ganz oben auf der Liste des Interesses an einer Nutzung stehen. Theoretisch kann man die positiven Regulatoren (z.B. ERZ Gene) oder überexprimierende negative Regulatoren (z. ALT Gene), könnte möglicherweise den Beginn der Blattalterung modulieren und somit die volle Funktionalitätsphase des Blattes verlängern (Abbildung 1B). Die Tatsache, dass überexprimierende OLD1/CPR5 keine verzögerte Blattseneszenz erzeugt, deutet darauf hin, dass die Beziehung nicht immer einfach ist und eine Feinabstimmung der Genexpression von wesentlicher Bedeutung sein könnte ( Gurr und Rushton 2005 Jing et al. 2007 ). Wir erwarten weitere Beweise, um die Bedeutung der Modulation des Seneszenz-Einsetzens für die Pflanzenzüchtung zu demonstrieren.

Die Nutzung von Genen der Kategorie IV ist ein komplementärer Ansatz, um Ertragssteigerungen durch Modulation der Geschwindigkeit der Blattalterung zu erzielen. Sobald der Beginn der Blattalterung begonnen hat, ist eine hohe Mobilisierungseffizienz erwünscht, insbesondere wenn die Pflanzen mit nach der Blüte ungünstigen Bedingungen konfrontiert sind. Bei Kulturpflanzen können Zuchtlinien unterschiedliche Muster und Raten für die Seneszenzprogression aufweisen ( Hafsi et al. 2000 ). Arabidopsis-Erz und alt Mutanten zeigten unterschiedliche Seneszenzraten zusätzlich zu einem veränderten Beginn der Blattseneszenz (Oh et al. 1997 Jing et al. 2002 Jing et al. 2005). Somit wird auch die Geschwindigkeit der Seneszenz genetisch gesteuert. Eine Erhöhung des Ernteindex ist der Hauptbeitrag zur Ertragssteigerung bei Weizensorten, ohne die gesamte oberirdische Biomasse zu reduzieren ( Richards 2000 ) durch die Selektion auf Zwerggene der Grünen Revolution ( Peng et al. 1999 ). Neue Ansätze sind nun möglich, um die Nährstoffverteilung weiter zu verbessern, wie es die Identifizierung von Pflanzenarchitekturgenen in Reis vorsieht (Jiao et al. 2010). Die Natur und die Wirkungsweise von Genen der Kategorie IV sind jedoch nicht gut bekannt. Jüngste aufregende Fortschritte bei der Rolle der autophagischen Maschinerie beim Abbau von Bulk-Protein und der Stickstoffremobilisierung könnten genetische Werkzeuge zur Regulierung der Seneszenz- und Nährstoffrecyclinggeschwindigkeit liefern ( Wada et al. 2009 Guiboileau et al. 2012 ). Das Weizen GPC-B1 Gen wurde als Schlüsselkomponente bei der Erhöhung des Getreideproteingehalts durch Beschleunigung der Seneszenz ( Uauy et al. 2006 ) und Verbesserung der Stickstoffremobilisierung ( Waters et al. 2009 ) entdeckt. Es wurde jedoch auch festgestellt, dass das Gen die Kornfüllzeit verkürzt und somit das Korntrockengewicht infolge beschleunigter monokarpischer Seneszenz reduziert ( Brevis et al. 2010 ). Mehrere Studien weisen auch darauf hin, dass Gene, die an der Aminosäuresynthese beteiligt sind, für die Geschwindigkeit der Blattalterung und Stickstoffremobilisierung wichtig sind, wie durch die alt3 ( Shirzadian-Khorramabad et al. 2010 ), die ASN2 ( Gaufichon et al. 2012 ) und die GS (Martin et al. 2006 Canas et al. 2010) Gene. Weitere mögliche Angriffsziele sind proteolytische Aktivitäten von Proteinasen ( Otegui et al. 2005 Donnison et al. 2007 ), Senkenkapazität ( Rolletschek et al. 2005 Sanders et al. 2009 ) und die Gesamtregulation des Kohlenstoff- und Stickstoffstoffwechsels (zB DOF1, Yanagisawa ua 2004 PPDK, Taylor ua 2010).

Es ist wichtig zu berücksichtigen, wie die Wirkungen der Gene der Kategorie III und IV synergistisch moduliert werden können. Beweise aus der Pflanzenzüchtung der letzten 50 Jahre zeigen, dass die Verzögerung der Blattalterung zwar zu einer Verlängerung der Photosynthesedauer und damit zu Ertrags- und Biomassegewinnen führt, aber auch die Stickstoffremobilisierung und den Getreideproteingehalt reduziert und infolgedessen Ertragszuwächse unter Stickstoffverbrauch opfert Effizienz und Kornproteinkonzentrationen (Richards 2000 Yang und Zhang 2006). Es besteht die Besorgnis, dass die Selektion auf das Merkmal der verzögerten Blattalterung zu dem Dilemma führen würde, einen erhöhten Ertrag, aber einen reduzierten Getreideproteingehalt zu erzielen. Obwohl zur Lösung des Problems agronomische Managementansätze vorgeschlagen werden ( Yang und Zhang 2006 ), glauben wir, dass eine Feinabstimmung der Aktionen der Gene der Kategorie III und IV das Dilemma beleuchten und somit den Weg ebnen kann für die Pflanzenzüchtung weiter. Tabelle 1 listet eine Reihe gut charakterisierter Gene auf, was darauf hindeutet, dass jetzt reichhaltige Genressourcen für die Nutzung zur Verfügung stehen, um die Kontrolle der Blattalterung zu verbessern.

