Zusammenfassung der Zellstruktur, anatomische Korrelate der metabolischen Funktion

Autor und Kurator: Larry H. Bernstein, MD, FCAP

Dieses Kapitel befasst sich mit der subzellulären Ultrastruktur der Organellen und vor allem mit deren Funktion. In der Zellstruktur gibt es keinen Abfall. Der Zellkern enthält die Anweisungen, die für die Ausführung der Zellfunktionen erforderlich sind. In der eukaryotischen Zelle gibt es eine erhebliche Differenzierung, so dass die Zellen für die Bedürfnisse, die sie in einzigartiger Weise erfüllen, reguliert werden. Wenn dies nicht der Fall ist, führt es zu einem Umbau oder zum Zelltod.

Hier möchte ich einige Höhepunkte dieses Kapitels erwähnen.

1. In jedem Aspekt der Zellfunktion sind Proteine beteiligt, die in die Struktur eingebettet sind, um möglichst effizient zu funktionieren.
2. Die Regulierung des Stoffwechsels hängt von Bahnen ab, die ebenfalls Verbindungen von Proteinen darstellen.
3. Die Energienutzung hängt von enzymatischen Reaktionen ab, an denen oft essentielle Metallionen mit hoher Wertigkeit beteiligt sind, was die kovalente und anionische Bindung erleichtert und eine wesentliche Rolle bei der Allosterizität spielt.

Mitochondrien

Mitochondrien haben einen Durchmesser von 0,5 bis 1,0 Mikrometer (μm). Diese Strukturen werden manchmal als „zelluläre Kraftwerke“ bezeichnet, weil sie den größten Teil des Zellvorrats an Adenosintriphosphat (ATP) erzeugen, das als chemische Energiequelle dient. Neben der Bereitstellung von Zellenergie sind Mitochondrien auch an anderen Aufgaben wie der Signalübertragung, der Zelldifferenzierung, dem Zelltod sowie der Steuerung des Zellzyklus und des Zellwachstums beteiligt. Mitochondrien werden mit verschiedenen menschlichen Krankheiten in Verbindung gebracht, darunter mitochondriale Störungen und Herzfehlfunktionen.

Die Anzahl der Mitochondrien in einer Zelle kann je nach Organismus, Gewebe und Zelltyp stark variieren. So haben beispielsweise rote Blutkörperchen keine Mitochondrien, während Leberzellen mehr als 2000 haben können. Die Organelle setzt sich aus Kompartimenten zusammen, die spezialisierte Funktionen ausüben. Zu diesen Kompartimenten oder Regionen gehören die äußere Membran, der Intermembranraum, die innere Membran sowie die Cristae und die Matrix. Mitochondriale Proteine variieren je nach Gewebe und Spezies. Es wird angenommen, dass das mitochondriale Proteom dynamisch reguliert wird. Obwohl der größte Teil der DNA einer Zelle im Zellkern enthalten ist, hat das Mitochondrium sein eigenes, unabhängiges Genom. Außerdem weist seine DNA erhebliche Ähnlichkeit mit bakteriellen Genomen auf.

1913 wurden Partikel aus Extrakten der Meerschweinchenleber von Otto Heinrich Warburg mit der Atmung in Verbindung gebracht, die er „grana“ nannte. Warburg und Heinrich Otto Wieland, der ebenfalls einen ähnlichen Teilchenmechanismus postuliert hatte, waren sich über die chemische Natur der Atmung uneinig. Erst 1925, als David Keilin die Cytochrome entdeckte, wurde die Atmungskette beschrieben. Im Jahr 1939 zeigten Experimente mit gehackten Muskelzellen, dass ein Sauerstoffatom zwei Adenosintriphosphatmoleküle bilden kann, und 1941 wurde von Fritz Albert Lipmann das Konzept der Phosphatbindungen als Energieform im Zellstoffwechsel entwickelt. In den folgenden Jahren wurde der Mechanismus der Zellatmung weiter ausgearbeitet, obwohl die Verbindung zu den Mitochondrien nicht bekannt war. Die Einführung der Gewebefraktionierung durch Albert Claude ermöglichte es, Mitochondrien aus anderen Zellfraktionen zu isolieren und biochemische Analysen nur an ihnen durchzuführen. Im Jahr 1946 kam er zu dem Schluss, dass die Cytochromoxidase und andere für die Atmungskette verantwortliche Enzyme in den Mitochondrien isoliert sind.

