Mitochondrien erkennen Stress früher als bislang angenommen
Mitochondrien können bereits zu einem frühen Zeitpunkt selbst erkennen, ob sie gestresst sind, und Schutzmaßnahmen einleiten, um weitere Schäden zu vermeiden. Das hat ein Forschungsteam der Universitäten Freiburg und Heidelberg herausgefunden. Die Ergebnisse der Studie sind in der Fachzeitschrift „Molecular Cell“ erschienen.
Mitochondrien versorgen Zellen mit Energie und werden deshalb auch als „Kraftwerke der Zelle“ bezeichnet. Gleichzeitig entstehen in ihnen reaktive Sauerstoffverbindungen, kurz ROS, die bei Alterungsprozessen und zahlreichen Erkrankungen eine wichtige Rolle spielen. „Unsere Ergebnisse zeigen, dass Mitochondrien sich selbst überwachen können, noch bevor sich die Schäden auf die übrige Zelle ausweiten“, sagte Prof. Dr. Chris Meisinger, Professor für Biochemie an der Universität Freiburg.
Bislang ging die Forschung davon aus, dass Mitochondrien erst dann Alarm schlagen, wenn ihre Schäden bereits so stark sind, dass Stresssignale aus den Mitochondrien in das Cytosol austreten. Das Forschungsteam um Meisinger und Prof. Dr. Nora Vögtle, Professorin für Molekularbiologie an der Universität Heidelberg, konnte nun zeigen, dass Mitochondrien schon deutlich früher reagieren. Bereits geringer oxidativer Stress aktiviert demnach ein bisher unbekanntes Frühwarnsystem im Inneren der Mitochondrien.
Im Mittelpunkt der Studie stehen zwei Enzyme, die normalerweise neu importierte Proteine in den Mitochondrien verarbeiten. Unter mildem oxidativem Stress verlieren diese Enzyme jedoch ihre Funktion. Dadurch entstehen Proteinaggregate im Inneren der Mitochondrien. Diese dienen als Warnsignal und lösen eine Schutzreaktion der Zelle aus, die sogenannte mitochondriale Stressantwort UPRmt.
Für die Studie entwickelte das Forschungsteam ein neues experimentelles Modell in Hefezellen, das kontrolliert geringe Mengen Wasserstoffperoxid direkt in den Mitochondrien erzeugt. Anders als bisherige Methoden ahmt dieses System natürliche Alterungs- und Stressprozesse nach Angaben der Forschenden realistischer nach. Neben Forschenden der Universitäten Freiburg und Heidelberg waren auch Mitglieder der Universität Münster und der Universität Stockholm beteiligt.
Die neuen Ergebnisse können nach Einschätzung der Wissenschaftler zu einem besseren Verständnis altersbedingter Erkrankungen und mitochondrialer Fehlfunktionen beitragen. „Wir gehen davon aus, dass ähnliche Mechanismen auch in menschlichen Zellen existieren, so dass unsere Ergebnisse langfristig neue Ansätze für Therapien bei neurodegenerativen Erkrankungen oder Stoffwechselstörungen eröffnen“, sagte Vögtle.
Prof. Dr. Chris Meisinger ist Professor für Biochemie an der Medizinischen Fakultät der Universität Freiburg. Seit 2019 ist er Sprecher des Freiburger Sonderforschungsbereichs 1381 „Dynamische Organisation zellulärer Proteinmaschinerien: Von der Biogenese und modularen Assemblierung zur Funktion“. Prof. Dr. Nora Vögtle ist Professorin für Molekularbiologie an der Universität Heidelberg und als Vorstandsmitglied an dem Sonderforschungsbereich 1381 beteiligt. Die Studie wurde durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft gefördert.