Klassen Gene Funktionsbeschreibung von Proteinen Spezies Verweise
Regler
Transkriptionsfaktor
AtNAP Bindet an die Promoter-Region von SAG113 Arabidopsis (Guo und Gan 2006 Zhang und Gan 2012)
ER1 Ein Transkriptionsfaktor der NAC-Familie Arabidopsis (Balazadeh et al. 2010)
VNI2 Ein Transkriptionsfaktor der NAC-Familie, reguliert die COR- und RD-Gene Arabidopsis (Yang et al. 2011)
NAM-B1 Beschleunigt die Seneszenz und erhöht die Nährstoffremobilisierung Weizen (Uauy et al. 2006)
NTL4 Fördert die ROS-Produktion Arabidopsis (Leeet al. 2012a)
JUB1 Moduliert zelluläres H2Ö2 Niveau Arabidopsis (Wuet al. 2012)
RAV1 Regulierung der Transkription Arabidopsis (Wooet al. 2010)
GBF1 Ein DNA-bindendes Protein des CAT2-Promotors und erhöht die CAT2-Expression Arabidopsis (Smykowski et al. 2010)
TCP4 Beteiligt an der heterochronen Regulation der Blattdifferenzierung Arabidopsis ( Sarvepalli und Nath 2011 )
TCPs Transkriptionsfaktor-Gene, steuern Jasmonat-Biosynthese und Seneszenz Arabidopsis (Schömmer et al. 2008)
WRKY 54 und WRKY30 WRKY30 interagiert unabhängig mit WRKY54, WRK-Y70 und WRKY53 Arabidopsis (Besseau et al. 2012)
WRKY53 Ein positiver Regulator der Blattalterung Arabidopsis (Miao et al. 2004)
WRKY70 Ein negativer Regulator der Blattalterung Arabidopsis ( Ülker et al. 2007 )
AD-Protein Ein positiver Regulator der WRKY53-Expression Arabidopsis (Miao et al. 2008)
SUVH2 Histonmethyltransferase. Regulieren Sie WRKY53 Arabidopsis (Ay et al. 2009)
AtTZF3,AtTZF2 Zinkfinger-Transkriptionsfaktor Arabidopsis (Leeet al. 2012b)
Enzymregulator
INVINH1 Reduziert die Zellwand-Invertase-Aktivität Arabidopsis, Tomate (Jin et al. 2009)
Proteinkinase/Phosphatase
GmSARK Leucinreiche Repeat-Rezeptor-ähnliche Proteinkinase Sojabohne (Xu et al. 2011)
MKK9,MPK6 Mitogen-aktivierte Proteinkinase Arabidopsis (Zhou et al. 2009)
SAG113 Eine ABA-regulierte und Golgi-lokalisierte Proteinphosphatase Arabidopsis (Zhanget al. 2012)
MEKK1 Ein Mitglied der A1-Untergruppe der MEKK-Familie kann an den Promotor von WRKY53 binden und auch WRKY53 . phosphorylieren in vitro Arabidopsis (Miao et al. 2007)
Signalisierung
vRG2 Ein Repressor der Auxin-Signalisierung Arabidopsis (Lim et al. 2010)
Abwehr und Stress
AtATG6 Abwehrreaktion auf Pilz Arabidopsis ( Patel und Dinesh-Kumar 2008 )
HLW5/ALT1 Abwehrreaktion Arabidopsis (Jing et al. 2007 Jing et al. 2008)
AAF Beteiligt an der Redoxhomöostase Arabidopsis ( Chen et al. 2012a Chen et al. 2012b )
NOL, NYC1 Wirken in Form eines Komplexes als Chlorophyll-b-Reduktase Reis ( Sato et al. 2009 )
Stoffwechselprozess Abbau
OsAkαGal Beteiligt am Abbau von Digalactosyldiacylglycerol Reis (Leeet al. 2009)
RLS1 Ein NB-haltiges Protein mit einer ARM-Domäne Reis (Jiao et al. 2012)
See2β Eine Cystein-Protease Mais (Donnison et al. 2007)
UPL5 UPL5 ist am Abbau von WRKY53 beteiligt und besitzt höchstwahrscheinlich Ubiquitin-Ligase-Aktivität in planta Arabidopsis (Miao und Zentgraf 2010)
ORE9 Ein F-Box-Protein, das am Ubiquitin-abhängigen Proteinabbau beteiligt ist Arabidopsis (Wooet al. 2001)
PPH Phäophytinase, speziell dephytyliert Phäophytin (Phein) Arabidopsis (Schelbert et al. 2009)
SAVs Beteiligt am Abbau von Chloroplastenbestandteilen Tabak (Martinez et al. 2008)
Biosynthese
CAO Katalysiert die Chl b Biosynthese Arabidopsis (Sakuraba et al. 2012a)
OLD3/OAS-A1 Katalysiert den letzten Schritt der Cysteinbiosynthese Arabidopsis ( Shirzadian-Khorramabad et al. 2010 )
PES1,PES2 Beteiligt an der Fettsäure-Phytylester-Synthese Arabidopsis (Lippold et al. 2012)
Transport
Bei CNGC11,12 Zyklische Nukleotid-gesteuerte Ionenkanäle Arabidopsis (Urquhart et al. 2011)
HPR1 Ein Bestandteil des THO/TREX-Komplexes, der für den mRNA-Export benötigt wird Arabidopsis (Panet al. 2012)
IVDH ATP-bindendes Protein, das am Abbau der verzweigtkettigen Aminosäuren beteiligt ist Arabidopsis (Araujo et al. 2010)
ORE3/ORE2/EBF2 Transporteraktivität, ein wichtiger Integrator der Signalwege, die verschiedene Pflanzenreaktionen steuern Arabidopsis ( Oh et al. 1997 Kim et al. 2009 Kim et al. 2011a )
PPDK Erzeugt die Transportaminosäure Glutamin, beschleunigt die Stickstoffremobilisierung aus den Blättern Arabidopsis (Tayloret al. 2010)
SPL28 Ein Clathrin-assoziierter Adapterproteinkomplex 1, mittlere Untereinheit μ1 (AP1M1), der am Post-Golgi-Transportweg beteiligt ist Reis (Qiao et al. 2010)
Katalytisch
AtXDH Katalysieren Sie die Umwandlung der purinkatabolen Produkte Hypoxanthin und Xanthin in Harnsäure Arabidopsis (Brychkova et al. 2008)
DES1 Katalysiert die Entschwefelung von L-Cys zu Sulfid plus Ammoniak und Pyruvat Arabidopsis (Alvarez et al. 2010)
LAP2 Kontrolliert den intrazellulären Aminosäureumsatz Arabidopsis (Waditee-Sirisattha et al. 2011)
YUCCA6 Katalysiert einen geschwindigkeitsbestimmenden Schritt in de novo Auxin-Biosynthese Arabidopsis (Kim et al. 2011b)
UGT76B1 Glucosyltransferase-Aktivität, beteiligt am SA-JA-Signal-Crosstalk Arabidopsis (von Saint Paul et al. 2011)
ATG7 ATP-abhängiges aktivierendes Enzym ATG8 aktivierende Enzymaktivität Arabidopsis ( Dölling et al. 2002 )
APG9 Erhalten Sie die zelluläre Lebensfähigkeit unter nährstoffbegrenzten Bedingungen Arabidopsis ( Hanaoka et al. 2002 )
KAT2 JA-biosynthetisches b-Oxidationsenzym Arabidopsis ( Castillo und Leon 2008 )
D2HGDH Dehydrogenase-Aktivität, beteiligt am Lys-Abbau Arabidopsis (Araujo et al. 2010)
Bindung
ACBP3 Ein Phospholipid-bindendes Protein, das den Membran-Phospholipid-Stoffwechsel und die ATG8-Stabilität moduliert Arabidopsis (Xiao und Chye 2010 Xiao et al. 2010)
SojaBiPD ER-residentes molekulares Chaperon, Überexpression verleiht Trockenheitsresistenz und verzögert die Blattalterung Sojabohne (Valente et al. 2009)
UBA2A, UBA2B und UBA2C RNA-bindende Proteine ​​vom heterogenen nukleären Ribonukleoprotein (hnRNP)-Typ Arabidopsis (Kimet al. 2008)
Struktur
ORE4/PRPS17 Plastides ribosomales kleines Protein der kleinen Untereinheit 17 Arabidopsis (Wooet al. 2002)

Inhalt

Die programmierte Seneszenz scheint stark von Pflanzenhormonen beeinflusst zu werden. Die Hormone Abscisinsäure, Ethylen als Pflanzenhormon Ethylen, Jasmonsäure und Salicylsäure werden von den meisten Wissenschaftlern als Promotoren der Seneszenz akzeptiert, aber mindestens eine Quelle nennt auch Gibberelline, Brassinosteroide und Strigolacton. [2] Cytokinine helfen, die Pflanzenzelle zu erhalten, und die Expression von Cytokinin-Biosynthesegenen spät in der Entwicklung verhindert die Blattalterung. [3] Ein Entzug oder die Unfähigkeit der Zelle, Cytokinin wahrzunehmen, kann dazu führen, dass sie Apoptose oder Seneszenz durchläuft. [4] Darüber hinaus zeigen Mutanten, die Ethylen nicht wahrnehmen können, eine verzögerte Seneszenz. Ein genomweiter Vergleich von mRNAs, die während der dunkelinduzierten Seneszenz exprimiert werden, mit denen, die während der altersbedingten entwicklungsbedingten Seneszenz exprimiert werden, zeigt, dass Jasmonsäure und Ethylen für die dunkelinduzierte (stressbedingte) Seneszenz wichtiger sind, während Salicylsäure für die entwicklungsbedingte Seneszenz wichtiger ist. [5]

Jährliche versus mehrjährige Vorteile Bearbeiten

Einige Pflanzen haben sich zu einjährigen Pflanzen entwickelt, die am Ende jeder Saison absterben und Samen für die nächste hinterlassen, während sich eng verwandte Pflanzen derselben Familie zu mehrjährigen Pflanzen entwickelt haben. Dies kann eine programmierte "Strategie" sein [ Klärung nötig ] für die Pflanzen.

