Genetische Veränderungen und Alterung bei C. elegans

Wenn Lebewesen älter werden, haben ihre Zellen oft Schäden, die die allgemeine Leistung beeinträchtigen. Dieser Prozess, bekannt als Alterung, führt zu Veränderungen in der Genexpression. Manche dieser Veränderungen können dazu führen, dass Zellen weniger effektiv arbeiten, während andere helfen, sie gut funktionierend zu halten.

#Der Fadenwurm als Modellorganismus

Ein kleiner Rundwurm namens Caenorhabditis Elegans ist eine super Wahl, um das Altern zu studieren. Dieser Wurm hat eine kurze Lebensdauer und ein gut kartiertes Genom, was es einfacher macht, genetische Veränderungen im Alter des Wurms zu untersuchen. Seine genetische Zusammensetzung ist ähnlich wie die von Menschen, sodass Wissenschaftler Vergleiche zwischen den beiden Arten hinsichtlich des Alterns und seiner Auswirkungen auf Körperfunktionen ziehen können.

#Die Rolle von RNA-Sequenzierung in der Alternsforschung

Eine Methode, die Forscher verwenden, um zu untersuchen, wie Gene sich verändern, wenn Organismen älter werden, ist die RNA-Sequenzierung (RNA-seq). Sie hilft, Veränderungen in der Genexpression über die Zeit zu untersuchen. Indem sie die altersbedingten Veränderungen in C. elegans reduzieren, haben Forscher Wege gefunden, die Lebensdauer des Wurms zu verlängern, was darauf hinweist, dass die Genexpression entscheidend für die Aufrechterhaltung einer gesunden Zellfunktion ist.

Viele der Veränderungen in der Genexpression, die im Laufe des Alterns auftreten, sind kontrolliert. Allerdings treten viele Veränderungen auf, wenn die normale Regulation verloren geht. Beispiele dafür sind Änderungen, wie Gene transkribiert werden, wie ihre RNA verarbeitet wird und wie die Produkte der Gene überwacht werden, nachdem sie erstellt wurden.

#Fortschritte in der RNA-Sequenzierungstechnologie

Traditionelle RNA-seq-Methoden hatten ihre Einschränkungen, vor allem, weil sie darauf angewiesen sind, RNA in kleinere Stücke zu zerlegen. Eine neuere Methode namens Oxford Nanopore Technologies Direct RNA Sequencing (Nanopore DRS) hilft, diese Herausforderungen zu überwinden. Nanopore DRS liest den gesamten RNA-Strang, ohne ihn zu zerschneiden. So können Forscher vollständige mRNA-Sequenzen betrachten und die Genmerkmale besser identifizieren.

Mit Nanopore DRS können Wissenschaftler auch chemische Veränderungen entdecken, die in RNA auftreten. In früheren Studien waren diese Modifikationen schwerer zu erkennen, sodass dieser neuere Ansatz den Forschern mehr Einblicke gibt, wie diese Veränderungen die Zellfunktion beeinflussen könnten.

#Untersuchung von RNA-Modifikationen

Die Identifizierung und das Verständnis von RNA-Modifikationen können Wissenschaftlern helfen, mehr darüber zu lernen, wie sich die Genexpression mit dem Alter ändert. Einige bekannte Modifikationen sind Pseudouridin und Inosin, die zunehmend in der Alternsforschung untersucht werden. Mithilfe von Nanopore DRS können Forscher besser verstehen, wie diese Modifikationen eine Rolle im Alterungsprozess spielen.

#Altern in Caenorhabditis elegans untersuchen

Um zu untersuchen, wie sich RNA verändert, während C. elegans älter wird, sammelten Forscher RNA-Proben von Würmern in verschiedenen Lebensphasen, beginnend von ihrem Erwachsenenleben bis etwa zum 15. Tag. Das Ziel war, sowohl junge als auch ältere adulte Würmer zu studieren, da chemische Behandlungen, die die Fortpflanzung stoppen, die natürlichen Alterungsprozesse stören können.

Die Forscher sammelten Proben und stellten sicher, dass sie keine Eier oder tote Würmer einschlossen. Diese sorgfältige Sammlung ermöglichte es ihnen, einen klareren Blick darauf zu bekommen, wie sich die Genexpression über die Zeit verändert.

#Verwendung von Lang- und Kurzlese-Sequenzierung

In der Studie kombinierten die Forscher sowohl Nanopore DRS als auch kürzere Illumina RNA-seq-Methoden. Dadurch konnten sie die Genexpression besser analysieren und identifizieren, welche Gene sich veränderten, während die Würmer älter wurden. Sie erwarteten, dass mit den Kurzlesemethoden mehr Gene erfasst werden würden, aber beide Methoden zeigten eine gute Korrelation in der Genexpression, was bestätigte, dass sie effektiv zusammenarbeiten können.

