Alterung und Zelltod in einer einzelligen Alge

Im Gegensatz zu den zahlreichen Daten, die in den letzten Jahren über Alterung und programmierten Zelltod bei höheren Pflanzen veröffentlicht wurden, liegen über zelluläre und molekulare Prozesse die zum Zelltod von einzelligen pflanzlichen Organismen führen kaum Informationen vor. Die einzellige, theoretisch "unsterbliche" Grünalge Micrasterias (Desmidiaceae) stellt ein ideales System dar um neue Erkenntnisse zu diesem Thema zu gewinnen, da Zellentwicklung, Formbildung, Ultrastruktur, Beteiligung von Organellen am Zellwachstum, Cytoskelett-Funktionen, Sekretion und Auswirkung von Umweltfaktoren auf die Zelldifferenzierung bei diesm Organismus gut untersucht sind. In dem geplanten Projekt soll festgestellt werden, ob ungünstige Umweltfaktoren Alterungs- bzw. Zelltod-Prozesse auslösen, die eine wichtige Überlebensstrategie für die Gesamtpopulation darstellen könnten. Basierend auf soeben veröffentlichten Beobachtungen über Abbauprozesse von Organellen in Micrasterias die vollständig von der bisher aus anderen Organismen bekannten Autophagie abweichen, sollen folgende vier Ziele im geplanten Projekt erreicht werden: 1. Den Organellen-Turnover im normalen Zellzyklus zu untersuchen. Durch den Einsatz neuer Energiefiltermethoden in der Transmissionselektronenmikroskopie (EFTEM) verbunden mit Immunlokalisierung und Confokaler Scanning Laser Mikroskopie sollen Details des Organellenabbaus über lytische Kompartimente, bzw. durch Ausschleusen aus den Zellen, in Abhängigkeit vom Zellalter untersucht werden. 2. Zu klären ob und auf welche Weise programmierter Zelltod unter normalen Kulturbedingungen, oder nach experimenteller Induktion stattfindet. Dabei sollen verschiedene im Handel erhältliche Tests zur Erkennung von Zelltodvorgängen sowie EFTEM eingesetzt werden. 3. Zelluläre und molekulare Vorgänge bei der Zellalterung und dem Zelltod bei Micrasterias zu charakterisieren, wobei vor allem morphologische, strukturelle und physiologische Veränderungen von Organellen, wie Mitochondrien, Zellkern, Chloroplast, ER, Dictyosomen und das Cytoskelett untersucht werden sollen. Zusätzlich sollen wichtige molekulare Regulatoren im Zelltodgeschehen mittels Inhibitoren und Antikörper sowie in Zusammenarbeit mit der Abteilung Genetik unserer Universität durch Erstellung einer cDNA-Bank identifiziert und ihre Beteiligung am Zelltodgeschehen untersucht werden. 4. Sobald die Alterungs- und Zelltodvorgänge bei Micrasterias identifiziert und charakterisiert wurden, soll untersucht werden, inwieweit Umweltfaktoren wie Nährstoffmangel, Lichtmangel, Temperaturstress oder erhöhte Salzkonzentration diese Prozesse beeinflussen. Die geplanten Studien lassen wertvolle Erkenntnisse über Zelltod und Altern in Pflanzenzellen auf zellbiologischer und ökologischer Ebene erwarten, die auch Bedeutung für Landwirtschaft und Ernährung haben könnten.

Vorgänge die zum gezielten Absterben von Zellen oder Geweben führen und als "programmierter Zelltod" bezeichnet werden, sind nicht nur im menschlichen und tierischen Organismus von Bedeutung, sondern spielen auch eine wichtige Rolle bei Entwicklung, Vermehrung, Stressbewältigung und Alterung von Pflanzen. Bei höheren Pflanzen ist programmierten Zelltod und seine intrazelluläre Regulation bereits gut untersucht, bei einzelligen Organismen und insbesondere bei Algen, gibt es jedoch erst wenige Belege dafür, dass programmierter Zelltod überhaupt stattfindet und die Prozesse die dazu führen sind weitgehend unbekannt . Erkenntnisse darüber sind aber äußerst wichtig, um Aufschluss über die Evolution von Überlebensstrategien zu erhalten. Untersuchungsobjekt dieses Projektes war die einzellige Hochmoor-Grünalge Micrasterias, die schon seit vielen Jahren als Modellsystem in der Zellbiologie eingesetzt wird und über deren Entwicklung und Wachstum bereits zahlreiche Daten vorliegen. Da die Alge bei jeder Teilung jeweils nur eine Zellhälfte erneuert, ist sie theoretisch unsterblich und es erschien daher besonders interessant herauszufinden, ob sie unter bestimmten Umweltbedingungen in der Lage ist eine Art "Selbstmordprogramm" ablaufen zu lassen. Dies könnte als Überlebensstrategie wichtig sein, um unter ungünstigen Umweltbedingungen durch die gezielte Abtötung von Zellen, die ausreichende Versorgung einiger wenige Algen und damit die Erhaltung der Art zu sichern. In diesem Projekt wurden verschiedenste licht- und elektronenmikroskopische Techniken aber auch Messungen von Zellfunktionen wie Photosynthese und Atmung, sowie molekularbiologisch Methoden eingesetzt um festzustellen, ob überhaupt und wenn ja, an welchen Merkmalen, programmierter Zelltod in der Alge zu erkennen ist. Dies wurde mit Hilfe von Substanzen getestet, die bei anderen Pflanzen und Tieren als Auslöser von Zelltodprozessen bekannt waren. Die Untersuchungen haben ergeben, dass Micrasterias grundsätzlich in der Lage ist programmierten Zelltod durchzuführen und dass dabei Prozesse ablaufen, die auch von höheren Pflanzen bekannt sind. Eines der interessantesten Ergebnisse dieser Studie ist, dass die Art und Weise wie die Alge programmierten Zelltod durchführt, vom jeweiligen Auslöser abhängt. Das heißt, wenn die Zelle z.B. giftigen Sauerstoffradikalen ausgesetzt ist, reagiert sie mit einem anderen "Selbstmordprogramm", als wenn sie mit unverträglich hohen Salzkonzentrationen konfrontiert ist. In letzterem Fall zeigen die Zellen eine Art "Selbstauflösung" bei der Zellbestandteile gezielt abgebaut werden. Programmierter Zelltod wurde bei der Alge auch durch verschiedene Schwermetalle ausgelöst. Andere Stoffe, wie z.B. wichtigen Botenstoffen aus dem Nervensystem, die auch bei Pflanzen vorkommen, und Stickoxide können zwar zum Absterben der Zellen führen, zeigen aber keine Gemeinsamkeiten mit programmiertem Zelltod. Die Ergebnisse dieses Projektes wurden in 8 Veröffentlichungen in internationalen wissenschaftlichen Journalen publiziert und bei verschiedenen wissenschaftlichen Tagungen präsentiert. Es entstanden eine Doktorarbeiten und drei Diplom bzw. Masterarbeiten während dieser Studie.