Der Vorteil einer jährlichen Strategie kann in der genetischen Vielfalt liegen, da ein Satz von Genen Jahr für Jahr fortbesteht, aber jedes Jahr eine neue Mischung produziert wird. Zweitens kann die einjährige Pflanze den Pflanzen eine bessere Überlebensstrategie ermöglichen, da die Pflanze den größten Teil ihrer angesammelten Energie und Ressourcen in die Samenproduktion investieren kann, anstatt etwas für die Überwinterung der Pflanze zu sparen, was die Samenproduktion einschränken würde. [ Zitat benötigt ]

Umgekehrt kann die Staudenstrategie manchmal die effektivere Überlebensstrategie sein, da die Pflanze jedes Frühjahr mit Wachstumspunkten, Wurzeln und gespeicherter Energie, die den Winter überlebt haben, einen Vorsprung hat. Bei Bäumen zum Beispiel kann die Struktur Jahr für Jahr aufgebaut werden, so dass die Baum- und Wurzelstruktur größer, stärker und in der Lage wird, mehr Früchte und Samen als im Jahr zuvor zu produzieren und andere Pflanzen um Licht, Wasser, Nährstoffe und Platz. Diese Strategie wird scheitern, wenn sich die Umgebungsbedingungen schnell ändern. Wenn ein bestimmter Käfer schnell den Vorteil ausnutzt und alle fast identischen Stauden tötet, besteht eine weitaus geringere Chance, dass eine zufällige Mutation den Käfer verlangsamt, verglichen mit unterschiedlicheren Einjährigen. [ Zitat benötigt ]

Selbstbeschneiden der Pflanze Bearbeiten

Es gibt eine spekulative Hypothese darüber, wie und warum eine Pflanze einen Teil von sich selbst zum Absterben bringt. [2] Die Theorie besagt, dass Blätter und Wurzeln während der Vegetationsperiode routinemäßig abgeschnitten werden, egal ob sie einjährig oder mehrjährig sind. Dies geschieht hauptsächlich an reifen Blättern und Wurzeln und hat einen von zwei Gründen, entweder sind sowohl die Blätter als auch die Wurzeln, die beschnitten werden, hinsichtlich der Nährstoffaufnahme nicht mehr effizient genug oder dass in einem anderen Teil der Pflanze Energie und Ressourcen benötigt werden, weil dieser Teil der Anlage stockt in der Ressourcenbeschaffung.

  • Schlechte Produktivitätsgründe für den Pflanzenselbstschnitt – die Pflanze beschneidet selten junge, sich teilende meristematische Zellen, aber wenn eine ausgewachsene reife Zelle keine Nährstoffe mehr erhält, die sie aufnehmen sollte, wird sie beschnitten.
    • Gründe für die Triebeffizienz des Selbstschnitts – zum Beispiel muss eine reife Triebzelle vermutlich im Durchschnitt genug Zucker produzieren und genügend Sauerstoff und Kohlendioxid aufnehmen, um sowohl sie als auch eine ähnlich große Wurzelzelle zu unterstützen. Da Pflanzen offensichtlich am Wachsen interessiert sind, kann man argumentieren, dass die "Richtlinie" der durchschnittlichen Sprosszelle darin besteht, "Gewinn zu zeigen" und mehr als genug Zucker und Gase zu produzieren oder zu erwerben, als notwendig ist, um sowohl sie als auch andere zu ernähren ähnlich große Wurzelzelle. Wenn dieser "Gewinn" nicht gezeigt wird, wird die Sprosszelle abgetötet und die Ressourcen werden umverteilt, um andere junge Triebe oder Blätter zu "versprechen", in der Hoffnung, dass sie produktiver sind.
    • Gründe für den Selbstschnitt der Wurzeleffizienz – ähnlich muss eine reife Wurzelzelle im Durchschnitt mehr als genug Mineralien und Wasser aufnehmen, um sie zu unterstützen, und eine ähnlich große Sprosszelle, die kein Wasser und keine Mineralien aufnimmt. Geschieht dies nicht, wird die Wurzel abgetötet und Ressourcen an neue junge Wurzelkandidaten geschickt.
    • Triebknappheit – Wenn ein Trieb nicht genügend aus Wurzeln gewonnene Mineralien und Wasser bekommt, wird er einen Teil seiner selbst abtöten und die Ressourcen an die Wurzel schicken, um mehr Wurzeln zu bilden.
    • Wurzelknappheit – die Idee hier ist, dass, wenn die Wurzel nicht genug Zucker und Gase aus dem Sproß erhält, sie einen Teil von sich selbst abtötet und Ressourcen an den Sproß schickt, um mehr Sproßwachstum zu ermöglichen.

    Dies ist insofern eine zu starke Vereinfachung, als man argumentieren kann, dass einige Spross- und Wurzelzellen andere Funktionen haben, als Nährstoffe aufzunehmen. In diesen Fällen würde die Pflanze anhand anderer Kriterien „berechnet“, ob sie beschnitten sind oder nicht. Es kann auch argumentiert werden, dass zum Beispiel reife, nährstoffaufnehmende Sprosszellen mehr als genug Sprossnährstoffe aufnehmen müssten, um sowohl sie als auch ihren Anteil an Spross- und Wurzelzellen zu unterstützen, die keinen Zucker und keine Gase aufnehmen, unabhängig davon, ob sie strukturell sind , reproduktive, unreife oder einfach nur Wurzelnatur.

    Die Idee, dass eine Pflanze keine Effizienzanforderungen an unreife Zellen stellt, ist, dass die meisten unreifen Zellen Teil der sogenannten ruhenden Knospen in Pflanzen sind. Diese werden klein und nicht teilend gehalten, bis die Pflanze sie braucht. Sie finden sich in Knospen, zum Beispiel an der Basis jedes Seitentriebs.

    Theorie der hormonellen Induktion der Seneszenz Bearbeiten

    Es gibt wenig Theorie darüber, wie Pflanzen sich selbst zur Seneszenz anregen, obwohl es allgemein anerkannt ist, dass ein Teil davon hormonell erfolgt. Pflanzenwissenschaftler konzentrieren sich im Allgemeinen auf Ethylen und Abscisinsäure als Schuldige in der Seneszenz, vernachlässigen jedoch Gibberellin und Brassinosteroid, die das Wurzelwachstum hemmen, wenn sie nicht einen tatsächlichen Wurzelschnitt verursachen. Dies liegt vielleicht daran, dass die Wurzeln unter der Erde liegen und daher schwerer zu untersuchen sind.

