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Autophagie - Recycling und Überleben

Eine Körperzelle ist ökonomisch und umweltbewusst. Was sie nicht mehr gebrauchen kann, wird in Einzelteile zerlegt und wieder dem Stoffwechsel zugeführt. In Hungerzeiten ist dieses nachhaltige Prinzip sogar überlebenswichtig. Dr. Jörn Dengjel und sein Team vom Freiburg Institute for Advanced Studies (FRIAS) wollen die molekularen und zellbiologischen Mechanismen hinter dem als Autophagie bezeichneten Recycling-Prozess enthüllen. Mit tieferen Einsichten könnten Forscher dann auch Krankheiten wie Krebs oder Alzheimer besser verstehen. Dengjel und Co. schnallen bei ihren Zellen den Gürtel enger. Und horchen auf jede kleinste molekulare Antwort.

Der Mensch hat erst in den letzten Jahrzehnten gelernt, Recyclinganlagen zu bauen. Biologische Zellen beherrschen das Prinzip der Müllentsorgung und -wiederaufbereitung schon seit Jahrmilliarden. Zellbiologen kennen heute zwei Abbauwege, über die defekte oder überschüssige Zellbestandteile wieder in den Stoffkreislauf zurück gelangen. In sogenannten Proteasomen zerlegt eine Zelle eher kleinere Trümmer wie Peptide und Proteine. Der Prozess der Autophagie oder Autophagozytose ist eher für die größeren Strukturen verantwortlich, etwa Proteinkomplexe oder gar ganze Organellen wie Mitochondrien und Ribosomen. Dabei entsorgt eine Zelle auf diese Weise nicht nur Unrat, der durch fehlerhafte Fabrikation, UV-Strahlung oder Hitze entsteht. Die Autophagie ist ein sogenannter konstitutiver Prozess, das heißt, sie läuft ständig auf niedrigem Niveau. Aber in Hungerzeiten arbeitet die Maschinerie plötzlich auf Hochtouren. Die Zelle verdaut ein Stück weit sich selbst, um zu überleben. „Diesen Umstand nutzen wir aus, um die molekularen Mechanismen hinter dem Prozess zu untersuchen“, sagt Dr. Jörn Dengjel, Leiter der Protein Dynamics Group am Zentrum für Biosystemanalyse (ZBSA) Freiburg.

Relevanz für Alzheimer und Krebs?

Auf der rein morphologischen Ebene verstehen Zellbiologen die Recycling-Abläufe bereits ganz gut. Organellen oder Proteinkomplexe, die abgebaut werden sollen, gelangen im Zellinneren in ein sogenanntes Autophagosom. Das ist ein Bläschen, das von zwei Membranen umhüllt ist. Das Autophagosom verschmilzt im Verlauf des Prozesses mit einem sogenannten Lysosom. Darin sind Enzyme zu finden, die Zellbestandteile zerlegen können; dieses Zellkompartiment zerlegt die Trümmer in die molekularen Bestandteile. Aber woher weiß die Zelle, welche Strukturen sie abbauen soll? Wie genau entstehen die Autophagosomen? Und welche Moleküle vermitteln und kontrollieren den gesamten Vorgang?

Diese Brustkrebszellen wurden mit einem fluoreszenzmarkierten Autophagosomen-Marker (eGFP-LC3; grün) markiert. Unbehandelt zeigt sich eine diffuse zytoplasmatische Färbung (A). Die Zellen mussten anschließend für 24 Stunden hungern (keine Aminosäuren und kein Serum). Man erkennt eine Akkumulation von grünen Punkten, die Autophagosomen darstellen (B). Die Zellkerne sind in beiden Fällen blau markiert. Größenanzeige: 10 µm. © Dr. Jörn Dengjel

Alles Fragen, die auch eine medizinische Relevanz haben, denn bei vielen Krankheiten spielt die Autophagie eine wichtige Rolle. Die Proteinaggregate etwa, die im Gehirn eines Alzheimerpatienten abgelagert werden (sogenannte Plaques), entstehen, weil unter anderem der Prozess der Autophagie nicht mehr richtig funktioniert. Und auch für Krebszellen spielt das Recycling eine Rolle, sogar im doppelten Sinne: Zellen in äußeren Bereichen eines Tumors müssen den Prozess blockieren, denn sonst verdauen sie sich selbst und sterben (Autophagie kann in letzter Konsequenz auch letal sein und wird neben der Apoptose als programmierter Zelltod Typ II bezeichnet). Krebszellen im Zentrum eines Tumors hingegen sind von der Nährstoffzufuhr abgeschnitten und müssen sich ein Stück weit selbst verdauen, um sich am Leben zu erhalten. Können Forscher in einer Krebszelle molekulare Autophagie-Regler finden, die durch Medikamente anvisiert werden können?

