Die Zerstörung des Mikrotubuli-basierten mitochondrialen Transports vermindert die Heterogenität

Mitochondrien von Säugerzellen werden hauptsächlich über Interaktionen mit den Mikrotubuli transportiert. Im Rahmen dieser Arbeit wurde deshalb der Zusammenhang von mitochondrialem Transport, entlang der Mikrotubuli, und der Gradientenverteilung mitochondrialer Proteine, untersucht.

Mittels STED- und Konfokalmikroskopie wurde gezeigt, dass die Depolymerisierung von Tubulin-Fasern und somit der Verlust der Interaktion mit Mitochondrien, zu einer deutlichen Verringerung

Abbildung 4.6: Mitochondriale Qualitätskontrolle während der Zellteilung in der Bäckerhefe Saccharomyces cerevisiae.

Gesündere Mitochondrien, mit einem größeren reduzierenden Potential, werden bevorzugt an den Zellpolen verankert und zurückgehalten. Die Tochterzelle erhält immer gesunde Mitochondrien, welche über Aktin-Filamente transportiert werden. Die Mitochondrien der Mutterzelle verfügen unter anderem über erhöhte Mengen reaktiver Sauestoffspezies, welche eine Schädigung der Zelle erzeugen können.

Abbildung aus (Vevea et al. 2014).

des Ausmaßes der intrazellulären Tom20-Gradientenverteilung führt (siehe 3.5.1). Dies bedeutet, dass die Interaktion von Mitochondrien mit Mikrotubuli und der dadurch ermöglichte mitochondriale Transport oder die Aufhängung von Mitochondrien, zur Entstehung und/oder Aufrechterhaltung der Heterogenität mitochondrialer Proteinverteilungen beiträgt. Diese Ergebnisse weisen darauf hin, dass der Transport von Mitochondrien ein Teil des Mechanismus der zur Entstehung und Aufrechterhaltung der Gradientenverteilung mitochondrialer Proteine führt ist.

Interessanterweise sind die Mitochondrien in Zellen, in denen Tubulin depolymerisiert vorliegt, anderes angeordnet als in unbehandelten Zellen (siehe auch: (Legros et al. 2002)). Sie sind in diesen Zellen über die gesamte Zelle verteilt und kommen nicht gehäuft in Zellkernnähe vor. Das belegt, dass das Mikrotubuli-Zytoskelett für die typische intrazelluläre Anordnung von Mitochondrien mit einer leichten Tendenz zur Aggregierung in Kernnähe verantwortlich ist und somit eventuell auch eine räumliche Positionsinformation innerhalb der Zelle vermittelt.

Die Verringerung der Gradientenverteilung eines mitochondrialen Proteins wurde nicht nur durch die Substanz Nocodazol belegt, sondern auch mittels Rotenon (siehe 3.6). Es bewirkt nicht nur die Depolymerisierung von Tubulin, sondern übt auch den Effekt der Inhibierung der Atmungskettenkomplex I-Aktivität aus (Diaz-Corrales et al. 2005). Im Rahmen dieser Arbeit wurde gezeigt, dass allein der Effekt der Zerstörung der Tubulin-Filamente durch Rotenon und nicht die Inhibierung der Atmungskettenkomplex I-Aktivität einen Einfluss auf die mitochondrialen Proteinverteilungen ausübt. Interessanterweise wird Rotenon mit der Entstehung von neurodegenerativen Erkrankungen wie z.B. Parkinson in Verbindung gebracht (Schapira 2010). Dies deutet auf eine pathophysiologische Relevanz der Gradientenverteilung mitochondrialer Proteine hin.

Um die Rolle der Interaktion von Mitochondrien mit Mikrotubuli, bei der Aufrechterhaltung der Gradientenverteilung mitochondrialer Proteine, genauer zu verstehen, wurde direkt der Einfluss des mitochondrialen Transports hierauf untersucht. Eine Vielzahl möglicher Komplexe, die für den mitochondrialen Transport verantwortlich sind, wurde identifiziert (Lovas et al. 2013). Der am besten charakterisierte ist der Rhot/Trak/Komplex. Er besteht aus dem spezifischen Kinesin-Motorprotein, der die Mikrotubuli bindet, dem mitochondrialen Adapterprotein Rhot und dem Protein Trak, welches eine Verbindung zwischen Rhot und dem Kinesin-Motor herstellt. Eine Vielzahl an Studien belegt, dass ein Verlust dieser Proteine des mitochondrialen Transportkomplexes spezifisch den anterograden Transport von Mitochondrien unterbindet und somit zu einer Umverteilung der Mitochondrien in der Zelle führt (siehe Einleitung 1.1.4) (Schwarz 2013). Im Rahmen dieser Arbeit wurde gezeigt, dass bei Verlust von Rhot1 und Trak1 und dem damit

einhergehenden spezifischen Verlust des mitochondrialen Transports das Ausmaß der Gradientenverteilung von Tom20 über die Zellen verringert ist (siehe 3.5.2).

Somit konnte die direkte Beteiligung des mitochondrialen Transportkomplexes aus Rhot/Trak/Kinesin/Tubulin bei der Entstehung und/oder Aufrechterhaltung der intrazellulären Gradientenverteilung von Tom20 bewiesen werden.