    1. Triebschnitt – Es ist mittlerweile bekannt, dass Ethylen viel stärker zum Abwurf von Blättern führt als Abscisinsäure. ABA erhielt seinen Namen ursprünglich, weil entdeckt wurde, dass es eine Rolle bei der Blattabspaltung spielt. Seine Rolle wird heute als untergeordnet angesehen und tritt nur in besonderen Fällen auf.
      • Hormonelle Triebbeschneidungstheorie – eine neue einfache Theorie besagt, dass, obwohl Ethylen für den letzten Akt des Blattabwurfs verantwortlich sein kann, es ABA und Strigolactone sind, die aufgrund eines weglaufenden positiven Rückkopplungsmechanismus die Seneszenz in den Blättern induzieren. [2] Was angeblich passiert ist, dass ABA und Strigolactone von meist reifen Blättern unter Wasser und/oder Mineralstoffmangel freigesetzt werden. Die ABA und Strigolactone wirken jedoch in reifen Blattzellen, indem sie Mineralien, Wasser, Zucker, Gase und sogar die Wachstumshormone Auxin und Cytokinin (und möglicherweise zusätzlich Jasmon- und Salicylsäure) verdrängen. Dies führt dazu, dass noch mehr ABA und Strigolactone hergestellt werden, bis dem Blatt alle Nährstoffe entzogen sind. Wenn die Bedingungen in der entleerenden reifen Blattzelle besonders schlecht werden, kommt es zu Zucker- und Sauerstoffmangel und so zu Gibberellin und schließlich zur Ethylenemanation. Wenn das Blatt Ethylen wahrnimmt, weiß es, dass es Zeit zum Ausschneiden ist.
    2. Wurzelschnitt – das Konzept, dass Pflanzen die Wurzeln auf die gleiche Weise beschneiden, wie sie Blätter abschneiden, ist unter Pflanzenwissenschaftlern kein gut diskutiertes Thema, obwohl das Phänomen zweifellos existiert.Wenn Gibberellin, Brassinosteroid und Ethylen bekannt sind, das Wurzelwachstum zu hemmen, braucht es nur ein wenig Vorstellungskraft, um anzunehmen, dass sie die gleiche Rolle spielen wie Ethylen im Spross, also auch die Wurzeln zu beschneiden.
      • Theorie des hormonellen Wurzelschnitts – in der neuen Theorie werden GA, BA und Eth ebenso wie Ethylen durch Zuckermangel (GA/BA) und Sauerstoffmangel (ETH) induziert (sowie möglicherweise übermäßige Mengen an Kohlendioxid für Eth) in den Wurzeln, und um Zucker und Sauerstoff sowie Mineralien, Wasser und die Wachstumshormone aus der Wurzelzelle zu drücken, was zu einer positiven Rückkopplungsschleife führt, die zur Entleerung und zum Tod der Wurzelzelle führt. Der letzte Todesstoß für eine Wurzel könnte Strigolacton oder höchstwahrscheinlich ABA sein, da dies Indikatoren für Substanzen sind, die in der Wurzel reichlich vorhanden sein sollten und wenn sie sich nicht einmal mit diesen Nährstoffen selbst versorgen können, sollten sie abgesenkt werden.
    3. Parallelen zur Zellteilung – die Theorie, vielleicht noch kontroverser, behauptet, dass sowohl Auxin als auch Cytokinin benötigt werden, bevor sich eine Pflanzenzelle teilt, ebenso wie möglicherweise zuvor Ethylen und GA/BA (und ABA und Strigolactone) benötigt werden eine Zelle würde seneszieren.

    Die Samenkeimungsleistung ist ein wesentlicher Faktor für den Ernteertrag. Eine Verschlechterung der Samenqualität mit zunehmendem Alter ist mit einer Anhäufung von DNA-Schäden verbunden. [6] In trockenen, alternden Roggensamen treten DNA-Schäden mit Verlust der Lebensfähigkeit der Embryonen auf. [7] Trockene Samen von Vicia Faba akkumulieren mit der Zeit bei der Lagerung DNA-Schäden und durchlaufen nach der Keimung eine DNA-Reparatur. [8] In Arabidopsis, wird eine DNA-Ligase zur Reparatur von DNA-Einzel- und -Doppelstrangbrüchen während der Samenkeimung verwendet, und diese Ligase ist eine wichtige Determinante für die Langlebigkeit der Samen. [9] In Eukaryoten wird die zelluläre Reparaturreaktion auf DNA-Schäden teilweise durch die DNA-Schadens-Checkpoint-Kinase ATM orchestriert. ATM spielt eine wichtige Rolle bei der Kontrolle der Keimung von gealterten Samen, indem es das Fortschreiten durch Keimen mit der Reparaturreaktion auf DNA-Schäden integriert, die sich während des trockenen Ruhezustands angesammelt haben. [10]


    Die Mannschaft

    Führungskraft

    Professor Lorna Harrys

    Lorna leitet das F&E-Team bei SENISCA und zielt auf altersbedingte Veränderungen beim alternativen Spleißen als neuartiges und medikamentöses Kennzeichen des Alterns ab. Neben ihrer CSO-Rolle bei SENISCA hat Lorna einen persönlichen Lehrstuhl für Molekulare Genetik an der University of Exeter Medical School inne, wo sie die Gruppe RNA-vermittelte Krankheitsmechanismen leitet.

    Lorna hat über 135 von Experten begutachtete Veröffentlichungen im Bereich RNA, Alterung und Seneszenz verfasst. Sie ist regelmäßig eingeladene und Hauptrednerin bei internationalen Konferenzen und ist derzeit als Sekretärin der British Society for Research on Ageing tätig.

    Dr. Ben Lee

    Ben ist der technische Leiter und Laborleiter von SENISCA.

    Bevor er zu SENISCA kam, war Ben technischer Spezialist für die RNA-vermittelte Mechanisms of Disease Group an der University of Exeter Medical School, wo seine Arbeit auf dem Gebiet des Alterns und des alternativen Spleißens zur Charakterisierung der RNA-Regulierung als neuartiges Kennzeichen des Alterns beitrug.

    Ben ist Autor von mehr als einem Dutzend von Experten begutachteter Veröffentlichungen im Bereich Altern und Seneszenz und hat kürzlich das von Innovate UK finanzierte ICURe-Programm abgeschlossen.

    Kirsty Semple

    Kirsty ist die kaufmännische, Finanz- und Investitionsleitung bei SENISCA. Sie ist eine versierte Chief Executive Officer mit über 20 Jahren Erfahrung auf Konzernvorstandsebene bei der Maximierung der Rentabilität und Leistung in wachstumsstarken Unternehmen in Europa, Asien und Nordamerika.

    Kirsty hat eine Ausbildung zur Management Consultant bei KPMG London und ist eine preisgekrönte Absolventin der Zellphysiologie der Universität Edinburgh.

    Forschungsgruppe

    Helen Morcrette

    Nach ihrem Abschluss mit einem BSc (Hons) in Biochemie an der University of Warwick arbeitete Helen 4 Jahre als wissenschaftliche Mitarbeiterin für Prof. Sir Peter Ratcliffe am Wellcome Trust Center for Human Genetics, University of Oxford, dessen Forschung sich auf das Verständnis der Mechanismen konzentrierte durch die Zellen Hypoxie wahrnehmen und signalisieren. Vor ihrer Tätigkeit bei SENISCA arbeitete Helen 8 Jahre im Labor von Prof. Rick Titball an der University of Exeter, wo sie die Molekularbiologie bakterieller Krankheitserreger von Mensch und Tier untersuchte, mit einem starken Schwerpunkt auf der Erforschung von Impfstoffen gegen Infektionskrankheiten. Bei SENISCA ist Helen Teil des Wet-Lab-Forschungs- und Entwicklungsteams, das mit der Validierung unserer neuartigen Senotherapeutika in mehreren verschiedenen Modellsystemen beauftragt ist.