1952 erschienen die ersten hochauflösenden Mikrofotografien, die die Janus-Grün-Färbung als bevorzugte Methode zur Visualisierung der Mitochondrien ablösten. Dies führte zu einer genaueren Analyse der Struktur der Mitochondrien und bestätigte, dass sie von einer Membran umgeben sind. Es zeigte sich auch, dass sich im Inneren der Mitochondrien eine zweite Membran befindet, die sich in Rippen zusammenfaltet und die innere Kammer unterteilt, und dass die Größe und Form der Mitochondrien von Zelle zu Zelle variiert. 1967 wurde entdeckt, dass Mitochondrien Ribosomen enthalten. 1968 wurden Methoden zur Kartierung der mitochondrialen Gene entwickelt, und 1976 wurde die genetische und physikalische Karte der Hefe-Mitochondrien fertiggestellt.

Ein Mitochondrium enthält eine äußere und eine innere Membran, die aus Phospholipid-Doppelschichten und Proteinen bestehen. Die beiden Membranen haben unterschiedliche Eigenschaften. Aufgrund dieser Doppelmembran-Organisation besteht ein Mitochondrium aus fünf verschiedenen Teilen. Sie sind:

1. die äußere Mitochondrienmembran,
2. der Intermembranraum (der Raum zwischen der äußeren und der inneren Membran),
3. die innere Mitochondrienmembran,
4. der Cristae-Raum (gebildet durch Einfaltungen der inneren Membran) und
5. die Matrix (Raum innerhalb der inneren Membran).

Mitochondrien, die ihrer äußeren Membran beraubt sind, werden Mitoplasten genannt.

Mitochondrien-Ultrastruktur (interaktives Diagramm) Ein Mitochondrium hat eine Doppelmembran; die innere enthält seinen chemiosmotischen Apparat und hat tiefe Rillen, die seine Oberfläche vergrößern. Obwohl es häufig als „orangefarbene Wurst mit einem Klecks darin“ dargestellt wird (wie hier), können Mitochondrien viele Formen annehmen, und ihr Intermembranraum ist recht dünn.

Der Intermembranraum ist der Raum zwischen der äußeren und der inneren Membran. Er wird auch als perimitochondrialer Raum bezeichnet. Da die äußere Membran für kleine Moleküle frei durchlässig ist, sind die Konzentrationen kleiner Moleküle wie Ionen und Zucker im Intermembranraum die gleichen wie im Zytosol. Große Proteine müssen jedoch eine spezifische Signalsequenz aufweisen, um durch die äußere Membran transportiert werden zu können, so dass sich die Proteinzusammensetzung dieses Raums von der des Zytosols unterscheidet. Ein Protein, das auf diese Weise im Intermembranraum lokalisiert ist, ist Cytochrom c.

Die innere Mitochondrienmembran enthält Proteine mit fünf Funktionstypen:

1. Proteine, die die Redoxreaktionen der oxidativen Phosphorylierung durchführen
2. ATP-Synthase, die ATP in der Matrix erzeugt
3. Spezifische Transportproteine, die den Metabolitenein- und -austritt in die Matrix regulieren
4. Proteinimportmaschinerie.
5. Mitochondrien-Fusions- und Spaltprotein

Es enthält mehr als 151 verschiedene Polypeptide und hat ein sehr hohes Protein-Phospholipid-Verhältnis (mehr als 3:1 nach Gewicht, d.h. etwa 1 Protein für 15 Phospholipide). Die innere Membran beherbergt etwa 1/5 des gesamten Proteins eines Mitochondriums. Darüber hinaus ist die innere Membran reich an einem ungewöhnlichen Phospholipid, dem Cardiolipin. Dieses Phospholipid wurde ursprünglich 1942 in Rinderherzen entdeckt und ist normalerweise charakteristisch für mitochondriale und bakterielle Plasmamembranen. Cardiolipin enthält vier Fettsäuren anstelle von zwei und kann dazu beitragen, die innere Membran undurchlässig zu machen. Anders als die äußere Membran enthält die innere Membran keine Porine und ist für alle Moleküle sehr undurchlässig. Fast alle Ionen und Moleküle benötigen spezielle Membrantransporter, um in die Matrix einzutreten oder sie zu verlassen. Proteine werden über den Translocase of the Inner Membrane (TIM)-Komplex oder über Oxa1 in die Matrix transportiert. Darüber hinaus liegt an der inneren Membran ein Membranpotential an, das durch die Wirkung der Enzyme der Elektronentransportkette gebildet wird.