Jeder Hunger hat seine Folgen

Mit Hilfe eines Massenspektrometers scannen die Freiburger Forscher das Proteom ihrer Zellen. © FRIAS

Dengjel und sein Team haben einen systemischen Ansatz. Sie fragen, welche Proteine und Signalmoleküle eine besondere Rolle spielen, wenn die Zelle ihre autophagosomale Aktivität erhöht. Mit der Methode der Massenspektrometrie scannen sie dazu das gesamte Arsenal der Eiweiße, die in der Zelle gebildet werden, das sogenannte Proteom. Sie vergleichen dabei Zellen, die sich auf normalem Niveau „selbst verdauen“ mit Zellen, deren autophagosomale Aktivität erhöht ist. Dazu müssen sie einen Teil ihrer Zellen einem echten Engpass aussetzen; sie reduzieren zum Beispiel ihre Aminosäurenzufuhr. „Werden bestimmte Proteine nach einem solchen Hungerschock in besonders hohen Mengen gebildet, dann spielen sie unter Umständen eine wichtige Rolle bei dem Prozess der Autophagie“, sagt Dengjel. Ein anderer Ansatz ist, Eiweiße zu finden, die bei Hungerstress plötzlich Phosphatgruppen tragen. Solche Eiweiße spielen wahrscheinlich eine wichtige Rolle beim Signalgeschehen rund um die Autophagie, denn Phosphatgruppen werden in zellulären Signalkaskaden von Signalmolekül zu Signalmolekül übertragen und aktivieren den jeweils nächsten Schritt in einem Signalweg.

Lange dachten Biologen, die Autophagie sei ein unspezifischer Prozess. Sie nahmen an, dass ein Autophagosom alles frisst, was ihm in den Weg kommt. Dengjel und sein Team haben mit ihren Arbeiten gezeigt, dass dies nicht sein kann. Nach einem 36-stündigen Aminosäuremangel etwa beobachteten die Freiburger Forscher, dass nicht alle Proteine und Zellbestandteile gleich schnell abgebaut werden. Es verschwinden im Proteom der Zelle zunächst Bestandteile von Ribosomen und Moleküle, die für die Proteinbiosynthese notwendig sind; die Zelle braucht sie nicht, weil ohnehin Aminosäuren für den Bau von Eiweißen fehlen.

Molekulare Hintergründe und Arbeit im System

Mangelt es an Aminosäuren? Lipiden? Kohlenhydraten? Oder muss die Zelle defekte Bestandteile nach Schäden durch Chemikalien entsorgen? Die Zusammensetzung des Proteoms einer Zelle verändert sich abhängig von diesen „Stimuli“. „Wir können ziemlich sicher ausschließen, dass die Autophagie unspezifisch verläuft“, sagt Dengjel. Es gilt vermutlich sogar das Gegenteil. Arbeiten anderer Forscher zeigen, dass es für jeden Typ von Organelle einen spezifischen Prozess der Autophagie gibt: die Mitophagie für die Mitochondrien, die Retikulophagie für das Endoplasmatische Retikulum oder die Ribophagie für die Ribosomen. Mit ihren Methoden der Proteomics wollen Dengjel und seine Mitarbeiter in Zukunft unter anderem enthüllen, welche Moleküle diese spezifischen Prozesse vermitteln und kontrollieren. Einige Kandidatenmoleküle haben sie bereits gefunden. Diese Proteine werden nach einem bestimmten Hungerstimulus vermehrt gebildet und tauchen auch in den Autophagosomen auf. Die Freiburger Biologen untersuchen jetzt, welche molekulare Funktion sie erfüllen.