    Ling Li

    Ling erhielt ihren MSc in Biochemie und ihren Doktortitel an der University of Bristol bei Dr. Sebastian Oltean, wo sie ein besonderes Interesse an der Modulation alternativer Spleißregulatoren während der EMT bei der Krebsprogression entwickelte. Während ihrer Promotion interessierte sich Ling zunehmend für den Nachweis von EGFR-Mutationen im Plasma und Urin von NSCLC-Patienten und arbeitete daher weiterhin als Postdoc bei Dr. Sebastian Oltean an der University of Exeter. Bei SENISCA ist Ling Teil des Wet-Lab-Forschungs- und Entwicklungsteams, das mit der Validierung unserer neuartigen Senotherapeutika in mehreren verschiedenen Modellsystemen beauftragt ist.

    Jemma Dunn

    Nach ihrem Bachelor in Biowissenschaften an der University of the West of England promovierte Jemma in Neuroonkologie an der University of Plymouth, wo sie globale proteomische und phosphoproteomische Analysen des häufigsten primären intrakraniellen Tumors, des Meningeoms, durchführte. Als Postdoc hat Jemma die Transkriptom-Proteom-Landschaft des Meningeoms detailliert, um vielversprechende Transkripte/Proteine ​​für die gezielte Behandlung von Meningeomen zu identifizieren und diese Kandidaten experimentell zu validieren. Bei SENISCA ist Jemma Teil des Wet-Lab-Forschungs- und Entwicklungsteams, das mit der Validierung unserer neuartigen Senotherapeutika in mehreren verschiedenen Modellsystemen beauftragt ist.

    Katy Knight

    Katy schloss ihr Studium an der University of Exeter mit einem BSc in Medical Imaging und einem MSc in Bioinformatik ab. Anschließend promovierte Katy mit bioinformatischen Methoden, um biotechnologisch wichtige mikrobielle Gemeinschaften zu untersuchen. Nachdem sie ein äußerst lohnendes Jahr im Pflegesektor verbracht hatte, kehrte sie als Research Fellow in Bioinformatik an die University of Exeter zurück und untersuchte Mikroorganismen, die für die Biokraftstoffindustrie von Interesse sind. Katy hat ein besonderes Interesse an der Verwendung der Long-Read-Sequenzierungstechnologie von Oxford Nanopore für die genomische und transkriptomische Analyse molekularer Unterschiede in seneszenten und nicht seneszenten Zellen. Bei SENISCA umfasst Katys Rolle die Analyse von Oxford Nanopore-Sequenzierungsdaten, um transkriptomische Unterschiede zwischen seneszenten und nicht seneszenten Zellen zu entdecken.

    Nicky Jeffery

    Nicky absolvierte einen BSc in Medizinwissenschaften an der University of Exeter und erhielt eine erste Auszeichnung und die Belobigung des Dekans, bevor er bei Professor Lorna Harries promovierte. Nickys Forschung hat Veränderungen im Schicksal von Betazellen bei Typ-2-Diabetes identifiziert und ihr besonderes Interesse gilt dem Verständnis, wie Lebensstilfaktoren die Krankheit auf zellulärer und molekularer Ebene beeinflussen. Als Postdoktorandin setzte Nicky ihre Arbeit auf dem Gebiet der Betazelldifferenzierung und des Zellschicksals fort und erforschte genomweite Reaktionen auf die Arten von Zellstress, die bei Typ-2-Diabetes auftreten. Bei SENISCA ist Nicky Teil des Wet-Lab-Forschungs- und Entwicklungsteams, das mit der Validierung unserer neuartigen Senotherapeutika in mehreren verschiedenen Modellsystemen beauftragt ist.

    Connor Hebborn

    Connor erhielt einen 1. Platz in biomedizinischen Wissenschaften von der Bangor University, wo sich seine Doktorarbeit auf DNA-Reparaturwege und ihre Rolle bei der Chemotherapieresistenz konzentrierte. Anschließend studierte Connor Msc Molecular Biology and Biotechnology an der University of Sheffield, wo er sich in seiner Dissertation mit der Rolle von hnRNPUL1 beim mRNA-Export und den Erregern der Amyloid-Lateralsklerose beschäftigte. Nach seinem Studium arbeitete er als Assistant Genetic Technologist am Exeter Genomics Laboratory, bevor er zu SENISCA kam.

    Anna Bennett

    Anna hat vor kurzem ihren BA Modern Languages ​​an der University of Exeter mit den Studiengängen Spanisch, Deutsch und Britische Gebärdensprache abgeschlossen. Während dieser Zeit arbeitete sie im Ausland für das Hamburger Institut für Berufliche Bildung und den British Council in Hamburg, wo sie Englisch für deutsche Studenten unterrichtete. Anna ist für den reibungslosen Ablauf der Support-Services für die SENISCA-Büros verantwortlich. Sie beaufsichtigt das Tagesgeschäft der Finanz-, Personal- und anderen Verwaltungsdienste und unterstützt das Führungsteam bei allen kommerziellen und Forschungsprojekten.


    Erweiterung der Taxonomie der zellulären Seneszenz beim Altern

    Zellen treten während des gesamten Lebens ständig in einen seneszenten Zustand ein, hauptsächlich weil sie die Hayflick-Replikationsgrenze erreicht haben, aber auch aufgrund von molekularen Schäden, Krebsmutationen, Gewebeverletzungen, Strahlung oder anderen Ursachen. Eine seneszente Zelle hört auf zu replizieren, schwillt an und beginnt eine Mischung aus Entzündungssignalen, Wachstumsfaktoren und anderen Molekülen abzusondern.

    Bildnachweis: Pixabay (Kostenlose Pixabay-Lizenz)

    Fast alle seneszenten Zellen werden schnell zerstört, entweder durch programmierten Zelltod oder durch das Immunsystem, aber dies ist im späteren Leben nicht mehr der Fall. Verweilende seneszente Zellen sammeln sich an, und Signale, die kurzfristig hilfreich sind, um Krebs zu unterdrücken oder die Heilung von Verletzungen zu unterstützen, werden auf lange Sicht störend und schädlich. Seneszente Zellen tragen sinnvoll zu altersbedingten chronischen Entzündungen, Gewebedysfunktionen und Krankheiten bei.

    Die Biochemie der Seneszenz ist nicht so gut verstanden und katalogisiert, wie man es von einem Phänomen erwarten könnte, das seit Jahrzehnten in einem Kontext in einem anderen untersucht wird. Erst in den letzten zehn Jahren wurde der Zusammenhang mit dem Altern von der breiteren Forschungsgemeinschaft akzeptiert, aber jetzt erforschen sehr viele Forschungsgruppen die Biologie der Seneszenz auf der Suche nach Wegen, das schlechte Verhalten dieser Zellen zu unterdrücken oder selektiv zu zerstören. Letztere Option erscheint als Therapiegrundlage sehr gut möglich, da es im Körper auch im hohen Alter nie sehr viele dieser Zellen gibt und die selektive Zerstörung durch senolytische Behandlungen das Leben verlängert und zahlreiche Manifestationen altersbedingter Erkrankungen rückgängig macht in Mäusen.

    Die heutigen Forschungsmaterialien sind ein interessantes Beispiel für laufende Arbeiten, die zu einer Taxonomie des Seneszenzzustands führen können. Es ist wahrscheinlich, dass verschiedene Gewebe und Zelltypen bedeutende Unterschiede in der Biochemie alternder Zellen aufweisen. Darüber hinaus scheint es, dass Seneszenz kein pauschales Einzelphänomen ist, sondern vielmehr zwischen verschiedenen Stadien oder Phänotypen der Seneszenz unterschieden werden kann. Es bleibt mit großer Strenge zu bestimmen, wie Zellen bestimmen, welche Art von Seneszenz sie annehmen oder wie sie zwischen den Zuständen innerhalb der Seneszenz wechseln oder wie dieses Wissen angewendet werden könnte, um eine Verjüngung durch gezieltes Targeting seneszenter Zellen zu verbessern.

