Rolle von Zytoskelett in Regulation mitochondrialer Funktion

Die Kontrolle der mitochondrialen oxidativen Phosphorylierung ist ein kardinales Thema in Bereich der Muskelenergetik, und die Analyse ihrer Regulation ist von zentraler Bedeutung für die Grundlagenforschung in der Mitochondrienphysiologie sowie für die Diagnose von zahlreichen Erkrankungen. Im Herzen besteht eine lineare Beziehung zwischen dem Sauerstoffverbrauch und der Kontraktilität, was zeigt, dass dieser Muskel permanent die Energieproduktion der Mitochondrien an den Energieverbrauch anpasst. Die genaue Natur der in diesem Prozess involvierten Signale ist bis jetzt noch nicht identifiziert. Die oxidative Kapazität der Mitochondrien und ihre Affinität zu dem Hauptregulator ADP sind Schlüsselkomponenten der Mitochondrienphysiologie. Studien von Mitochondrien in permeabilisierten Zellen in situ sowie Muskelfasern zeigten stark erhöhte Km-Werte für ADP bei der Regulation der mitochondrialen Atmung im Vergleich zu isolierten Mitochondrien. Es wurde vermutet, dass dieser Effekt durch Interaktion von Zytoskelett-Proteinen, insbesondere Intermediärfilament (IF)-Proteinen mit dem VDAC der äußeren Mitochondrienmembran, der in Bezug zu der lokalen Verfügbarkeit von ADP in der Zelle steht, hervorgerufen wird. Das deutet darauf hin, dass IF-Proteine aktiv an der Mitochondrienregulation beteiligt sind. Obwohl bereits gezeigt wurde, dass verschiedene Zytoskelettproteine mit Mitochondrien assoziieren und interagieren ist ihre Rolle in der Regulation der mitochondrialen Bioenergetik noch nicht verstanden. Die besten Kandidaten hierfür sind die Zytoskelettproteine Plektin und Desmin. Der allgemeine Fokus dieses Projektes liegt deshalb auf der Beschreibung der physiologischen Rolle von Mitochondrien-Zytoskelett Interaktionen für die Kontrolle von mitochondrialer Sensitivität für ADP. Hierzu werden Kinetiken der ATP-Synthese sowie die Sensitivität von Mitochondrien zu ADP in permeabilisierten Muskelfasern in situ analysiert, die aus verschiedenen Muskeltypen von Plektin- und Desmin-knockout Mäusen (inklusive Desmin/Plektin doppel-knockout) isoliert wurden und mit den Parametern aus Wildtyp-Mäusen verglichen. Wir möchten insbesondere die in situ Analyse von Mitochondrien basierend auf der selektiven Permeabilisierung der Plasmamembran anwenden. Dieser Ansatz hat im Vergleich zu isolierten Mitochondrien eine Reihe von Vorteilen: 1) Artefakte durch die Isolierung von Mitochondrien werden vermieden; 2) es werden nur sehr kleine Gewebeproben benötigt; 3) es kann die gesamte Population von Mitochondrien einer Zelle untersucht werden; 4) und insbesondere erlaubt er, Mitochondrien innerhalb eines integrierten zellulären Systems zu analysieren sowie in ihrer normalen intrazellulären Position und ihrem Aufbau, wodurch essentielle Interaktionen mit dem Zytoskelett erhalten bleiben. Diese Arbeit wird in Kooperation mit der Gruppe von Dr. G. Wiche in Wien (MFPL) durchgeführt. Seine Kooperation und die bereits generierten Mausmodelle sind essentiell für das Projekt. Durch die Kombination von hochauflösender Respirometrie und "live imaging" von Mitochondrien erhoffen wir darüber hinaus, die Beziehung zwischen der intrazellulären Organisation von Mitochondrien und ihre unterschiedlichen ADP-Sensitivität zu identifizieren. Mit Hilfe der sich ergänzenden Kooperationen mit nationalen und internationalen Partnern sind wir zuversichtlich, dass die Ziele des Projekts in einem hocheffizienten Weg erreicht werden.

Das vorgeschlagene Projekt wird neue Erkenntnisse für ein umfassenderes Verständnis für die Rolle der Interaktion von Mitochondrien mit dem Zytoskelett liefern, was für die Kontrolle und Regulation der mitochondriellen Atmung im Herzen und Skelettmuskel von entscheidender Bedeutung ist. Diese Daten werden entscheidend dazu beitragen, eine bisher fehlendes molekulares Bindeglied zwischen den Mechanismen, die die Organisation/Struktur von Mitochondrien beeinflussen und denen, die die Regulation der mitochondriellen Funktion steuern, aufzudecken, sowohl in gesunden Zellen als auch unter Bedingungen, in denen der Energiestoffwechsel beeinträchtigt ist. Darüber hinaus, werden die neuen Erkenntnisse entscheidend zu unserem Verständnis grundlegender Mechanismen der Interaktionen von Mitochondrien mit den übrigen Zellbestandteilen beitragen (Mitochondrien - Zell Kommunikation). Insbesondere auch zu den Mechanismen, die die Beeinträchtigung dieser Interaktionen in verschiedenen Erkrankungen regulieren. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die neuen wissenschaftlichen Informationen, die im vorliegenden Projekt erhalten werden, mit Sicherheit nicht nur Eingang in die Grundlagenforschung finden, sondern auch wichtige Impulse für die Erforschung der Mitochondrien-Physiologie sowie für klinisch-orientierte Studien liefern werden. Arbeiten über die Wechselwirkung von Mitochondrien mit anderen intrazellulären Strukturen wie dem Zellskelett werden verschiedene Auswirkungen auf viele Bereiche der Zellbiologie und Pathologie haben. Die vorgeschlagene Analyse von Veränderungen in der Mitochondrien-Funktion und im Energietransfer liefert ein wertvolles Werkzeug für die genaue Interpretation von Ergebnissen, die in klinischen Studien über verschiedene Stoffwechselerkrankungen des Menschen (wie zum Beispiel die molekularen Mechanismen des Ischämie-Reperfusionsschadens in verschiedenen Organen, oder für menschliche Herz und Muskelerkrankungen) erhalten wurden. Der Energiestoffwechsel des Muskels ist sensitiv für Ernährung, Sport und der Zusammensetzung der Muskelfasern. Aus diesem Grund wird die vorgeschlagene Analyse der Mitochondrien sicherlich auch Eingang in die Sportmedizin finden.