Die innere Mitochondrienmembran ist in zahlreiche Cristae unterteilt, die die Oberfläche der inneren Mitochondrienmembran vergrößern und ihre Fähigkeit zur ATP-Produktion verbessern. Bei typischen Lebermitochondrien ist die Fläche der inneren Membran etwa fünfmal so groß wie die der äußeren Membran. Dieses Verhältnis ist variabel, und Mitochondrien von Zellen, die einen höheren ATP-Bedarf haben, wie z. B. Muskelzellen, enthalten sogar noch mehr Cristae. Diese Falten sind mit kleinen runden Körpern übersät, die als F1-Partikel oder Oxysomen bezeichnet werden. Dabei handelt es sich nicht um einfache zufällige Falten, sondern um Einstülpungen der inneren Membran, die die gesamte chemiosmotische Funktion beeinflussen können. Eine neuere mathematische Modellierungsstudie legt nahe, dass die optischen Eigenschaften der Cristae in fadenförmigen Mitochondrien die Erzeugung und Ausbreitung von Licht im Gewebe beeinflussen können.

Die Matrix ist der von der inneren Membran umschlossene Raum. Sie enthält etwa 2/3 des gesamten Proteins in einem Mitochondrium. Die MAM ist reich an Enzymen, die an der Lipidbiosynthese beteiligt sind, wie die Phosphatidylserinsynthase auf der ER-Seite und die Phosphatidylserindecarboxylase auf der Mitochondrienseite. Da es sich bei den Mitochondrien um dynamische Organellen handelt, die ständig Spaltungs- und Fusionsvorgänge durchlaufen, benötigen sie eine konstante und gut regulierte Versorgung mit Phospholipiden für die Integrität ihrer Membran. Mitochondrien sind jedoch nicht nur ein Ziel für die Phospholipide, deren Synthese sie abschließen; vielmehr spielt dieses Organell auch eine Rolle im interorganellen Verkehr der Zwischenprodukte und Produkte der Phospholipidbiosynthesewege, des Ceramid- und Cholesterinstoffwechsels und der Glycosphingolipidanabolisme-Produktion von ATP mit Hilfe der in der inneren Membran enthaltenen ATP-Synthase. Die Matrix enthält eine hochkonzentrierte Mischung aus Hunderten von Enzymen, speziellen mitochondrialen Ribosomen, tRNA und mehreren Kopien des mitochondrialen DNA-Genoms. Zu den wichtigsten Funktionen der Enzyme gehören die Oxidation von Pyruvat und Fettsäuren sowie der Zitronensäurezyklus.

Die gereinigte MAM aus der subzellulären Fraktionierung ist nachweislich angereichert mit Enzymen, die am Phospholipidaustausch beteiligt sind, sowie mit Kanälen, die mit der Ca2+-Signalübertragung in Verbindung stehen. Die mitochondrienassoziierte ER-Membran (MAM) ist ein weiteres Strukturelement, dessen entscheidende Rolle in der Zellphysiologie und -homöostase zunehmend anerkannt wird. Die vermeintlichen ER-Vesikel-Verunreinigungen, die stets in der Mitochondrienfraktion auftauchten, wurden einst als technische Probleme bei der Zellfraktionierung betrachtet und als membranöse Strukturen identifiziert, die von der MAM stammen – der Schnittstelle zwischen Mitochondrien und dem ER. Die physikalische Kopplung zwischen diesen beiden Organellen war zuvor in elektronenmikroskopischen Aufnahmen beobachtet worden und wurde in jüngerer Zeit mit Fluoreszenzmikroskopie untersucht. Diese Studien gehen davon aus, dass das ER und die Mitochondrien an der MAM, die bis zu 20 % der äußeren Mitochondrienmembran ausmachen kann, nur 10-25 nm voneinander entfernt sind und durch Protein-Tethering-Komplexe zusammengehalten werden.