    Forscher haben vorgeschlagen, dass Veränderungen der zellulären Seneszenz während des Alterungsprozesses zur Kontrolle der Gesundheit und dem Auftreten altersbedingter Krankheiten führen könnten. Basierend auf den Eigenschaften der Sekretion von entzündlichen Zytokinen, die von gealterten Zellen freigesetzt werden, stellen sie die Hypothese auf, dass es mindestens vier verschiedene Stadien der zellulären Seneszenz gibt und dass diese vier Stadien aus koordinierten metabolischen und epigenomischen Veränderungen resultieren. Die Zustände: 1. Initiation (Proliferationsstillstand), 2. früh (entzündungshemmend), 3. voll (erhöhte Entzündung und Stoffwechsel) und 4. spät (verminderte Entzündung und Stoffwechsel). Die Charakterisierung und Kategorisierung qualitativ unterschiedlicher Stadien der zellulären Seneszenz könnte ein neues Verständnis des Alterungs- und Seneszenzprozesses ermöglichen.

    Viele der Zellen, aus denen der Körper besteht, verlieren schließlich an Funktion und hören nach wiederholter Teilung auf zu wachsen, was als „zelluläre Seneszenz“ bezeichnet wird und ein wichtiger Faktor für Gesundheit und Langlebigkeit ist. Eine vorzeitige Seneszenz tritt auf, wenn genomische DNA durch Stressoren wie Strahlung, ultraviolettes Licht oder Medikamente geschädigt wird, aber ihre Mechanismen sind noch nicht vollständig verstanden. Es kann gut sein, wie wenn Zellen zu Krebs werden, zelluläre Seneszenz wirkt, um die Entwicklung von Malignität zu verhindern, aber es erhöht auch die Wahrscheinlichkeit vieler altersbedingter Krankheiten. Daher ist es für die medizinische Wissenschaft wichtig, zu versuchen, sie zu verstehen und zu kontrollieren.

    Obwohl seneszente Zellen ihre Fähigkeit zur Proliferation verlieren, haben neuere Forschungen gezeigt, dass sie verschiedene Proteine ​​sezernieren, die auf umliegende Zellen einwirken und chronische Entzündungen und das Wachstum von Krebszellen fördern. Dies wird als Seneszenz-assoziierter sekretorischer Phänotyp (SASP) bezeichnet. Es wird angenommen, dass die zelluläre Seneszenz die Ursache für die Alterung des gesamten Körpers ist. Es wurde gezeigt, dass sich alternde Zellen im Körper von gealterten Mäusen anreichern, und die Entfernung dieser Zellen kann die Alterung des ganzen Körpers unterdrücken. Mit anderen Worten, wenn die zelluläre Seneszenz kontrolliert wird, kann es möglich werden, den Alterungsprozess des gesamten Körpers zu regulieren.

    Die zelluläre Seneszenz umfasst mindestens vier unterscheidbare Zustände in chronologischer Reihenfolge (Initiation sowie frühe, vollständige und späte Seneszenz), die insbesondere nach Stoffwechsel- und SASP-Merkmalen klassifiziert werden. Unter der Wirkung von seneszenzinduzierendem Stress verursachen die p53–p21 CIP1 und p16 INK4a –Retinoblastom (RB)-Wege einen Zellzyklusarrest bei Seneszenz-Initiation. In der frühen Seneszenz wird Transforming Growth Factor (TGF)β möglicherweise zur entzündungshemmenden Abwehr zumindest teilweise über den Notch1-vermittelten Signalweg (TGFβ SASP) mit zunehmenden morphologischen Veränderungen wie einer vergrößerten Zellgröße produziert.

    Dann, in voller Seneszenz, liefert die metabolische Aktivierung viele Metaboliten, zelluläre Energie und reaktive Sauerstoffspezies, die die Seneszenz-Progression mit Sekretion von proinflammatorischen Zytokinen wie IL-6 und IL-8 (proinflammatorische SASP) beschleunigen. Die Spiegel von proinflammatorischem SASP neigen dazu, bei onkogeninduzierter Seneszenz hoch und bei replikativer Seneszenz niedrig zu sein. Mikroskopisch zeigen vollständig seneszente Zellen oft cytoplasmatische SA-β-Gal-Positivität und nukleäres SAHF.

    Schließlich kommt es in der späten Seneszenz zu Interferonsekretion und metabolischem Rückgang (Interferon-SASP). In der vollständigen bis späten Seneszenz aktiviert die Akkumulation zytoplasmatischer DNAs den zyklischen GMP-AMP-Synthase-Stimulator der Interferongene (cGAS-STING) für die zytosolische DNA-Erfassung und die Interferon-Antwort. Somit gibt es mindestens vier verschiedene Stadien der zellulären Seneszenz, was darauf hindeutet, dass seneszente Zellen unterschiedlich metabolische und sekretorische Phänotypen aufweisen.


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    Das Leben im Weltraum ist mit zahlreichen gesundheitlichen Problemen verbunden. Der Verlust von Muskelmasse und Knochendichte (siehe hier, hier und hier) bei Astronauten erhält viel Pressearbeit, aber die Strapazen der Raumfahrt führen im Allgemeinen zu einer Reihe von physiologischen, genetischen, epigenetischen, transkriptomischen und metabolischen Veränderungen beim Menschen Körper, ganz zu schweigen von den psychischen Belastungen des Lebens in einer so lebensfeindlichen Umgebung. Interessanterweise imitieren viele körperliche Symptome, die Astronauten erleben, die Alterserscheinungen älterer Menschen auf der Erde: zum Beispiel ein erhöhtes Risiko für Herz-Kreislauf-Erkrankungen und verschiedene Krebsarten. Diese Trends wurden im Allgemeinen bei Astronauten an Bord der ISS beobachtet.

    Um die Veränderungen der menschlichen Gesundheit während der Raumfahrt zu erforschen, haben die NASA und ihre Partnerorganisationen auf der ISS verschiedene Labore eingerichtet, die in der Lage sind, die Gesundheit von Astronauten vor Ort zu analysieren. Während die Forscher tiefer in die molekularen Ursachen von Krankheiten im Zusammenhang mit der Raumfahrt eintauchen, entwickeln sich diese Labore weiter, um die molekularbiologische Forschung zu erleichtern. Wollten NASA-Wissenschaftler in den letzten Jahren beispielsweise Veränderungen in der Expression eines Satzes von Genen im Verlauf einer Weltraummission analysieren, mussten während des Fluges Blutproben von Astronauten entnommen, eingefroren und dann wieder nach unten transportiert werden zur Erde zur Analyse Die ISS-Labors sind derzeit nicht für fortgeschrittene biomolekulare Forschung ausgestattet. Für komplexere Langzeitstudien wären mehrere Flüge von und zur ISS erforderlich. Dies stellt offensichtlich einen finanziellen und technischen Engpass für die fortschrittliche Forschung zur Gesundheit von Astronauten dar, und es ist ein Problem, zu dessen Lösung der Wettbewerb Genes in Space beiträgt.

