Neue Erkenntnisse über mitochondriale Dynamik mittels KRTET

Diese Studie, die vom dem Erwin Schrödinger Stipendium unterstützt und im Labor von Prof. Deborah Fass gemeinsam mit dem Elektronenmikroskopie-Zentrum des Weizmann Instituts der Wissenschaften in Israel durchgeführt wird, zielt darauf ab, treibende Mechanismen mitochondrialer Dynamiken zu erklären. Mitochondrien sind weithin als "Kraftwerke" der Zelle bekannt, aber sie erfüllen auch diverse Funktionen in der Signalweiterleitung und -erkennung. Mitochondrien sind ca. 500 nm dicke, tubuläre Organellen. Sie bilden ein hoch verzweigtes und dynamisches Netzwerk, das permanent durch Fusion (Verschmelzen von zwei Mitochondrien) und Fission (Teilen von einem Mitochondrium in zwei) umgestaltet wird. Der erste Schritt der Fission geschieht durch das Einschnüren des Mitochondriums, eventuell unterstützt durch andere Organellen und dem Cytoskelett. Daraufhin versammeln sich weitere Proteine auf dieser Einschnürung und vollenden den Fissionsschritt. Die meisten im Fissionsprozess involvierten Proteine wurden durch lichtmikroskopische Bildgebung entdeckt, die gestörte, mutierte Zellen in mitochondrialer Dynamik abbildet, die diese Proteine nicht besitzen. Dennoch bleiben viele Fragen in Bezug auf den biophysikalischen Mechanismus der Fission und dem Zusammenspiel mit der zellulären Umgebung unbeantwortet. Lichtmikroskopie ermöglicht aufgrund seiner limitierten Auflösung nur einen begrenzten Einblick in den Fissionsmechanismus. Eine höhere Auflösung, die ausreichend ist, um Details mitochondrialer Ultrastruktur im Bereich von einigen Nanometer zu abzubilden, kann mittels Elektronenmikroskopie (EM) erreicht werden. In diesem Projekt verwende ich eine spezielle EM-Technologie zur Visualisierung von Zwischenstadien der mitochondrialen Fission. Zellen mit spezifischen Defekten von Fissionsfaktoren werden verwendet, um den mehrstufigen Fissionsprozess aufzuhalten und so die Analyse von Übergangsstadien zu ermöglichen. Ich konzentriere mich auf die Beantwortung von zwei essenziellen Fragen zur mitochondrialen Dynamik. Erstens, welche sind die Ultrastrukturen der Fissionsübergangsstadien, die in Zellen ohne zentrale Fissionsfaktoren beobachtet werden, und was sagen diese Ultrastrukturen über den biophysikalischen Mechanismus der Fission aus? Zweitens, wie beeinflussen diese Störungen des Fissionsprozesses die Interaktionen von Mitochondrien mit anderen zellulären Komponenten? Die neue EM-Technik, die ich verwenden werde, ist bekannt als Kryo-Rastertransmissionselektronentomographie (KRTET). KRTET ermöglicht die Ausleuchtung von 3D Volumina, die dick genug sind, um ganze Mitochondrien in intakten Zellen zu erfassen. Dadurch wird ein noch nie dagewesener Einblick in die Struktur der Zellen und deren intrazellulären Umgebung gewonnen. KRTET wurde an dem EM-Zentrum des Weizmann Instituts entwickelt und vor kurzem in einer Kollaborationsstudie mit dem Fass Labor angewendet.