Wie kann ein Herz jahrhundertelang schlagen? Eine Lektion vom Grönlandhai

Der Grönlandhai (Somniosus microcephalus) ist mit einer geschätzten Lebensspanne von bis zu 400 Jahren das langlebigste bekannte Wirbeltier der Erde. Damit stellt er ein einzigartiges Modell zur Erforschung der Langlebigkeit von Wirbeltieren dar.

Forschende haben nun herausgefunden, dass das Herz des Hais extreme Anzeichen des Alterns aufweist. Dennoch haben diese Schäden keinen Einfluss auf seine Langlebigkeit. Vielmehr deutet es darauf hin, dass seine außergewöhnliche Langlebigkeit auf seine Widerstandsfähigkeit zurückzuführen ist. Genauer: die Fähigkeit, trotz alternsbedingter Schäden seine physiologischen Funktionen aufrechtzuerhalten.

Geschlechtsreife tritt mit 150 Jahren ein

Die außergewöhnliche Lebensdauer des Grönlandhais, sein extrem langsames Wachstum, der sehr niedrige Stoffwechsel, die minimale Schwimmaktivität und seine späte Geschlechtsreife – die erst im Alter von etwa 150 Jahren eintritt – machen ihn nicht nur zu einem einzigartigen Modellorganismus für die Erforschung von Alternsprozessen, sondern auch für die biologischen Grundlagen von Langlebigkeit.

Studien an langlebigen Tierarten haben gezeigt, dass diese Arten oft über besonders leistungsfähige Systeme zur DNA-Reparatur, zur Tumorabwehr und der Regulation des Immunsystems verfügen. Erste genomische Analysen des Grönlandhais deuten darauf hin, dass Gene, die mit der Entzündungshemmung, dem Krebsschutz und der Stabilisierung zellulärer Prozesse in Verbindung stehen, auch bei dieser Art eine zentrale Rolle spielen.

Zeichen für Fibrose, oxidativen Stress und Funktionsverlust wurden untersucht

Ein internationales Forschungsteam um Prof. Alessandro Cellerino von der Scuola Normale Superiore in Pisa, Italien, und Leibniz-Chair am Leibniz-Institut für Alternsforschung – Fritz-Lipmann-Institut (FLI) in Jena, Deutschland, hat nun erstmals systematisch alternsbedingte Veränderungen im Herzgewebe des Grönlandhais genauer untersucht. Im Mittelpunkt der jetzt in „Aging Cell“ veröffentlichten Studie stand die Frage, ob der Grönlandhai vor typischen Anzeichen der Herzalterung – wie Fibrose, oxidativem Stress und Funktionsverlust – geschützt ist oder ob er in der Lage ist, die schädlichen Auswirkungen des Alterns zu kompensieren.

Zum Vergleich analysierten die Forschenden neben dem Grönlandhai auch zwei weitere Fischarten. Das war zum einen der kurzlebige Türkise Prachtgrundkärpfling (Nothobranchius furzeri), ein etablierter Modellorganismus für beschleunigtes Altern. Und zum anderen handelte es sich um den Laternenhai, auch als Schwarzer Degenhai bekannt (Etmopterus spinax). Dieser ist phylogenetisch mit dem Grönlandhai verwandt, weist jedoch eine deutlich kürzere Lebensspanne von etwa 10 Jahren auf. Untersucht wurden klassische Marker der Zellalterung, darunter Lipofuszin-Ablagerungen sowie 3-Nitrotyrosin als Indikator für oxidativen Stress. Die Forschenden benötigten diese, um Rückschlüsse darauf zu ziehen, wie effizient die Zellen Schäden vermeiden oder reparieren können. Tiere mit niedrigen Werten dieser Marker zeigen oft bessere antioxidative Schutzsysteme, effizientere Protein- und Zellreparaturmechanismen sowie eine geringere Anhäufung von Zellschäden über die Zeit.