    Im Laufe der Entwicklung der Laborwissenschaft im Weltraum – verschiedene russische Raumstationen, eine chinesische Raumstation, das Skylab der NASA und jetzt die ISS – hat die Nachfrage nach außerirdischen Analysen der Gesundheit von Astronauten eine Art Heimarbeit hervorgebracht, die auf der von Astronauten an Astronauten durchgeführten Forschung basiert im niedrigen Erdorbit. In gewisser Weise sind die Herausforderungen, die Wissenschaft aus den planetarischen akademischen Labors in den Weltraum zu bringen, nicht unähnlich den Herausforderungen, mit denen DIYbio-Enthusiasten konfrontiert sind, die versuchen, die Wissenschaft aus diesen abgeschotteten Forschungsgebieten herauszubringen, zu denen Universitäten und Biotech-Unternehmen gehören. Funktionalität, Portabilität, Zugänglichkeit und Kosteneffizienz sind die wichtigsten Eigenschaften von Laborgeräten, die auf die ISS gebracht werden. Viele Standard-Laborgeräte funktionieren in der Schwerelosigkeit einfach nicht. Und dennoch wird Amerikas eigenes Weltraumlabor, das ISS National Laboratory, jeden Tag aufgerüstet. Kürzlich wurde beispielsweise das National Lab für die Versorgung von Nagetieren ausgestattet Astronauten haben versucht, Mäuse als Modellsystem zu entwickeln, um die menschliche Gesundheit während der Raumfahrt zu untersuchen.

    Als ich mich also für den nationalen Wettbewerb Genes in Space (zusammen mit Hunderten anderer Gymnasiasten) bewarb, wurde ich eingeladen, eine Reihe von molekularbiologischen Experimenten vorzuschlagen, die im ISS National Lab durchgeführt werden könnten und bei der Beantwortung einiger dieser Fragen helfen könnten die dringendsten Fragen zur menschlichen Gesundheit im Weltraum. Die Einladung kam natürlich mit einer einzigartigen Reihe von Einschränkungen. Die vorgeschlagenen Experimente mussten originell und wissenschaftlich relevant sein, aber sie mussten auch durchführbar sein. Sie konnten keine neueren, populärwissenschaftlichen Techniken wie Nukleinsäuresequenzierung oder Durchflusszytometrie anwenden, weil das National Lab einfach nicht über die erforderliche Ausrüstung verfügt. Als ich meinen Vorschlag entwickelte, habe ich versucht, darüber nachzudenken, woran aktuelle Weltraumwissenschaftler im Hinblick auf die Gesundheit von Astronauten interessiert sind und welche Experimente ich vorschlagen könnte, die ihre Forschung beschleunigen und vereinfachen würden, wenn sie durchgeführt würden.

    Ich entschied mich, meinen Vorschlag auf das Studium menschlicher Telomere – lebenswichtige Schutzkappen an den Spitzen von Chromosomen – im Weltraum zu konzentrieren. Abnormale Telomerlängen, ob zu lang oder zu kurz, wurden mit einer bemerkenswerten Anzahl von menschlichen Erkrankungen in verschiedenen Geweben in Verbindung gebracht. Wenn die Telomere kritisch kurz werden, treten die Zellen im Allgemeinen in einen Seneszenzzustand ein, in dem die Zellteilung aufhört. Wenn der menschliche Körper altert, bauen sich seneszente Zellen auf natürliche Weise in verschiedenen Geweben auf. Die Zusammenhänge zwischen physiologischem Stress und abweichender Regulierung der Telomerlänge sind gut dokumentiert. Wissenschaftler gehen davon aus, dass die Belastungen, die Astronauten während der Raumfahrt erfahren, wie schlechte Schlafqualität, unzureichende Ernährung, Mikrogravitation und kosmische Strahlung, zu Veränderungen der Telomerdynamik während Weltraummissionen und damit zu gewebespezifischer Seneszenz und Krankheitssymptome.Diese Hypothese wird derzeit von der laufenden NASA-Twins-Studie getestet, einer umfassenden Analyse der Veränderungen, die im Körper des Astronauten Scott Kelly im Laufe von fast einem Jahr im Weltraum aufgetreten sind.

    Da die Ressourcen des ISS National Lab so spärlich sind, ist der Bedarf an Werkzeugen für die Forschung fast dringender als die Forschung selbst. Bei der Entwicklung meines Vorschlags beschäftigte ich mich hauptsächlich mit der Messung von Änderungen der Telomerdynamik. Ich schlug die In-Space-Validierung eines Assays vor, der die traditionelle Polymerase-Kettenreaktion (PCR) verwendet, um Änderungen der Telomerlängen zu messen. Der Assay, den ich verwenden möchte, wurde entwickelt, um Telomerlängen auf der Erde durch Amplifikation und Visualisierung zu messen (Abbildung 1-1), ist aber – mit spezifischen Modifikationen – einzigartig für den Einsatz auf der ISS geeignet.

    Abbildung 1-1. Die Einzeltelomerlängenanalyse, STELA, ist eine auf Ligations-PCR basierende Methode zur Messung der Telomerlänge (aus Bendix et al., 2010.) 1

    Ein Teil des Vorschlags bestand jedoch darin, sich vorzustellen, wie andere auf meinen Experimenten nach deren Abschluss aufbauen könnten. Mit der großzügigen Unterstützung meines Mentors Deniz Atabay, einem Doktoranden in Neurobiologie am MIT, entwarf ich an Bord der ISS eine hypothetische Studie der Telomerdynamik in einem menschlichen organoiden Modellsystem, kultivierten menschlichen Zellen, die in der Lage sind, primitive Organstrukturen zu bilden. Das Design nutzte bestimmte Organoide – Myokard-Organoide zum Beispiel ahmen die Form des Herzens nach – die auf der ISS über lange Zeiträume kultiviert werden konnten. In regelmäßigen Abständen könnten DNA-Proben aus den organoiden Kulturen entnommen und die Telomerlängen mit dem geeigneten Assay bestimmt werden. Eine solche Untersuchung würde es Forschern ermöglichen, Fragen zu Veränderungen der Regulierung der Telomerlänge in verschiedenen menschlichen Geweben und Organsystemen in Echtzeit vor Ort zu beantworten.

    Im Juni 2016 reiste ich nach San Diego, um an der ISS Research and Development Conference, meiner ersten wissenschaftlichen Konferenz, teilzunehmen. Dort präsentierte ich meinen Vorschlag einer Jury und wurde zum Gewinner des Genes in Space-Wettbewerbs gewählt. Meine Experimente, die ich seit meiner Rückkehr von der Konferenz vorbereitet habe, sollen Ende März 2017 zur ISS starten. Dort werden sie ausgepackt und von einem Astronauten ausgeführt.

    Für mich und, denke ich, viele andere Gymnasiasten ist Genes in Space insofern einzigartig, als das primäre Ziel nicht darin besteht, bereits geleistete Arbeit des Schülers zu belohnen, sondern dem Schüler die Möglichkeit zu geben, den Umfang zu erweitern und die Bedeutung von zu erhöhen seine oder ihre Arbeit, indem er sie an die ISS schickt. Es ist eine Gelegenheit, die meistens nur Regierungswissenschaftlern in der späten Karriere zur Verfügung steht.

    Der Wert dieser Gelegenheit wird widersinnigerweise durch den Stand der Laborforschung auf der ISS noch verstärkt. Trotz der großen Nachfrage nach wissenschaftlichen Daten, die an Bord der Raumstation gewonnen wurden, befindet sich die Molekularbiologie im Weltraum aufgrund der Schwierigkeiten bei der Durchführung von Experimenten im Orbit noch in einem sehr frühen Stadium. Infolgedessen kann ein Gymnasiast, so unwirklich dies zunächst für mich klang, auf legitime und bedeutende Weise zur Mainstream-Wissenschaft beitragen. Die erste Polymerase-Kettenreaktion, der Assay, auf dem die gesamte Molekularbiologie basiert, wurde im Weltraum durchgeführt und wurde von Anna-Sophia Boguraev, der Gewinnerin von Genes in Space 2015, entwickelt. Meine Experimente werden die Fähigkeit zweier DNA-Polymerasen testen, hochrepetitive Nukleotidsequenzen im Orbit zu amplifizieren. Sie werden auch die erste kolorimetrische Schleifen-vermittelte isotherme Amplifikation von DNA (LAMP) beinhalten, die jemals im Weltraum durchgeführt wurde. Genes in Space ermöglichte mir den Sprung von meiner persönlichen naturwissenschaftlichen Ausbildung hin zum wirklichen Fortschritt menschlichen Wissens und Fähigkeiten. Die Neuheit davon kann nicht genug betont werden.

