Pro-autophagische Polyphenole und Polyamine für langes Leben

Das vorliegende Projekt führt die Langzeitbemühungen des Labors von Frank Madeo (Universität Graz, Österreich), Strategien zur Förderung von Langlebigkeit auszuarbeiten und deren molekularen Mechanismen zu verstehen, fort. Tatsächlich entdeckte das Madeo-Labor als erste, dass Spermidin durch Induktion von Autophagie Langlebigkeit in verschiedenen Modellen von Hefe bis hin zu humanen Zellkulturen fördern kann. Basierend auf unserer Erfahrung und der Literatur postulieren wir, dass ideale Anti-Aging Mittel Kandidaten (AAMKs) in gesundheitsfördernden Lebensmitteln (wie es der Fall für das Polyphenol Resveratrol und das Polyamin Spermidine ist) natürlich vorkommen, kalorische Restriktion mimen und Autophagie, ohne dabei toxischen Organellenstress auszulösen, induzieren sollen, so dass schließlich die Lebensspanne in diversen Modellorganismen verlängert wird. Von diesen Prämissen ausgehend, schlagen wir eine Reihe funktioneller Screens vor, die zur schnellen Identifizierung und mechanistischen Charakterisierung von AAMKs mit einem hohen Potential, echte AAMs zu werden, führen wird. Dafür werden wir zunächst eine Sammlung chemisch definierter und kommerziell verfügbare Substanzen, die in gesundheitsfördernden Lebensmitteln vorkommen oder strukturelle Analogien zu bekannten AAMs besitzen (Aufgabe 1). Wir werden dann Autophagie-Screens in Hefen und humanen Zelllinien durchführen, die mit potentiellen AAMKs behandelt wurden, um eine AAMK shortlist zu definieren (Aufgabe 2). Wir werden dann den akuten apoptotischen und nekrotischen Tod von AAMKs- behandelten Hefe- und humanen Zellen messen und den Organellen-assoziierten Stress sowie DNA- Schädigungen mittels humanen Biosensor Zelllinien ermitteln, so dass zytotoxische, genotoxische und potentiell entzündungsfördernde Mittel von unserer engeren Auswahl auszuschließen (Aufgabe 3). Die resultierenden Substanzen werden im Hinblick auf ihre Fähigkeit, Langlebigkeit während des chronologischen Alters von Hefe zu verbessern, weiter charakterisiert (Aufgabe 4) und die sich daraus ergebenden AAMKs weiter auf ihr Potential, die Lebensspanne von Fruchtfliegen zu verlängern, getestet (Aufgabe 5). AAMKs, die durch die vorangehenden Schritte filtriert worden sind, werden dann in ihrer Effizienz, Autophagie zu induzieren und Organschutz in Mäusen zu vermitteln, bewertet und darauffolgend in Langlebigkeitsexperimenten mit alten Mäusen untersucht (Aufgabe 6). Mittels eines proteomischen Ansatzes werden wir mögliche Regulatoren, die in den langlebigkeitsfördernden Effekten von jedem in Aufgaben 1-6 identifizierten AAMK involviert sind, identifizieren und mechanistische Studien durchführen, um zu ermitteln, ob diese Proteine und/oder Autophagie für die Verlängerung der Lebensspanne durch ein gegebenes AAMK notwendig sind (Aufgabe 7). Insgesamt wird eine Substanzbibliothek (Aufgabe 1) die Basis für einen Screening-Prozess sein, der Kriterien für die Aufnahme oder progressive Ausschließung von AAMKs in eine engere Auswahl liefert (Aufgabe 2-6), die zur Erlangung mechanistischer Erkenntnisse über die potentielle Wirkungssweise von AAMKs führt (Aufgabe 7).

Die Häufigkeit altersbedingter Pathologien (z. B. Alzheimer- und Parkinson-Krankheit, Herz- Kreislauf-Erkrankungen oder Krebs) steigt alarmierend an. Neben der Belastung für Patienten und ihre Familien, stellt diese Entwicklung ein soziales sowie wirtschaftliches Problem dar, welches dringend geeignete Maßnahmen erfordert. Die dauerhafte Reduktion der Kalorienzufuhr (ohne Unterernährung), die sog. kalorische Restriktion, hat sich dabei als eine wirksame Methode erwiesen, das Risiko für solche Pathologien zu vermindern. Für die meisten Menschen ist jedoch eine entsprechende Änderung des Lebensstils schwierig oder nicht möglich. Daher sind pharmakologische Alternativen notwendig. Somit ist die Suche nach Substanzen, die das Altern und die damit verbundenen Erkrankungen möglicherweise verzögern könnten, zu einem wichtigen Thema in den Biowissenschaften geworden. Das Ziel dieses Projekts war es, neue natürliche Substanzen zu finden, die dem Alterungsprozess entgegenwirken können. Wir haben dafür 200 Substanzen auf ihre Fähigkeit getestet, die Lebensdauer in der Bäckerhefe - einem etablierten Modellorganismus zur Untersuchung des Alterns - zu verlängern. Wir konnten dabei 4,4`-Dimethoxychalcon (DMC) als den Stoff mit der stärksten Wirkung identifizieren. DMC verlängerte auch die Lebensdauer in vielzelligen Organismen (Würmer, Fliegen) und verlangsamte die Seneszenz die mit dem Alter verbundene Störung der Zellfunktion - in kultivierten menschlichen Zellen. Darüber hinaus schützte DMC das Herz von Mäusen nach einer Myokardischämie (verminderte Durchblutung des Herzmuskels, die schließlich zu einem Infarkt führt). Wir konnten zeigen, dass diese Effekte hauptsächlich durch das Anschalten der Autophagie vermittelt werden, einem wichtigen zellulären Aufräumprozess, das ursächlich mit den positiven Auswirkungen der kalorischen Restriktion zusammenhängt. Autophagie schützt Zellen vor Alterung und Zellstress, indem sie defekte Organellen und Zellbestandteile (wie Proteine oder Proteinaggregate) eliminiert, die sonst die Zellfunktion beeinträchtigen würden. Die Fähigkeit eines Organismus, Autophagie zu aktivieren, nimmt mit dem Alter ab, und DMC kann dies verzögern, wodurch die Lebensdauer verlängert wird. Wir konnten zudem aufklären, dass DMC die Autophagie durch eine spezifische Transkriptionsfaktorfamilie (GATA) vermittelt. Unsere zukünftige Arbeit wird sich mit der Erforschung chemischer Derivate von DMC mit potenziell höherer Wirksamkeit beschäftigen. Darüber hinaus hat dieses Projekt eine Reihe weiterer Kandidaten ergeben, die in Zukunft ebenfalls weiter analysiert werden. Zusammenfassend haben wir erfolgreich ein effektives Screening-Tool etabliert und validiert, um natürliche Substanzen mit konservierter Anti-Aging-Aktivität zu identifizieren.