Diese Transportkapazität hängt von der MAM ab, die nachweislich den Transfer von Lipid-Intermediaten zwischen den Organellen erleichtert. Im Gegensatz zu dem üblichen vesikulären Mechanismus des Lipidtransfers gibt es Hinweise darauf, dass die physische Nähe der ER- und der Mitochondrienmembran am MAM ein Umdrehen der Lipide zwischen den gegenüberliegenden Doppelschichten ermöglicht. Trotz dieses ungewöhnlichen und scheinbar energetisch ungünstigen Mechanismus ist für diesen Transport kein ATP erforderlich. Stattdessen hat sich in Hefe gezeigt, dass er von einer Multiprotein-Tethering-Struktur abhängt, die als ER-Mitochondrien-Begegnungsstruktur oder ERMES bezeichnet wird, obwohl unklar bleibt, ob diese Struktur den Lipidtransfer direkt vermittelt oder erforderlich ist, um die Membranen in ausreichender Nähe zu halten, um die Energiebarriere für das Lipidflipping zu senken.

Eine kritische Rolle des ER bei der Kalzium-Signalübertragung wurde anerkannt, bevor eine solche Rolle für die Mitochondrien weithin akzeptiert wurde, zum Teil deshalb, weil die geringe Affinität der an der äußeren Mitochondrienmembran lokalisierten Ca2+-Kanäle der angeblichen Reaktionsfähigkeit dieser Organelle auf Veränderungen des intrazellulären Ca2+-Flusses zu widersprechen schien. Doch das Vorhandensein des MAM löst diesen scheinbaren Widerspruch auf: Die enge physische Verbindung zwischen den beiden Organellen führt zu Ca2+-Mikrodomänen an Kontaktpunkten, die eine effiziente Ca2+-Übertragung vom ER zu den Mitochondrien ermöglichen. Die Übertragung erfolgt als Reaktion auf so genannte „Ca2+-Puffs“, die durch spontane Anhäufung und Aktivierung von IP3R, einem kanonischen Ca2+-Kanal der ER-Membran, erzeugt werden.

Die Eigenschaften der Ca2+-Pumpe SERCA und des Kanals IP3R, die auf der ER-Membran vorhanden sind, erleichtern die durch die MAM-Funktion koordinierte Rückkopplungsregulation. Insbesondere ermöglicht die Ausscheidung von Ca2+ durch den MAM eine räumlich-zeitliche Strukturierung der Ca2+-Signalgebung, da Ca2+ die IP3R-Aktivität in einer biphasischen Weise verändert. SERCA wird ebenfalls durch mitochondriale Rückkopplungen beeinflusst: Die Aufnahme von Ca2+ durch den MAM stimuliert die ATP-Produktion und stellt damit Energie bereit, die SERCA in die Lage versetzt, das ER mit Ca2+ aufzuladen, um den Ca2+-Abfluss am MAM fortzusetzen. Der MAM ist also kein passiver Puffer für Ca2+-Schübe, sondern trägt durch Rückkopplungsschleifen, die die ER-Dynamik beeinflussen, zur Modulation weiterer Ca2+-Signale bei.

Die Regulierung der Ca2+-Freisetzung aus dem ER am MAM ist besonders kritisch, weil nur ein bestimmtes Fenster der Ca2+-Aufnahme die Mitochondrien und damit die Zelle in der Homöostase hält. Eine ausreichende intraorganelle Ca2+-Signalisierung ist erforderlich, um den Stoffwechsel durch die Aktivierung von Dehydrogenase-Enzymen zu stimulieren, die für den Fluss durch den Zitronensäurezyklus entscheidend sind. Sobald jedoch die Ca2+-Signalisierung in den Mitochondrien einen bestimmten Schwellenwert überschreitet, stimuliert sie den intrinsischen Weg der Apoptose, indem sie das für den Stoffwechsel erforderliche mitochondriale Membranpotenzial teilweise zusammenbrechen lässt. Studien, in denen die Rolle von pro- und anti-apoptotischen Faktoren untersucht wurde, unterstützen dieses Modell. So hat sich beispielsweise gezeigt, dass der anti-apoptotische Faktor Bcl-2 mit IP3Rs interagiert, um die Ca2+-Füllung des ER zu reduzieren, was zu einem verringerten Abfluss am MAM führt und den Zusammenbruch des mitochondrialen Membranpotenzials nach apoptotischen Stimuli verhindert. Angesichts der Notwendigkeit einer solchen Feinregulierung der Ca2+-Signalübertragung ist es vielleicht nicht überraschend, dass dysreguliertes mitochondriales Ca2+ bei mehreren neurodegenerativen Krankheiten eine Rolle spielt, während der Katalog der Tumorsuppressoren einige enthält, die am MAM angereichert sind.