Alternsprozesse im Herzgewebe nachweisbar

Die Ergebnisse der Studie deuten darauf hin, dass das Herz des Grönlandhais deutliche strukturelle und molekulare Veränderungen aufweist, die typischerweise mit Alternsprozessen in Verbindung gebracht werden. Dazu gehörte eine ausgeprägte Fibrose des Herzmuskels, eine verstärkte Ansammlung von Bindegewebe. Derartige Veränderungen können die Elastizität des Herzgewebes verringern und langfristig die Pumpfunktion beeinträchtigen. Zudem wurde eine starke Anreicherung von Lipofuszin, einem Alterspigment, in den Herzmuskelzellen beobachtet. Dieses Abbauprodukt entsteht, wenn im Lebensverlauf Zellbestandteile nicht vollständig abgebaut werden, und gilt als klassisches Zeichen für die Zellalterung.

Zusätzlich gab es auch Hinweise auf Schäden an den Mitochondrien, den „Kraftwerken“ der Zellen. Außerdem auch auf vergrößerte Lysosomen, die für den Abbau und das Recycling von Zellmaterial verantwortlich sind. Beides sind ebenfalls Anzeichen dafür, dass die Zellen über lange Zeit stark beansprucht wurden. Darüber hinaus fanden die Forschenden auch erhöhte 3-Nitrotyrosin-Werte, einem Marker für oxidativen und nitrosativen Stress. Dies ist ein Hinweis darauf, dass im Herzgewebe verstärkt oxidative Prozesse stattgefunden haben, die zu Proteinveränderungen führten.

„Alles in allem zeigten die analysierten Proben des Grönlandhais deutlich erkennbare Anzeichen klassischer Alternserscheinungen auf molekularer und Gewebeebene“, erklärt Prof. Cellerino. „Die belegen, dass auch bei dieser Art Alternsprozesse im Herzgewebe stattfinden.“

Bemerkenswerte Kompensationsfähigkeit

Auffällig jedoch ist, dass diese strukturellen und molekularen Veränderungen offenbar nicht mit einem entsprechenden Funktionsverlust einhergehen. Trotz der deutlichen strukturellen und molekularen Alternsanzeichen waren die untersuchten Tiere lebendig und schwammen. „Die gleichen Schäden in einem menschlichen Herzen wären nicht mit dem Leben vereinbar“, so Prof. Cellerino. „Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass der Grönlandhai zwar nicht vor alternsbedingten Schäden geschützt ist, aber bemerkenswert gut in der Lage ist, deren Auswirkungen zu kompensieren.“

Im Rahmen früherer Genomuntersuchungen zum Grönlandhai konnte gezeigt werden, dass der Grönlandhai gut entwickelte Mechanismen besitzt, um Schäden an seiner DNA zu reparieren und das Erbgut stabil zu halten. So wurden unter anderem Veränderungen in Genen festgestellt, die an der DNA-Reparatur und dem Zellschutz beteiligt sind. Einige davon lagen gar in Form zusätzlicher Genkopien vor. Diese könnten dazu beitragen, genetische Schäden effizienter zu erkennen und zu korrigieren. Und so die Zellen über sehr lange Zeiträume hinweg zu schützen.

Grönlandhai kann Folgen des Alterns lange Zeit ausgleichen

Die Studienergebnisse legen nahe, dass der Grönlandhai nicht deshalb extrem alt wird, weil er dem Alternsprozess entgeht, sondern weil er die Folgen des Alterns über sehr lange Zeit hinweg wirksam abpuffern kann. Seine Langlebigkeit ist demnach vor allem Ausdruck einer hohen biologischen Widerstandsfähigkeit. Diese ermöglicht es ihm, seine Körperfunktionen trotz fortschreitender Zellschäden weitgehend aufrechtzuerhalten. Das Verständnis der Mechanismen, die diese biologische Widerstandsfähigkeit (Resilienz) möglich macht, könnte völlig neue Wege zur Förderung eines gesunden Alterns eröffnen.

„Die Forschung zum Grönlandhai wurde von Professor John Fleng Steffensen von der Universität Kopenhagen vorangetrieben, der dessen extreme Langlebigkeit beschrieb und eine treibende Kraft bei der Förderung der Forschung zu dieser Art war. Er ist letztes Jahr verstorben, ich widme diese Arbeit seinem Andenken“, fasst Prof. Cellerino zusammen.