Forschungsbericht 2017 - Max-Planck-Institut für molekulare Zellbiologie und Genetik

Zellen im Standby-Modus - Wie Zellen erstarren und damit dem Hungertod entrinnen

Autoren
Alberti, Simon; Munder, Matthias Christoph
Abteilungen
Simon Alberti Group, Max-Planck-Institut für molekulare Zellbiologie und Genetik, Dresden
Zusammenfassung
Bekommen Zellen nicht ausreichend Nahrung, sinkt ihr Energielevel. Dies führt zu einem Abfall des pH-Wertes im Inneren der Zelle, dem flüssigen Zytoplasma – die Zellen werden sauer. Als Reaktion darauf verfallen sie in eine Art Schlafzustand, der ihnen in Notsituationen das Überleben sichern kann. Wie genau die Zellen diesen Standby-Modus anschalten, haben Dresdner Forscher nun herausgefunden: Das Zytoplasma verändert seine Konsistenz von flüssig zu fest, vermutlich um die empfindlichen makromolekularen Strukturen im Zellinneren zu schützen.

Einleitung

Viele wichtige biochemische Reaktionen der Zelle finden im flüssigen Inneren der Zelle - dem Zytoplasma - statt. Dennoch wissen wir immer noch sehr wenig über die Organisation des Zytoplasmas. Die Dresdner Forschungsgruppe will molekulare Prinzipien verstehen, die der Organisation des Zytoplasmas zugrunde liegen. Der Fokus der Gruppe liegt insbesondere darauf, wie sich Zellen auf Stress und Störungen aus ihrer Umwelt einstellen. Bei Stress verändern sich Zellen auf vielen Ebenen, etwa in ihrer Physiologie, dem Stoffwechsel und der Architektur. Dazu wird das Zytoplasma neu organisiert und es werden Kompartimente gebildet, die nicht von einer Membran umgeben sind. Die Fähigkeit, solche Kompartimente zu bilden, nimmt mit zunehmendem Lebensalter ab. Da die dazu benötigten Proteine auch mit neurodegenerativen Alterserkrankungen in Verbindung gebracht werden, könnte ein besseres Verständnis des Aufbaus des Zytoplasmas ein Ansatz für Therapien für diese Krankheiten sein - und ein weiterer Schritt dahin, das Rätsel des Alterns zu entschlüsseln.

Abb.1: Normalerweise sind Hefezellen stäbchenförmig (oben). Entfernen Wissenschaftler jedoch die Zellwand, verlieren die Hefen ihre Stabilität und werden kugelförmig (unten links). Im Schlafzustand (oben rechts) hat der Verlust der Zellwand keine sichtbaren Folgen: Die Zellen bleiben stäbchenförmig (unten rechts).

Im Normalzustand sind Zellen quicklebendig und hochdynamisch: In ihrem Inneren, dem flüssigen Zytoplasma, laufen parallel unzählige Stoffwechselprozesse ab, Proteine und Partikel wuseln wild umher. Um diesen Zustand aufrecht zu erhalten, benötigt die Zelle ständig Energie. Typischerweise leben Organismen aber in unbeständigen Umgebungen und sind Einflüssen ausgesetzt, die nicht optimal für ihr Wachstum und ihre Vermehrung sind. Unter solch ungünstigen Bedingungen können Zellen in eine Art Schlafzustand – oder Dormanz – übergehen, wenn sie zum Beispiel mit Nahrungsmangel konfrontiert werden. In diesem Zustand fahren Zellen ihren Stoffwechsel stark herunter und setzen Wachstum und Zellteilung aus. Das Zytoplasma wird dann umstrukturiert, so sinkt zum Beispiel der Wassergehalt der Zelle drastisch. Oft wird das gesamte Wachstumsprogramm der Zelle heruntergefahren, und spezialisierte Zelltypen, wie Sporen, Samen oder Zysten bilden sich aus. Diese können dann lange Zeit Hunger, niedrige Temperaturen oder gar Austrocknung überstehen.  In extremen Fällen sind solche Zellen kaum oder gar nicht mehr von toten Zellen zu unterscheiden – und doch sind sie in der Lage in den Normalzustand zurückzukehren, wenn sich die Bedingungen in ihrer Umgebung verbessert haben.