Im Rahmen dieser Arbeit konnte somit ein Einfluss der mitochondrialen Teilung und Bewegung über das Mikrotubuli-Zytoskelett auf die intrazelluläre Verteilung mitochondrialer Proteine identifiziert werden. Welche Signale und molekulare Mechanismen diese Verteilung regulieren, ist bislang unbekannt.

Ein ungeklärter Punkt ist demnach, wie die individuellen Eigenschaften der Mitochondrien von der Zelle erkannt werden und es anschließend zu einer Anordnung der Mitochondrien, anhand ihrer Proteindichte, (z.B. direkt nach der Zellteilung) kommt. Ein potentielles mitochondriales Signal könnte das mitochondriale Membranpotential darstellen, welches ein Indikator der Aktivität der Mitochondrien ist. Im Rahmen einer Studie wurde eine Korrelation des mitochondrialen Membranpotentials mit der mitochondrialen Tom20-Proteindichte angedeutet (Wurm et al. 2011).

Ferner wurde beobachtet, dass die Depolarisation von Mitochondrien ihren Transport in Axonen arretiert (Schwarz 2013). Weiterhin ist das mitochondriale Membranpotential notwendig für die ATP-Produktion über die Atmungskette. Sollten mitochondriale Proteine tatsächlich heterogen verteilt sein, um unterschiedliche energetische Ansprüche innerhalb Zellen zu decken, könnte eine Veränderung des mitochondrialen Membranpotentials und somit der ATP-Produktion eventuell die Grundlage der Proteingradienten zerstören.

Im Rahmen dieser Arbeit wurde jedoch festgestellt, dass weder die Verminderung noch die Erhöhung des mitochondrialen Membranpotentials einen Einfluss auf die Gradientenverteilung des mitochondrialen Proteins Tom20 hat (siehe 3.7.1) und somit das mitochondriale Membranpotential vermutlich nicht als Signal für die Entstehung mitochondrialer Proteingradienten fungiert.

Möglicherweise könnte die relative Veränderung des Membranpotentials durch Manipulation einzelner Mitochondrien und nicht die Veränderung des gesamten Netzwerks weitere Erkenntnisse darüber liefern, ob das mitochondriale Membranpotential als Signal für die heterogene Verteilung mitochondrialer Proteine fungiert. Dieses Experiment ist jedoch schwierig zu realisieren. Somit verbleibt die Frage, wie Mitochondrien unterschieden werden und ihr Transport reguliert wird, sodass dieser nur lokal stattfindet und nach der Zellteilung derart erfolgt, dass Mitochondrien mit einer hohen Proteindichte in Kernnähe angeordnet werden, ungeklärt. Für die Zukunft wäre die Beantwortung der Frage, welche Signale und Proteine tatsächlich für die Regulierung mitochondrialer Proteinverteilung verantwortlich sind, von großer Bedeutung. Hierbei müsste insbesondere die Rolle

des Rhot/TRAK/Kinesin-Transportkomplexes als Teil eines möglichen Regulationsmechanismus mitochondrialer Proteinverteilungen untersucht werden.

Zusammengefasst lässt sich anhand der im Rahmen dieser Arbeit erhaltenen Ergebnisse folgendes Modell zur Entstehung und Aufrechthaltung mitochondrialer Heterogenität postulieren:

Mitochondriale Bewegung und Teilung erfolgen derart, dass ein Gradient der mitochondrialen Proteindichte in einer Zelle erhalten bleibt. Im Rahmen der Zellteilung existiert ein spezifischer Mechanismus, der Mitochondrien zunächst anhand ihrer Eigenschaften (wie beispielsweise dem Inhalt individueller Mitochondrien) unterscheidet und anschließend aktiv die spezifische Aufteilung und Anordnung aller Mitochondrien auf beiden Tochterzellen bewirkt. An diesen Transportprozessen sind Mikrotubuli und der Transportkomplex aus Rhot1/Trak1 beteiligt.

Die Ergebnisse dieser Arbeit tragen somit zum Verständnis der mitochondrialen Heterogenität bei, insbesondere über welchen Mechanismus diese entsteht und aufrechterhalten wird. Es konnte gezeigt werden, dass eine Vielzahl mitochondrialer Proteine eine intrazelluläre heterogene Verteilung in Form eines Dichtegradienten besitzen, welche direkt nach der Zellteilung in beiden Tochterzellen zu beobachten ist. Im Rahmen dieser Arbeit wurde außerdem gezeigt, dass die mitochondriale Teilung und Bewegung Vorgänge sind, welche die Heterogenität mitochondrialer Proteinverteilungen beeinflussen. Darüber hinaus wurde eine veränderte Gradientenverteilung von Tom20 in dysfunktionalen Mitochondrien beobachtet. In Zukunft ist es von enormer Bedeutung weitere Details des intrazellulären Mechanismus, der die mitochondriale Heterogenität erzeugt, aufzuklären, um die Regulation mitochondrialer Funktionen und ihre Integration in die Physiologie von gesamten Zellen noch besser zu verstehen. Dies könnte insbesondere wichtig sein für das Verständnis pathophysiologischer Bedingungen mitochondrialer Dysfunktion. Hierzu ist es außerdem notwendig aufzuklären, welche zellulären Faktoren die mitochondriale Heterogenität bedingen.