    1 Bendix, Laila, Peer Bendix Horn, Uffe Birk Jensen, Ivica Rubelj und Steen Kolvraa. “Die Last von kurzen Telomeren, geschätzt durch eine neue Methode, Universal STELA, korreliert mit der Anzahl der seneszenten Zellen.” Aging Cell 9.3 (2010): 383-97. Netz.


    5 SCHLUSSFOLGERUNGEN UND ZUKÜNFTIGE RICHTLINIEN

    Wie wir in diesem Artikel zusammengefasst haben, gibt es zwingende Beweise dafür, dass die Rolle der Seneszenz nicht mehr auf den Kontext von Stress und Zellschäden beschränkt ist. In peripheren Geweben und teilweise im Gehirn kommt es bei der Regulierung sowohl physiologischer als auch pathologischer Zustände vor. Auch wenn sein Vorkommen im ZNS allmählich aufgeklärt wird, könnte das Zusammenspiel zwischen Immunzellen (insbesondere Zellen des angeborenen Immunsystems) und Seneszenz der gemeinsame Nenner in seinen verschiedenen Facetten sein (Abbildung 1). Während der Gehirnentwicklung scheint eine große Anzahl von Immunmolekülen, die zu SASP gehören, an verschiedenen Aspekten des „Gehirnaufbaus“ beteiligt zu sein, wie z. Tatsächlich ist die Seneszenz und die damit verbundene SASP-Reaktion kein singulärer Zustand und ihr endgültiges Ergebnis kann von mehreren Faktoren beeinflusst werden. Viele von ihnen sind die besonderen molekularen und zellulären Sensoren der Mikroumgebung des Gewebes, die die Seneszenz sowohl in Gegenwart externer Stressoren, die DNA-Schäden und ROS-Produktion verursachen, als auch im Kontext von Entwicklung und Alterung auslösen, mit dem Ziel, den Umbau und die Reparatur von Gewebe zu fördern. Im pathologischen Kontext wäre es notwendig zu verstehen, ob die Seneszenz, die in Gehirnzellen während der verschiedenen Neuropathologien beobachtet wird, Teil ihrer Ätiologie ist und ihr Fortschreiten unterstützt oder ihr Auftreten eine Folge derselben Krankheit ist. Aus molekularer Sicht könnten die Erkennungsmechanismen von DNA und Stressmolekülen, die SASP regulieren, eine mutmaßliche Rolle spielen. Die Seneszenzinduktion könnte zuerst als schützende Reaktion auf innere und umweltbedingte Stressoren ausgelöst werden, die während des Lebens auftreten, aber wenn sie über die Zeit anhält oder nicht richtig reguliert wird, könnte sie das Aufkommen von Krankheiten und anderen nachteiligen Auswirkungen der Seneszenz in vivo begünstigen. Mikroglia könnten eine wesentliche zelluläre Komponente mit der Fähigkeit sein, zwischen einigen physiologischen und pathologischen Zuständen zu oszillieren. Es reguliert die neuronale Plastizität im Gehirn während der Entwicklung und moduliert durch die Pufferung von Neurotransmittern und Ionen den lokalen Blutfluss und trägt so zur Durchlässigkeit der BHS bei. Dies könnte zusammen mit SASP-spezifischen Chemokinen, die auch von anderen patrouillierenden Gehirnzellen wie Astrozyten produziert werden, und nach der Seneszenz von Endothelzellen wiederum Immunzellen aus der Peripherie rekrutieren, die als Hauptorchestrierer der Zellkommunikation im Gehirn fungieren. Die Feinabstimmung und der gegenseitige Einfluss verschiedener Arten von Zellen und Mediatoren, die erforderlich sind, um die Seneszenz und ihre Ausbreitung auf benachbarte Zellen einzuleiten, erklären, warum jede Veränderung dieses kränklichen Gleichgewichts zum Auftreten von Zuständen führen kann, bei denen die Seneszenz bekanntermaßen nachteilig ist, wie z Neuroinflammation, Neurodegeneration und Gliom-Beginn. Wir müssen auch betonen, dass, obwohl die Basalspiegel von proinflammatorischen Zytokinen und Chemokinen höher sind als in jungen Gehirnen, die Zunahme an proinflammatorischen Mediatoren in alternden Gehirnen, die wir als „Gehirn-SASP-Phänotyp“ definieren könnten, nicht assoziiert sind notwendigerweise mit Pathologien im Gegenteil, sie dienen dazu, Entzündungsprozesse durch Selbstregulierung und Eliminierung von Krankheitserregern und Aggregation schädlicher Proteine ​​​​zu lösen. In diesem Zusammenhang glauben wir, dass die Zeit seit Beginn der Seneszenz und ihre parakrinen Auswirkungen auf das Gewebemilieu ein weiterer Hinweis auf das Gleichgewicht der Seneszenzreaktion ist, wenn die Immunantwort durch übermäßige Stimulation verschlimmert wird, kann sich die schützende Entzündung in Richtung eines schädlichen Prozesses verschieben von Neuroinflammation, die Neurodegeneration und Krebs begünstigt. In der Tat spielen Seneszenzmerkmale der angeborenen Immunität in Bezug auf morphologische Veränderungen und chronischen subinflammatorischen Status eine große Rolle bei AD und PD, jedoch sind weitere Studien erforderlich, um die Schwelle des proinflammatorischen Status zu finden, über die die Krankheit hinausgeht und dann die angeborene Immunität eher fördert als schränkt die Krankheit ein. Darüber hinaus müssen umfangreichere Studien durchgeführt werden, um die Rolle der Astrozytendysfunktion bei der Pathogenese und Progression von AD besser zu klären und festzustellen, ob die Astrozytenseneszenz bei AD der Aβ-Ablagerung vorausgeht oder folgt. Angesichts der Bedeutung des glymphatischen Systems und der meningealen Lymphgefäße als Teil eines bidirektionalen Transportsystems von gelösten Stoffen und Immunzellen außerhalb des Gehirns zu den tiefen Halslymphknoten und innerhalb des Gehirns durch perivaskuläre/meningeale Bahnen sind außerdem große Anstrengungen erforderlich, um die Seneszenz als molekularer Treiber während ihrer Entstehung und Lebensdauer. Andererseits sollten die schädlichen Auswirkungen des Alterns und die Unter- oder Überfunktion dieser Verbindung bei neuroinflammatorischen und neurodegenerativen Erkrankungen (insbesondere solchen, die mit Proteinakkumulation verbunden sind) auch in zukünftigen Forschungen berücksichtigt werden.

    Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das Verständnis der biologischen und molekularen Grundlagen der Seneszenz und des Zusammenspiels zwischen zellulärer Seneszenz und angeborener Immunität, die unterschiedliche Funktionen in gesunden und kranken Gehirnen steuert, eine Herausforderung und eine Chance von klinischer Bedeutung ist und zur Identifizierung neuer pharmakologischer Zielen, die physiologischen Funktionen bei langlebigen Individuen zu erhalten oder wiederherzustellen, wenn sie fehlreguliert sind.


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