Von Flüssig zu Fest zu Flüssig

Die Max-Planck-Forscher wollten genauer verstehen, wie Zellen ihr Zytoplasma strukturieren und regulieren, um den Standby-Modus ein- und wieder ausschalten können. Dazu arbeiteten sie mit der Bäckerhefe (Saccharomyces cerevisiae), einem pilzlichen Einzeller, und ließen die Hefezellen zunächst hungern. Ihre Beobachtung: der pH-Wert der Zelle sinkt, das Zytoplasma wird saurer als im Normalzustand und es verliert seine Dynamik. Die Zellorganellen und Partikel werden in ihrer Bewegung gebremst. Der niedrige pH-Wert der Zelle bewirkt, dass viele Proteine große, mikroskopisch sichtbare Strukturen oder Filamente bilden. Gleichzeitig verliert die Zelle Wasser und wird merklich kleiner. Dadurch verändert das Zytoplasma seine Konsistenz – der Aggregatzustand ändert sich zunehmend von flüssig zu fest – und die Zelle verfällt in einen Schlafzustand. Im Schlafzustand werden die Zellen vor den schädlichen Auswirkungen des Energiemangels geschützt. Momentan ist noch nicht bekannt, warum diese Prozesse des Schlafzustandes so schützend wirken. Die Forscher vermuten eine Kombination verschiedener Wirkungen, wie das Einsparen von Energie oder der Schutz der makromolekularen Strukturen.

Faszinierenderweise können dormante Zellen diese Reaktion auch wieder rückgängig machen. Das ist möglich, weil die Proteine bei der pH-Wert abhängigen Gruppierung in größere Formationen ihre ursprüngliche Struktur behalten und nicht denaturieren. Ihre Gruppierung kann wieder aufgelöst werden, wenn wieder ausreichend Nahrung zur Verfügung steht. Dann steigt der pH-Wert, das Zytoplasma wird wieder flüssig und die Zellen setzen Wachstum und Zellteilung fort. Die zeigen, dass der Zustand des Zytoplasmas für das An- und Ausschalten des Standby-Modus entscheidend ist: Zellen scheinen über einen Kontrollmechanismus zu verfügen, mit dem sie ihre eigene Konsistenz in Reaktion auf bestimmte Umweltbedingungen regulieren können, um das Überleben zu sichern. Der Tod lässt sich also „austricksen“, indem sämtliche Lebensprozesse auf kontrollierte Art und Weise heruntergefahren werden.

Die Forscher bedienten sich mehrerer Methoden, um den Standby-Modus weiter zu erforschen: So maßen sie die Dynamik in Hefezellen und verglichen die Mobilität verschiedener Zellorganellen in schlafenden und sich teilenden Zellen. Dazu werden zellfremde Partikel in die Zelle eingebracht, die besser geeignet waren als zelleigene, die nur begrenzt verwertbare Informationen zu ihrer Bewegung innerhalb der Zelle liefern. Um die mechanische Stabilität der Zellen im Schlafzustand zu messen, wenn der pH-Wert niedrig und die Zelle kleiner und fester ist, wurde die Zellwand der Hefezellen entfernt. Mittels der Atomic Force Mikroskopie konnte gezeigt werden, dass die sauren Zellen etwa 2,5-mal steifer waren als die Kontrollzellen. Die Forscher schlussfolgerten, dass diese Stabilität zum Teil durch die Bildung von makromolekularer Strukturen erreicht wird. Das Ziel zukünftiger Studien ist es, diejenigen molekularen Mechanismen und physikalischen Ursachen zu erforschen, welche die Bildung eines festen Zytoplasmas begünstigen. Ob auch menschliche Zellen diesen „Trick“ erlernen können, wird sich in den kommenden Jahren zeigen.

 

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