Regulation des Ca2+ Einstroms durch Mitochondrien

Jüngste Forschungsergebnisse zeigen, dass Mitochondrien an der Regulation vieler verschiedener Signalwege in Zellen maßgeblich beteiligt sind. Diese Studien lassen diese schon lange bekannten zellulären Energielieferanten in einem völlig neuen Licht erscheinen. Zur Erfüllung ihrer komplexen Aufgaben kommunizieren Mitochondrien mit anderen Zellorganellen und der Zellmembran um die Konzentration von Kalzium Ionen in einer Zelle exakt zu regulieren. Zwiefach positiv geladenen Kalzium Ionen (Ca 2+) werden in allen Zellen als Botenstoffe zur Steuerung vielfältiger Mechanismen verwendet. Eine besondere Bedeutung haben Mitochondrien offensichtlich für die Regulation des sogenannten speicherregulierten Kalziumeinstroms, der durch einen Abfall der Kalziumkonzentration im Endoplasmatischen Retikulum (ER) aktiviert wird. Auf welche Weise nun aber Mitochondrien zur Aktivierung und Aufrechterhaltung dieses wichtigen speicherregulierten Kalziumeinstroms beitragen ist noch weitgehend unklar. Unlängst wurden zwei Eiweißmoleküle beschrieben, die sogennanten STIM und Orai Proteine, welche als Protagonisten des speicherregulierten Kalziumeinstroms fungieren. STIM1 registriert dabei durch eine Ca2+ bindende Domäne im Lumen des ERs den Füllungszustand des intrazellulären Kalziumsspeichers. Bei einer Ca2+ Entleerung des ERs wandern mehrer STIM1-Preoteine zusammen und vereinigen sich schließlich zu großen STIM1-Aggregaten, die genau an jenen Stellen an denen Bereiche des ERs ganz knapp an der Zellmembran liegen lokalisiert sind. Durch diese Umordnung der STIM1-Eiweißmoleküle wird die Information der Kalziumspeicherentleerung an Ionenkanäle der Zellmembran übermittelt. Einer dieser Ionenkanalteile, welcher die Information der Kalziumspeicherentleerung auch empfangen und verstehen kann ist das Orai1-Protein, das vermutlich über eine direkte Wechselwirkung mit STIM1-Proteinen aktiviert wird und dann Ca2+ Einstrom zulässt. Die molekularen Mechanismen wie Mitochondrien die Funktionen von STIM1 und Orai1 Proteinen und damit den speicherregulierten Kalziumeinstrom beeinflussen sind unbekannt und werden in diesem Projekt untersucht. Insbesondere wird der Einfluss der mitochondrialen Ca2+ Homöostase (Ziel 1), der metabolischen Funktion (Ziel 2) der Mitochondrien sowie der Morphologie und Bewegung dieser Zellorganellen (Ziel 3) auf den STIM1/Ora1 abhängigen speicherregulierten Kalziumeinstrom erforscht. Wir hoffen dabei nicht nur neue Einblicke in diese wichtigen zellularen Vorgänge zu bekommen, sondern darüber hinaus potentiell interessante Angriffspunkte für die Therapie von neurodegenerativen, entzündlichen und kardiovaskulären Erkrankungen offen zu legen.

Ein besonders ambitionierter Ansatz sich mit dem Wunder des Lebens auseinanderzusetzen, besteht in der genauen Untersuchung von molekularen Funktionsvorgängen innerhalb von Zellen, welche als mikroskopisch kleine Gebilde alle bekannten Lebewesen aufbauen. Im Rahmen dieses Forschungsprojektes wurden moderne Methoden aus den Bereichen Molekularbiologie, Zellbiologie und Fluoreszenzmikroskopie neu und weiterentwickelt, um ganz bestimmte Vorgänge in Zellen genau beschreiben und untersuchen zu können. Dabei wurde besonderes Augenmerk auf Vorgänge im Endoplasmatische Retikulum (ER), ein für viele Zellfunktionen zentrales Zellkompartiment, und in den Mitochondrien, also jenen Zellorganellen, welche als Kraftwerke einer Zelle für die Energiebereitstellung verantwortlich sind, gelegt. Es ist uns gelungen neue Sensoren, Gerätschaften und Protokolle zu entwickeln, welche bereits zur Erforschung noch unbekannter zellphysiologischer Prozesse erfolgreich eingesetzt werden konnten. Ein grün und rot leuchtendes Eiweißmolekül wurde hergestellt, welches die Aufnahme von Kalzium Ionen (Ca2+) aus dem Zytosom in die Mitochondrien von einzelnen Zellen ganz präzise wiedergeben kann. Ca2+ steuert als zentraler Botenstoffe lebenswichtige Vorgänge in allen bekannten Zellen. So konnte herausgefunden werden, dass die Aufnahme von Ca2+ in die Mitochondrien bestimmte Moleküle im ER beeinflusst, wodurch Ca2+ verstärkt von außen in Zellen eindringen kann. Dieser Ca2+ Einstrom ist zum Beispiel besonders wichtig damit Zellen des Immunsystems ihre Funktionen gut erfüllen können. Andere fluoreszierende Sensoren wurden entwickelt, um erstmals den wichtigsten zellulären Energieträger Adenosintriphosphat (ATP) im ER verfolgen zu können. Erste Messungen von ATP im ER zeigten, dass Krebszellen besonders viel dieses Energieträgers im ER benötigen. Weitere Forschungen sind geplant, um festzustellen inwieweit der neu entdeckte Ca2+-abhängige ER ATP Import als Angriffspunkt für neue Krebstherapieformen geeignet ist. Kürzlich konnten verschiedenfärbige Fluoreszenzsensoren für Stickstoffmonoxid (NO), einem wichtigen zellulären Botenstoff in Blutgefäß-, Nerven-, Abwehr- und Krebszellen, hergestellt und patentiert werden. Zukünftig werden diese Sensoren zur genauen Echtzeitmessung von NO in verschiedenen Zellen herangezogen, um die physiologische und pathologische Bedeutung dieses reaktiven Mediators besser aufklären zu können. Die Forschungstätigkeiten im Rahmen dieses Forschungsprojektes aus dem Bereich der zellulären und molekularen Physiologie führten bis jetzt zu 18 Publikationen in renommierten internationalen Fachzeitschriften und 2 möglicherweise zukünftig verwertbaren Patenten. 6 DoktorantInnen und 3 DiplomantInnen beteiligten sich an den Forschungsaufgaben, wobei bereits 5 Dissertationen und alle 3 Diplomarbeiten erfolgreich abgeschlossen wurden.