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Lysosom und Apoptose

Rolle der Autophagie bei Krebs

R Mathew, V Karantza-Wadsworth & E White

Nature Reviews Cancer 7, 961-967 (Dec 2007) | http://dx.doi.org:/10.1038/nrc2254

Autophagie ist ein zellulärer Abbauweg für die Beseitigung von beschädigten oder überflüssigen Proteinen und Organellen. Das Recycling dieser intrazellulären Bestandteile dient in Zeiten von Stoffwechselstress auch als alternative Energiequelle zur Aufrechterhaltung der Homöostase und Lebensfähigkeit. In Tumorzellen mit Defekten in der Apoptose ermöglicht die Autophagie ein längeres Überleben. Paradoxerweise werden Defekte der Autophagie mit einer verstärkten Tumorentstehung in Verbindung gebracht, aber der Mechanismus dahinter ist noch nicht geklärt. Jüngste Erkenntnisse deuten darauf hin, dass die Autophagie eine schützende Funktion hat, um die Tumornekrose und Entzündung zu begrenzen und Genomschäden in Tumorzellen als Reaktion auf metabolischen Stress abzuschwächen.

Aufrechterhaltene Aktivierung von mTORC1 im Skelettmuskel hemmt konstitutive und durch Hunger induzierte Autophagie und verursacht eine schwere, spät einsetzende Myopathie

P Castets, S Lin, N Rion, S Di Fulvio, et al.
cell-metabolism 7 May, 2013; 17(5): p731-744 http://dx.doi.org/10.1016/j.cmet.2013.03.015

• mTORC1-Inhibition ist erforderlich für konstitutive und Hunger-induzierte Autophagie
• Aufrechterhaltene Aktivierung von mTORC1 führt zu einer schweren Myopathie aufgrund einer Beeinträchtigung der Autophagie
• TSC1-Verarmung reicht aus, um mTORC1 zu aktivieren, unabhängig von anderen Stimuli
• mTORC1 Inaktivierung reicht aus, um die LC3-Lipidierung auszulösen

Autophagie ist ein kataboler Prozess, der den homöostatischen Zellabbau sicherstellt und bei einer wachsenden Zahl von myopathologischen Erkrankungen dereguliert ist. Obwohl gezeigt wurde, dass FoxO3 die Expression von mit der Autophagie zusammenhängenden Genen in der Skelettmuskulatur fördert, sind die Mechanismen, die die Autophagie auslösen, unklar. Wir zeigen, dass TSC1-defiziente Mäuse (TSCmKO), die durch eine anhaltende Aktivierung von mTORC1 gekennzeichnet sind, eine spät auftretende Myopathie entwickeln, die mit einer gestörten Autophagie zusammenhängt. In jungen TSCmKO-Mäusen ist die

• konstitutive und durch Hunger induzierte Autophagie trotz FoxO3-Aktivierung in den Induktionsschritten durch
• mTORC1-vermittelte Hemmung von Ulk1 blockiert.

Rapamycin reicht aus, um die Autophagie in TSCmKO-Mäusen wiederherzustellen und

• verbessert den Muskelphänotyp alter mutierter Mäuse.

Umgekehrt induziert die Aufhebung der mTORC1-Signalübertragung durch

• Abnahme von Raptor die Autophagie unabhängig von der FoxO-Hemmung.

MTORC1 ist also der dominante Regulator der Autophagie-Induktion im Skelettmuskel und

• sorgt für eine enge Koordination der Stoffwechselwege.

