Gute Nachbarschaft unter Mitochondrien

21. August 2013
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Mitochondrien sind keine Einzelkämpfer: In der Zelle können sie zu komplexen Netzwerken fusionieren und so Defekte zumindest für eine gewisse Zeit kompensieren, wie eine Studie zeigt. Deren Erkenntnisse könnten Einblicke in die Mechanismen des Leigh-Syndroms bieten.

Mitochondrien sind die Kraftwerke der Zellen: Sie liefern Energie, indem sie die universelle Energiewährung der Zelle – das ATP – produzieren. Darüber hinaus erfüllen sie aber auch zahlreiche andere Funktionen, so sind sie etwa an essentiellen Stoffwechselwegen beteiligt und spielen eine wichtige Rolle bei der Alterung und beim programmierten Zelltod. Oft werden sie als einzelne bohnenförmige Gebilde dargestellt. Seit einiger Zeit ist aber bekannt, dass Mitochondrien eine sehr dynamische Morphologie haben und in der Zelle zu feinen Netzwerken fusionieren können, die je nach Zelltyp verschieden gestaltet sind. In Muskelzellen etwa schließen sich Mitochondrien zu langen „Kabeln“ zusammen.

Hyperfusion statt langer mitochondrialer „Kabel“

„Die Variabilität der Form und Struktur der Mitochondrien gehört zu den spannendsten Forschungsgebieten der Zellbiologie“, sagt Barbara Conradt, LMU-Professorin für Zell- und Entwicklungsbiologie, die mit dem Postdoc Stéphane Rolland und ihrem Team untersucht, welche Funktion das wandelbare Erscheinungsbild der Mitochondrien für die Zelle hat. Als Modellorganismus nutzten die Forscher eine Mutante des Fadenwurms Caenorhabditis elegans (C. elegans), bei der sich durch die Inaktivierung eines Gens die Mitochondrien in den Muskelzellen nicht mehr zu kabelförmigen Strängen zusammenschließen. „Stattdessen findet eine sogenannte Hyperfusion statt, das heißt, viele Mitochondrien fusionieren zu einem großen Gebilde, das fast wie eine Stück Schweizer Käse aussieht“, sagt Conradt.

Das inaktivierte Gen mma-1 ist auch für die ATP-Produktion in den Mitochondrien wichtig. Zum Erstaunen der Wissenschaftler produzierten die mutierten Zellen trotzdem weiterhin so viel ATP wie intakte Zellen, obwohl die Anzahl und Aktivität von mma-1 um 50 % vermindert war. „Daraus zogen wir den Schluss, dass die Hyperfusion der Zelle hilft, die ATP-Produktion effizienter zu machen“, sagt Conradt. Unterstützt wird diese Hypothese dadurch, dass Mutanten, bei denen die Hyperfusion verhindert wird, nicht lebensfähig sind.

Defektes Gen verursacht neurodegenerative Erkrankung

Dieselbe Hyperfusion von Mitochondrien fanden die Wissenschaftler in Kollaboration mit Konstanze Winklhofer auch in Säugetierzellen, wenn das zu mma-1 analoge Gen LRPPRC inaktiv ist. Allerdings funktionierte die Hyperfusion – wie auch bei C. elegans – nur eine begrenzte Zeit: Nach ein paar Tagen erfolgte ein Kollaps und die eingeschränkte ATP-Produktion konnte nicht mehr kompensiert werden. „Damit konnten wir erstmals die Hyperfusion als zeitlich begrenzten Rettungsversuch bei mitochondrialen Defekten nachweisen. Vermutlich funktioniert sie nur vorübergehend, weil durch das defekte Gen auch andere Funktionen der Mitochondrien beeinträchtigt werden“, sagt Conradt.

Interessanterweise steht ein Defekt im LRPPRC-Gen in Zusammenhang mit dem Leigh-Syndrom, einer schweren neurodegenerativen Krankheit, die auf einer Störung des mitochondrialen Energiestoffwechsels beruht. „Unsere Erkenntnisse haben daher auch medizinische Relevanz und können neue Einblicke in die Mechanismen dieser Krankheit eröffnen“, sagt Conradt, „unsere C.elegans-Mutante ist dafür ein hervorragendes Modell“. Im nächsten Schritt wollen die Wissenschaftler untersuchen, ob die Hyperfusion wieder rückgängig gemacht werden kann, indem die Teilung der Mitochondrien angeregt wird – wenn dadurch genügend funktionsfähige Mitochondrien zur Verfügung stehen, könnte der Organismus den Defekt langfristig ausgleichen.

Originalpublikation:

Impaired complex IV activity in response to loss of LRPPRC function can be compensated by mitochondrial hyperfusion
Barbara Conradt et al.; PNAS, doi: 10.1073/pnas.1303872110; 2013

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Forschung, Medizin, Neurologie

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