Neuronale Alternsuhr findet Moleküle gegen altersbedingte Neurodegeneration

Forschende aus Köln zeigen im Modellorganismus Caenorhabditis elegans mit Hilfe einer Alternsuhr, dass Neurone unterschiedlich altern. Sie identifizieren sowohl Ursachen des Alterns als auch Moleküle, die vor altersbedingter Neurodegeneration schützen.

„Der Fadenwurm Caenorhabditis elegans hat ein einfaches Nervensystem, das aus 302 Neuronen besteht. Das menschliche Gehirn mit seinen circa 90 Milliarden Neuronen ist sehr viel komplexer und dennoch erfüllen die Neuronen im Fadenwurm ähnliche Funktionen wie das menschliche Nervensystem. Dieser Modellorganismus eignet sich daher, um zu erforschen, wie das Gehirn altert. Sämtliche Nervenverbindungen sind bekannt und der Alterungsprozess jeder einzelne Nervenzelle kann über die Lebensdauer verfolgt werden.

Prof. Björn Schumacher, Arbeitsgruppenleiter am Exzellenzcluster für Alternsforschung CECAD, und der Bioinformatiker Dr. David Meyer bestimmten das Alter jeder einzelnen Nervenzelle des Fadenwurms mit einer eigens entwickelten Alternsuhr, die anhand von Veränderungen in der Genexpression das biologische Alter genau vorhersagen kann. Die Studie wurde in „Nature Aging“ veröffentlicht.

Die Forschenden zeigten bereits bei jungen Tieren erhebliche Unterschiede im Zellalter. Einige Neuronen schienen wesentlich „älter“ zu sein als die Tiere selbst. Der Neurowissenschaftler Dr. Christian Gallrein, der jetzt am Leibniz-Institut für Alternsforschung – Fritz-Lipmann-Institut in Jena arbeitet, untersuchte, was mit diesen vorgealterten Nervenzellen bei den jungen erwachsenen Fadenwürmern passierte. Sie zeigten schnell massive Degeneration und die Nervenfortsätze bauten sich in kürzester Zeit ab.

KI-gestützte Identifikation von neuroprotektiven Molekülen

Als molekularer Treiber der neuronalen Alterung zeigte sich die Produktion von Proteinen, schnell alternde Nervenzellen hatten eine besonders aktive Proteinbiosynthese. Wird dieser Prozess pharmakologisch gehemmt, bleiben die rasch alternden Nervenzellen gut erhalten. Da die Nervenzellen des Fadenwurms ähnlich altern wie die Nervenzellen des menschlichen Gehirns, entwickelte das Team einen KI-gestützten Ansatz, der durch maschinelles Lernen Therapeutika danach klassifiziert, ob sie dem neuronalen Alterungsprozess beschleunigen oder ihn verzögern könnten. Hierbei konnten neue kleine Moleküle wie der pflanzliche Naturstoff Syringasäure, vorhanden in der Heidelbeere oder blauen Weintraube, und der Dopamin-Wiederaufnahmehemmer Vanoxerin gefunden werden, die Nervenzellen vor dem Alterungsprozess schützen und so das Nervensystem im Alter intakt halten. Zudem konnten auch Stoffe wie der Serotonin-5-HT1A-Rezeptor Antagonist WAY-100635 und Resveratrol identifiziert werden, die den Alterungsprozess und die Neurodegeneration vorantreiben und als Nervengifte wirken könnten.

„Unsere Arbeit hat zum ersten Mal die Unterschiede im Alterungsprozess einzelner Nervenzellen aufgezeigt,“ so Schumacher. „Das eröffnet uns ganz neue Erkenntnisse, weshalb einige Neurone schon früh altern. Zudem haben wir jetzt einen neuen Ansatz, mithilfe von maschinellem Lernen therapeutische Substanzen schnell zu identifizieren, die künftig die Entwicklung neuartige Behandlungen ermöglichen, um Hirnfunktion zu erhalten oder neurodegenerative Erkrankungen zu verhindern.“

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