#Ergebnisse der Studie

Nach den Experimenten fanden die Forscher viele Gene, die im Laufe der Zeit signifikante Unterschiede in der Expression zeigten. Während die Würmer älter wurden, variierte die Expression mehrerer Gene erheblich, was darauf hinweist, dass das Altern einen merklichen Einfluss auf die Genaktivität hat. Während bei Nanopore DRS weniger unterschiedlich exprimierte Gene nachgewiesen wurden, wurden viele dieser Gene auch mit der Kurzlesemethode identifiziert.

#Entdeckung neuer Transkript-Isoformen

Ein grosser Vorteil der Verwendung von Nanopore DRS ist die Fähigkeit, neue Genformen oder Isoformen zu identifizieren. Durch Filtern der Daten konnten die Forscher über 14.000 Isoformen finden, darunter viele, die zuvor nicht dokumentiert waren. Diese Entdeckung ist wichtig, weil das Wissen über die gesamte Bandbreite der Genformen unser Verständnis der Genfunktionen verbessert.

Die Forscher suchten auch nach spezifischen RNA-Teilen, die 3'UTRs genannt werden, und fanden viele neue Formen. Diese Erkenntnisse deuten darauf hin, dass sich die RNA-Landschaft während des Alterns erheblich verändert.

#Veränderungen in der RNA-Verarbeitung und Poly(A)-Schwanzlängen

Um die RNA-Verarbeitung besser zu verstehen, untersuchten die Forscher, wie sich RNA zwischen jungen und älteren Würmern verändert. Sie fanden heraus, dass bestimmte Merkmale, wie die Längen von Poly(A)-Schwänzen – das sind Strecken von Adenin-Nukleotiden, die der RNA hinzugefügt werden – leichte Unterschiede bei älteren Würmern zeigten.

Diese Verlängerung der Poly(A)-Schwänze könnte auf Veränderungen in der Regulierung von Transkripten im Laufe der Zeit hindeuten. Interessanterweise blieb die Beziehung zwischen der Schwanzlänge und der Transkriptmenge trotz der Verlängerung der Schwänze bei älteren Würmern ähnlich wie bei jüngeren Würmern.

#Inosin- und Pseudouridin-Modifikationen

Inosin-Bearbeitung bezieht sich auf die Umwandlung von Adenosin zu Inosin in RNA. Die Forscher stellten einen Anstieg der Anzahl von Inosin-Bearbeitungen fest, während die Würmer älter wurden. Diese Entdeckung legt nahe, dass ein bestimmtes Enzym, das für diese Veränderungen verantwortlich ist, auch eine Rolle im Altern haben könnte.

Pseudouridin ist eine weitere Modifikation, die die Forscher mittels der Nanopore DRS-Methode identifizierten. Diese Studie war die erste, die seine Anwesenheit in C. elegans mRNA berichtete. Der Anstieg dieser Modifikation, während die Würmer älter werden, deutet darauf hin, dass sie ebenfalls eine Rolle bei der Regulierung der Genexpression spielen könnte.

#Bedeutsame Veränderungen bei alternsbezogenen Genen

Als die Forscher die Gene untersuchten, von denen bekannt ist, dass sie das Altern beeinflussen, fanden sie viele neuartige Merkmale, die mit diesen Genen assoziiert sind. Von den bekannten Langlebigkeits-assoziierten Genen entdeckten die Forscher einzigartige Eigenschaften in Hunderten von ihnen.

Diese neuen Einsichten darüber, wie Gene während des Alterns reguliert werden, tragen zu unserem Verständnis der molekularen Mechanismen bei, die in diesem Prozess beteiligt sind. Zum Beispiel zeigten einige Gene, von denen zuvor bekannt war, dass sie das Altern beeinflussen, auch bedeutende neue Modifikationen oder alternative Spleissereignisse.

#Bedeutung der Forschung

Die Ergebnisse dieser Studie werfen ein Licht auf die komplexe Natur des Alterns und dessen Auswirkungen auf die Genexpression. Durch den Einsatz einer Kombination fortschrittlicher Sequenzierungstechnologien konnten die Forscher eine Vielzahl neuer Merkmale im Zusammenhang mit dem Altern aufdecken. Diese Ergebnisse erweitern nicht nur unser Wissen über das alternde Transkriptom, sondern schaffen auch eine Ressource für zukünftige Studien, die sich auf das Altern und dessen biologische Auswirkungen konzentrieren.

#Fazit

Wenn Organismen älter werden, durchlaufen ihre Zellen verschiedene Veränderungen, einschliesslich Verschiebungen in der Genexpression und Transkriptverarbeitung. Diese Studie hebt die Bedeutung hervor, diese Veränderungen und ihre Auswirkungen auf die Zellfunktion und Langlebigkeit zu verstehen. Durch die Nutzung innovativer Sequenzierungsmethoden und die Analyse des Alterungsprozesses bei Caenorhabditis elegans liefern die Forscher wertvolle Einblicke in die komplexe Biologie des Alterns. Dieses Wissen kann helfen, den Weg für zukünftige Forschungen zu ebnen, die darauf abzielen, die Gesundheit zu verbessern und die Lebensdauer sowohl bei Würmern als auch möglicherweise bei anderen Organismen zu verlängern.