Die Energieversorgung des Endoplasmatischen Retikulums

Das Endoplasmatische Retikulum (ER) ist ein schwammartiges, reich verzweigtes Gebilde in allen höher entwickelter Zellen. Als zentrales, lebensnotwendiges Zellorganell ist das ER für die Steuerung vieler Prozesse in einer lebenden Zelle verantwortlich. Störungen dieser ER abhängigen Prozesse können verschiedene Erkrankungen wie Neurodegenerationen, Herzkreislaufleiden und Krebs hervorrufen und aufrechterhalten. Obwohl viele Bausteine und Funktionsvorgänge des ERs bereits aufgeklärt sind, weiß man sehr wenig über die Energieversorgung dieses wichtigen Zellorganells. Es ist zwar bekannt, dass das ER Energie in Form des wichtigsten intrazellulären Energieträgers Adenosintriphosphat (ATP) benötigt um seine lebensnotwendigen Funktionen aufrechtzuerhalten, wie und woher genau jedoch ATP an und in das ER gebracht wird ist weitgehend unklar. In diesem Forschungsprojekt werden moderne Methoden der Biochemie, Zellphysiologie und Zellbiologie kombiniert, um genau herauszufinden welche Zellbausteine und Prozesse essentiell für die Energieversorgung des ERs sind. Eine zentrale Methode in der spezifischen Erforschung des Energiehaushaltes des ERs ist die Echtzeitmessung von ATP Veränderungen in diesem Zellorganell. Solche Messungen sind uns bereits durch den Einsatz von neu- und weiterentwickelten Sensoren gelungen. Diese Sensoren sind aus fluoreszierenden Eiweißmolekülen aufgebaut und zeigen genau an unter welchen Bedingungen sich die Energieversorgung des ERs einzelner Zellen verändert. Als weitere Schritte sind Untersuchungen geplant, welche nun aufklären sollen, inwieweit man die Energieversorgung des ERs zielgerichtet manipulieren kann, wie sich Änderungen der Energieversorgung des ERs auf Zellfunktionen auswirken und ob solche Eingriffe als neue Therapiestrategien zur Behandlung von Stoffwechselerkrankungen, neurodegenerativen Erkrankungen und Krebs eingesetzt werden können.

Die Energieversorgung des Endoplasmatischen RetikulumsDas Endoplasmatische Retikulum (ER) ist ein lebenswichtiges Zellkompartiment, das zur Erfüllung seiner vielfältigen Aufgaben mit Energie versorgt werden muss. Besonders die Faltung von Eiweißmolekülen im Inneren des ERs bedarf einer ständigen Energiezufuhr in Form von Adenosintriphosphat (ATP), einer universellen zellulären Energieform, die nur außerhalb des ERs im Zytosol oder besonders effizient in den Mitochondrien, den Zellkraftwerken, hergestellt werden kann. Die Natur, Eigenschaften und Bedeutungen der Energieversorgung des ERs für verschiedene Zellfunktionen, das Signalverhalten und den Stoffwechsel von Zellen sind jedoch weitgehend unbekannt, wenngleich die Pathologie verschiedener Erkrankungen wie die Entstehung von Krebsarten mit Störungen der Energieversorgung des ERs einhergehen könnten. In diesem Forschungsprojekt haben wir mit Hilfe bereits etablierter und neuentwickelter fluoreszierender Biosensoren die wichtige Energieversorgung des ERs und dessen Auswirkungen und Bedeutung, besonders in Krebszellen, bei Zellstress und der Zellalterung untersucht. Basierend auf unseren Vorarbeiten, in denen wir Messmethoden und Messprotokolle zur Erfassung von ATP-Änderungen im Lumen des ERs einzelner lebender Zellen etabliert hatten, konnten kürzlich ein Protein, mit dem Namen SLC35B1, identifiziert werden, welches für den Import von ATP in das ER von Säugetierzellen verantwortlich zu sein scheint. Wir konnten unlängst die Bedeutung dieses Transporters für den ATP Haushalt im ER verschiedener Zellarten bestätigen und zeigten, dass der Import von ATP in das ER durch Kalziumionen stark kontrolliert wird. Unserer Forschungsergebnisse zeigten ferner, dass die Aktivität der Kalziumaufnahme und Nähe der Mitochondrien zum ER in Krebszellen ganz genau reguliert wird. Interessanterweise spielt auch die Kaliumionenabhängigkeit und Lokalisation bestimmter Enzyme, welche für den Glukosestoffwechsel entscheidend sind, an der Oberfläche von Mitochondrien für den Energiehaushalt von Krebszellen eine entscheidende Rolle. Richtige Störungen dieser komplexen Regulationen mit Wirkstoffen unterschiedlichster Art könnten zukünftig zur Therapie verschiedener Krebsarten herangezogen werden. Um eben diese krebszellenspezifischen Vorgänge noch besser sichtbar und messbar zu machen, haben wir im Rahmen dieses Projektes auch neue fluoreszierende Biosensoren hergestellt. Diese Sensoren, wie die sogenannten GEPIIs (genetically encoded potassium ion inidicators) erlauben es nun erstmals Signalvorgänge und Metabolische Aktivitäten in subzellulären Bereichen aufzulösen. Ein neuer, verbesserter pH Sensor, das pH-Lemon, ermöglicht quantitative Untersuchungen von kleinen sauren Zellbläschen, den Lysosomen, die für die Selbstverdauung und Substratbereitstellung zur Energieneugewinnung hauptverantwortlich sind. Ein kürzlich entwickelter Sensor, das mito- STAR, zeigt den Import eines bestimmten Eiweißmoleküls, welches metabolische Aktivitäten regulieren kann, ins Mitochondrium sowie dessen Ansammlung im Zellkern bei Zellstress an. Mit solchen hoch-informativen und hochauflösenden Messmethoden können wir die Besonderheiten des Signalverhaltens und der Energieversorgung innerhalb einzelner Krebszellen studieren und so hoffentlich wirkungsvollere Strategien zur Entwicklung neuer Verfahren für die personalisierte Diagnostik und Therapie bösartiger Tumorerkrankungen zukünftig entwickeln.