19. Mechanismen van veroudering
Auteurs: dr. Brechje de Gier en dr. Callista Mulder
Waarom worden we oud? Het is zo vanzelfsprekend dat je bijna zou vergeten de vraag te stellen. Ieder organisme veroudert en ieder organisme sterft. Er is echter een enorme variatie in de levensduur van (dier)soorten. Ook binnen soorten is grote variatie te zien in de snelheid van veroudering. Nu de mens zich heeft gewapend tegen de voorheen grootste doodsoorzaken als infectieziekten en honger zijn veroudering en de bijkomende aandoeningen een belangrijke focus van medisch onderzoek. Wanneer de mechanismen van veroudering zijn opgehelderd, zijn we wellicht in staat veroudering te vertragen of met minder problemen te laten verlopen. In dit hoofdstuk komen de volgende onderwerpen aan bod:
- Het eindreplicatie probleem en telomeerverkorting
- De werking en gevolgen van telomerase
- De rol van stamcellen in het verouderingsproces
- De rol van DNA schade en tumor suppressor eiwitten in het verouderingsproces
- De rol van oxidatieve stress in het verouderingsproces
- De rol van proteasomen in het verouderingsproces
- De rol van ontsteking in het verouderingsproces
- Epigenetische veranderingen tijdens veroudering
Om veroudering te kunnen onderzoeken moet dit begrip eerst gedefinieerd worden. Biologische veroudering kan worden gedefinieerd als de tijdsgebonden veranderingen binnen een organisme die een negatief effect hebben op het functioneren en de vitaliteit. Deze biologische veroudering wordt grotendeels veroorzaakt door cellulair verval: cellen raken beschadigd waardoor functies zoals celdeling of cellulair onderhoud niet meer goed worden uitgevoerd. In dit hoofdstuk zullen we ons richten op verschillende stimuli die cellulair verval in de loop van het leven kunnen veroorzaken.
Cellen delen niet eindeloos
In het begin van de 20e eeuw dachten biologen dat cellen op kweek in het laboratorium oneindig konden blijven delen. In 1961 ontdekte Leonard Hayflick dat dit niet waar is; cellen kunnen een beperkt aantal keer delen voor ze hiermee stoppen en uiteindelijk sterven. De limiet van de mogelijke celdeling noemen we nu de Hayflick limiet. Hayflick zag al in dat iedere cel een telmechanisme moet hebben dat bepaalt hoe lang hij nog kan delen. In de jaren ’60 van de 20e eeuw kwam James Watson de oplossing al op het spoor. De structuur van het DNA was net ontdekt, evenals de manier waarop DNA gerepliceerd wordt.
Terwijl de ‘leading strand’ van het dubbelstrengs DNA helemaal tot het 5’ einde kan worden gekopieerd, geeft dit problemen bij de ‘lagging strand’ (zie figuur 19.1). Het DNA wordt vanuit een replicatie-origine plek ergens op het chromosoom steeds een stukje losgeritst door DNA helicase. DNA polymerase, het enzym dat DNA repliceert, kan alleen nieuwe nucleotiden aanzetten vanaf een bestaande 3’ OH-groep. DNA replicatie kan hierdoor niet zomaar beginnen. Er is eerst altijd een primer nodig: een klein stuk RNA dat een begin maakt voor verdere DNA replicatie door een 3’ OH-groep beschikbaar te stellen. De streng die vanaf de 3’ kant wordt gerepliceerd, kan na de eerste primer aan één stuk door worden gerepliceerd. Deze streng noemt men de ‘leading strand’. De andere streng ligt dan vanaf de 5’ kant richting 3’ open en moet dus in tegenovergestelde richting gerepliceerd worden. Deze ‘lagging strand’ wordt gerepliceerd in kleine stukjes. Telkens wordt een RNA primer ingezet zo ver mogelijk naar de 3’ kant van de streng. Daaraan vast kan nu een stuk DNA worden gemaakt. Wanneer het dubbelstrengs DNA weer wat verder open ligt, dan kan weer verder naar 3’ een primer komen, met daaraan weer DNA tot aan de vorige primer. Uiteindelijk bestaat de kopie van de lagging strand nu uit stukjes RNA (de primers) en DNA (de Okazaki fragmenten) (figuur 19.1 A). De RNA primers worden nu verwijderd uit de streng, het RNA moet worden vervangen door DNA. De afzonderlijke Okazaki fragmenten leveren nu weer vrije 3’ OH-groepen, waardoor het tussenliggende gedeelte weer gerepliceerd kan worden (figuur 19.1 B). Zo wordt de streng afgemaakt tot een aaneengesloten DNA streng.
Echter, het laatste stukje RNA primer aan de 3’ kant zal niet kunnen worden vervangen door DNA; er is immers geen vrije 3’OH-groep om aan vast te bouwen (figuur 19.1 C). Dit fenomeen noemde Watson het eind-replicatie probleem. Bacteriën hebben dit probleem niet, omdat hun chromosomen circulair zijn. Hoe eukaryoten hun (lineaire) chromosoomuiteinden repliceerden was tot de jaren ’70 van de 20e eeuw nog een raadsel. In die tijd zag de Russische bioloog Olovnikov op een metrostation in Moskou de overeenkomst tussen DNA polymerase en het metrostel aan het einde van de rails. Zelfs als de trein helemaal aan het uiteinde van de rails staat, zal een deel van de rails nooit onder de motor door komen. Olovnikov concludeerde dat de uiteindes van chromosomen nooit gerepliceerd kunnen worden en chromosomen als gevolg met iedere celdeling wat korter moeten worden. Wanneer de chromosoomlengte een kritiek punt bereikt, stopt de cel met delen. In 1990 werd dan ook ontdekt dat chromosomen korter worden naarmate cellen de Hayflick limiet bereiken.
Figuur 19.1 Het eind-replicatieprobleem en telomerase. (A) illustreert de verschillende manieren van DNA replicatie van de leading en de lagging strand, aan het uiteinde van een chromosoom. Wanneer de primers verwijderd worden uit de nieuw gevormde DNA strengen (B) en dit wordt aangevuld met DNA vanaf vrije –OH groepen, blijft de lagging strand korter dan de leading strand (C). Zo verdwijnt aan beide uiteinden van het chromosoom een deel DNA. Wanneer het enzym telomerase aanwezig is, wordt dit weer aangevuld (D).