Diese Erkenntnisse könnten interessante Wege für therapeutische Strategien eröffnen, die auf Autophagie-bedingte Muskelerkrankungen ausgerichtet sind.

Histondeacetylasen 1 und 2 regulieren den Autophagie-Fluss und die Skelettmuskel-Homöostase in Mäusen

HDAC1 aktiviert FoxO und ist sowohl ausreichend als auch erforderlich für die Skelettmuskelatrophie

Beharry, PB. Sandesara, BM. Roberts, et al.
J. Cell Sci. Apr 2014 127 (7) 1441-1453 http://dx.doi.org:/10.1242/jcs.136390

Die Forkhead Box O (FoxO) Transkriptionsfaktoren werden unter verschiedenen pathophysiologischen Bedingungen, einschließlich Muskelschwund und Krebskachexie, aktiviert und sind für den Muskelschwund notwendig. Die Mechanismen, die zur Aktivierung von FoxO führen, sind jedoch noch nicht genau definiert. Jüngste Daten aus unserem und anderen Labors deuten darauf hin, dass

• die Aktivität von FoxO unter basalen Bedingungen durch reversible Lysin-Acetylierung unterdrückt wird,

die unter katabolen Bedingungen beeinträchtigt wird.

Daher wollten wir herausfinden, wie Histon-Deacetylase-Proteine (HDAC) zur

• Aktivierung von FoxO und zur Induktion des Muskelschwundprogramms beitragen.

Durch den Einsatz verschiedener pharmakologischer Inhibitoren zur Blockierung der HDAC-Aktivität konnten wir zeigen, dass

• HDACs der Klasse I wichtige Regulatoren von FoxO und des Muskelschwundprogramms
• sowohl bei Nährstoffentzug als auch bei Muskelschwund sind.

Durch die Verwendung von Wildtyp- und dominant-negativen HDAC1-Expressionsplasmiden

• wird außerdem gezeigt, dass HDAC1 ausreicht, um FoxO zu aktivieren und Muskelfaseratrophie in vivo zu induzieren, und
• für die Atrophie von Muskelfasern notwendig ist, die mit Muskelschwund einhergeht.

Die Fähigkeit von HDAC1, Muskelatrophie zu verursachen, erforderte seine Deacetylase-Aktivität und

• war mit der Induktion mehrerer Atrophie-Gene durch HDAC1 verbunden,
• einschließlich Atrogin-1, das die Deacetylierung von FoxO3a erforderte.

Die pharmakologische Hemmung von HDACs der Klasse I während der Muskelatrophie mit MS-275,

• verringerte signifikant sowohl die Atrophie der Muskelfasern als auch die kontraktile Dysfunktion.

Zusammengenommen untermauern diese Daten die Bedeutung von HDACs der Klasse I im Muskelschwundprogramm und

• zeigen, dass HDAC-Inhibitoren der Klasse I mögliche Gegenmaßnahmen sind, um Muskelschwund und -schwäche zu verhindern.

Autophagie ist ein vesikulärer Prozess für den lysosomalen Abbau von Proteinaggregaten und

• von beschädigten oder überflüssigen Organellen.

Autophagie spielt eine wichtige Rolle bei der Zellhomöostase, und es gibt Hinweise darauf, dass

• dieser Prozess in Krebszellen dysreguliert ist.

Rezente präklinische In-vitro-Studien haben gezeigt, dass Autophagie

• an der zytotoxischen Reaktion auf Chemotherapeutika in Schilddrüsenkrebszellen beteiligt ist.

In der Tat spielen mehrere Onkogene und Onkosuppressorgene, die in die Schilddrüsenkarzinogenese

• verwickelt sind, ebenfalls eine Rolle bei der Regulierung der Autophagie.

Außerdem beeinflussen einige epigenetische Modulatoren, die in die Schilddrüsenkarzinogenese involviert sind, die Autophagie. In dieser Übersichtsarbeit werden die genetischen und epigenetischen Faktoren hervorgehoben, die

• mechanistisch die Schilddrüsenkarzinogenese und die Autophagie miteinander verbinden und damit die Gründe für
• eine auf die Autophagie ausgerichtete Therapie von aggressiven und radio-Chemo-resistenten Schilddrüsenkarzinomen untermauern.