Warum altern Zellen?

  • Beitrag veröffentlicht:27. April 2022

Der Europäische Forschungsrat (European Research Council, ERC) hat Professor Dr. Johannes Herrmann mit einem ERC Advanced Grant ausgezeichnet, einer der renommiertesten Forschungsförderungen weltweit. Der Kaiserslauterer Zellbiologe erhält für fünf Jahre rund 2,35 Millionen Euro, um zu untersuchen, wie Zellen über lange Zeit funktionsfähig bleiben. Im Zentrum stehen die molekularen Mechanismen der zellulären Qualitätskontrolle und der Kommunikationswege, durch die die verschiedenen Teile der Zellen dem Zellkern Probleme mitteilen können. Störungen in diesen Prozessen führen zur vorzeitigen Alterung und zur Entstehung neurodegenerativer Krankheiten wie der Parkinson-Erkrankung.

So wie Organe in unserem Körper unterschiedliche Funktionen ausüben, so machen das auf zellulärer Ebene die Organellen. Besonders wichtige Zellorganellen sind der Zellkern und die Mitochondrien. „Der Zellkern ist vielleicht am besten mit unserem Gehirn vergleichbar, denn dort werden die wichtigen Entscheidungen getroffen“, sagt Professor Dr. Johannes Herrmann, der an der Technischen Universität Kaiserslautern (TUK) das Fachgebiet Zellbiologie leitet. „Die Mitochondrien dagegen produzieren die Energie für die Zelle und sind dabei so wichtig wie das Herz für unseren Körper. Ohne die Energieproduktion der Mitochondrien könnten unsere Zellen nicht lange überleben. Somit sind der Zellkern und die Mitochondrien essentielle Organellen, wie Gehirn und Herz essentielle Organe sind.“

Mitochondrien bestehen aus Proteinen. „In unserem Modellorganismus, der Bäckerhefe, braucht es 902 verschiedene Proteine, um voll funktionsfähige Mitochondrien zu bilden. Nur wenn alle diese Proteine korrekt funktionieren, können Mitochondrien ihre Aufgaben in der Energieproduktion und im Stoffwechsel auch richtig erfüllen“, erklärt Herrmann. „In alternden Zellen nehmen Störungen zu, sodass Proteine zunehmend neu gebildet und ersetzt werden müssen. Das ist ähnlich wie bei einem in die Jahre gekommenen Auto. Dann werden Reparaturmechanismen entscheidend.“

Im Zentrum von Herrmanns Forschungsprojekt stehen die Prozesse, durch die Mitochondrien Störungen an den Zellkern melden können. Herrmanns Arbeitsgruppe an der TU Kaiserslautern hat kürzlich entdeckt, wie diese Kommunikation funktioniert. Mitochondriale Proteine werden im Zytosol, also außerhalb der Mitochondrien gebildet und dann von den Mitochondrien aufgenommen. Sind die Mitochondrien gesund, so erfolgt diese Aufnahme sehr schnell und effizient. Bei Defekten stockt allerdings die Aufnahme und mitochondriale Proteine reichern sich außerhalb der Mitochondrien an. „Die meisten dieser Proteine werden schnell abgebaut. Meine Arbeitsgruppe hat aber kürzlich entdeckt, dass ein Teil dieser Proteine stabil ist und sogar aktiv an verschiedene Stellen der Zelle transportiert wird, sogar in den Zellkern“, berichtet der Professor weiter. „Diese Proteine haben dann Signalwirkung und lösen eine Reihe von Maßnahmen aus, mit denen Zellen die Probleme gezielt wieder beheben können.“ Diese Maßnahmen sind entscheidend für die Funktionsfähigkeit der Mitochondrien und somit auch der gesamten Zelle. 

Gerade für langlebige Zellen sind diese Reparaturmaßnahmen von großer Bedeutung. Nervenzellen im Gehirn werden so alt wie wir Menschen. Das heißt, ein 80 Jahre alter Mensch hat 80 Jahre alte Nervenzellen im Gehirn. Das macht deutlich, wie wichtig es ist, dass diese Zellen funktionell bleiben, denn Nervenzellen im Gehirn werden im Laufe des Lebens nicht mehr neu gebildet. Die Qualitätserhaltung der Mitochondrien ist daher entscheidend für gesundes Altern und für die Vermeidung neurodegenerativer Erkrankungen. „Bei der Parkinsonschen Erkrankung reichern sich immer mehr Mitochondrien an, die nicht mehr richtig funktionieren. Die Energieproduktion in den Nervenzellen geht immer weiter herunter, wie bei einem alten Handy mit schlechtem Akku“, erläutert Herrmann. „Wir wollen nun ergründen, wie die Zellen solche ‘schlechten’ Mitochondrien identifizieren und reparieren können.“ Im Rahmen des vom ERC geförderten Projekt „Mitochondrial Precursor Proteins in the Cytosol as Major Determinants of Cellular Health“ (MitoCyto) möchte er mit einem interdisziplinären Team untersuchen, welche Prozesse hier ablaufen. 

Um die Versuche durchzuführen, kommen verschiedene moderne Methoden zum Einsatz. Dazu zählen unter anderem Hochdurchsatzansätze, mit denen Tausende von Molekülen gleichzeitig analysiert werden können, und Mikrofluidik-gestützte Mikroskopie, mit der sich molekulare Vorgänge im Zytosol beobachten lassen. „Gerade das Umfeld einer technischen Universität mit vielen Ingenieuren und Informatikern in der Nachbarschaft ist hierfür ideal“, sagt Herrmann. Die Erkenntnisse aus dem Projekt werden helfen, zu verstehen, wie Zellen es schaffen, trotz schwankender Stoffwechselbedingungen, ein Proteom, also die Gesamtheit ihrer Proteine, über die gesamte Lebensdauer aufrechtzuerhalten. 

Professor Herrmann ist bereits Sprecher des Graduiertenkollegs STRESSistance, das seit Januar von der Deutschen Forschungsgemeinschaft in einer ersten Förderperiode für viereinhalb Jahre mit rund 3,9 Millionen Euro gefördert wird. Auch hier geht es darum, die zellulären Reaktionen auf Stress besser zu erforschen. Das Kolleg ist angegliedert an den Profilbereich „BioComp – Complex Data Analysis in Life Sciences and Biotechnology“, der an der TUK im Rahmen der Forschungsinitiative des Landes gefördert wird. Dieser hat in den letzten Jahren wesentliche vorbereitende Forschungsarbeiten ermöglicht.

Professor Dr. Johannes Herrmann

Foto: TUK/Koziel

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