Mitochondrien werden als „Kraftwerke der Zelle“ bezeichnet, da sie den Großteil der Energie produzieren, die alle Körperaktivitäten antreiben. Gewebe mit hohem Energiebedarf, wie Muskeln und das Gehirn, reagieren daher besonders empfindlich auf mitochondriale Fehlfunktionen. Spezialisierte Nervenzellen, sogenannte dopaminerge Neurone, die vorwiegend im Mittelhirn lokalisiert sind, produzieren den Botenstoff Dopamin, der die Motivation, Bewegung, Stimmung und den Antrieb steuert. Diese dopaminergen Neurone benötigen besonders viel Energie und sterben bei der Parkinson-Krankheit ab. Die zugrunde liegenden Mechanismen sind jedoch nicht bekannt. Daher gibt es keine Heilung für diese Krankheit, von der laut der Dachorganisation Parkinson´s Europe mehr als zehn Millionen Patient*innen weltweit betroffen sind.
Eine mögliche Ursache könnte sein, dass der hohe Energiebedarf dopaminerger Neurone die Mitochondrien einer außergewöhnlichen Belastung aussetzt, was schließlich zu einer Fehlfunktion dieser Organellen führt. Umgekehrt kann bei bestimmten Krebsarten eine erhöhte mitochondriale Fitness, die die Gesamtzahl, Dichte und Effizienz der Mitochondrien beinhaltet, das Wachstum und die Vermehrung von Krebszellen begünstigen. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, die molekularen Mechanismen zu verstehen, die das empfindliche Gleichgewicht zwischen mitochondrialer Gesundheit und Stressresistenz aufrechterhalten. Bislang haben jedoch technologische Einschränkungen Wissenschaftler*innen daran gehindert, diese Prozesse innerhalb von Zellen mit ausreichender Auflösung zu untersuchen.
Ein internationales Forscherteam unter der Leitung von Prof. Dr. Rubén Fernández-Busnadiego, Leiter der Arbeitsgruppe „Strukturelle Zellbiologie“ am Institut für Neuropathologie der Universitätsmedizin Göttingen (UMG) und Mitglied des Göttinger Exzellenzclusters „Multiscale Bioimaging: von molekularen Maschinen zu Netzwerken erregbarer Zellen“ (MBExC), hat sich diesen Herausforderungen gestellt. Die Forschenden verwendeten eine innovative Elektronenmikroskopie-Technologie, die als Kryo-Elektronentomographie bekannt ist und die dreidimensionale (3D) Darstellung von Zellen ermöglicht, die durch ein ultraschnelles Verfahren eingefroren wurden. Der Vorteil: Diese Methode konserviert die Zellen in einem nahezu natürlichen Zustand und zeigt mit annähernd atomarer Präzision, wie Mitochondrien in menschlichen Zellen unter Stressbedingungen die Proteinbildung herunterregulieren und die Proteinfaltung – ein entscheidender Prozess, der die Proteinfunktionalität sicherstellt – erhöhen. Insbesondere identifizierten sie das mitochondriale Hitzeschockprotein 60, kurz mHsp60, einen wichtigen „Faltungshelfer”, als Schlüsselprotein, das unter Stressbedingungen wesentlich zur Funktionalität der Mitochondrien beiträgt. Die Forschenden konnten in hoher Auflösung zeigen, wie mHsp60 im Allgemeinen funktioniert und wie es sich an Stress anpasst, indem es seine Struktur verändert und dadurch seine Aktivität erhöht.
„Wir haben einen Stresstest in den Mitochondrien durchgeführt, um die molekularen Mechanismen der Qualitätskontrolle und ihre Schwachstellen zu analysieren“, sagt Prof. Fernández-Busnadiego, Letztautor der Studie. „Wir sind besonders daran interessiert, den Zusammenhang zwischen zellulärem Stress, Fehlfaltung von Proteinen und schweren neurodegenerativen Erkrankungen zu entschlüsseln.“
Kenneth Ehses, Postdoktorand am Institut für Neuropathologie der UMG, Erstautor der Studie und Mitglied des Hertha-Sponer-College, die Lehr- und Ausbildungsplattform des MBExC, fügte hinzu: „Die Kryo-Elektronentomographie ermöglicht es uns, Proteinkomplexe direkt in ihrer natürlichen zellulären Umgebung zu untersuchen und so mögliche Mechanismen für die Entstehung von Krankheiten zu erforschen. Die Ergebnisse könnten zur Entwicklung neuer Behandlungsstrategien für neurodegenerative Erkrankungen wie Parkinson beitragen.“
Uni Göttingen
Originalpublikation:
Kenneth Ehses, Jorge P. López-Alonso, Odetta Antico, Yannik Lang, Till Rudack, Abdussalam Azem, Miratul M.K. Muqit, Iban Ubarretxena-Belandia and Rubén Fernández-Busnadiego. Structural remodeling of the mitochondrial protein biogenesis machinery under proteostatic stress. Science Advances (2026). DOI:10.1126/sciadv.aed3579