Die Arbeitsgruppe von Dr. Jörn Dengjel (4. von rechts) vom Freiburg Institute for Advanced Studies (FRIAS). © Dr. Jörn Dengjel

Insgesamt acht Mitarbeiter forschen im Dengjel-Labor. Neben den Projekten rund um die Autophagie untersuchen sie auch die molekularen Grundlagen von bestimmten vererbbaren Hautkrankheiten. Bei solchen Leiden spielen Defekte im Endoplasmatischen Retikulum eine Rolle. Weil es nicht mehr richtig funktioniert, muss das Organell über den Prozess der Autophagie abgebaut werden. In diesem an die klinische Forschung angeknüpften Projekt arbeiten Dengjel und Co. eng mit der Universitäts-Hautklinik zusammen. „Interdisziplinäre Kooperationen sind für uns sehr wichtig“, sagt Dengjel.

Gemeinsame Projekte mit Arbeitsgruppen aus der Schweiz, den USA, Dänemark oder Israel sowie eine enge Zusammenarbeit mit Bioinformatikern, Mathematikern oder Physikern aus dem ZBSA und der Universität Freiburg sind für einen systembiologischen Ansatz geradezu eine Voraussetzung. Alle empirischen Experimente müssen mit theoretischen Modellen unterfüttert werden. Die Datenflut muss mithilfe von statistischen Verfahren gebändigt werden. Computersimulationen können ein besseres Verständnis und neue Hypothesen liefern. „Die Grundlagenforschung rund um die Autophagie steht noch am Anfang“, sagt Dengjel. „Aber eines Tages können wir vielleicht dazu beitragen, dass Krankheiten wie Alzheimer oder Krebs besser behandelbar sind.“

Glossar

  • Aminosäuren sind die Bausteine der Proteine; es gibt insgesamt 20 verschiedene Aminosäuren in Proteinen.
  • Enzyme sind Katalysatoren in der lebenden Zelle. Sie ermöglichen den Ablauf der chemischen Reaktionen des Stoffwechsels bei Körpertemperatur.
  • Lipide sind Fette und fettähnliche Substanzen.
  • Organelle sind subzelluläre Partikel, die von einer eigenen Membran umschlossen sind und denen bestimmte Funktionen zugeordnet werden können (z. B. Mitochondrien, Golgi-Apparat, Chloroplasten, Lysosomen). Sie kommen nur bei Eukaryoten vor.
  • Plaque im biologischen Sinn ist der klare Bereich in einem Bakterienrasen, der durch Infektion mit lytischen Bakteriophagen hervorgerufen wird.
  • Die Proteinbiosynthese ist die zelluläre Synthese von Proteinen. Sie besteht aus zwei Schritten: Die Transkription, d.h. das Anfertigen einer mRNA-Kopie des jeweiligen DNA-Abschnitts und der Translation, d.h. das Übersetzen der Basenabfolge auf der RNA in Aminosäuresequenzen des Proteins.
  • Proteine (oder auch Eiweiße) sind hochmolekulare Verbindung aus Aminosäuren. Sie übernehmen vielfältige Funktionen in der Zelle und stellen mehr als 50 % der organischen Masse.
  • Das Ribosom ist Protein-Nukleinsäurekomplex zur Proteinbiosynthese unter Verwendung von mRNA als Vorlage.
  • Apoptose ist die Bezeichnung für den programmierten natürlichen Zelltod, der durch den enzymatischen Abbau zelleigener DNA und Proteine gekennzeichnet ist. Die Apoptose kann durch verschiedene Faktoren ausgelöst werden. Krebszellen haben die Fähigkeit entwickelt, die Apoptose zu umgehen und können sich weiter teilen.
  • Bioinformatik ist eine Wissenschaft, die sich mit der Verwaltung und Analyse biologischer Daten mit Hilfe modernster Computertechnik, befasst. Dient derzeit hauptsächlich zur Vorhersage der Bedeutung von DNA-Sequenzen, der Proteinstruktur, des molekularen Wirkmechanismus und der Eigenschaften von Wirkstoffen. (2. Satz: mwg-biotech)
  • Ein Peptid ist eine organisch-chemische Verbindung, die aus mehreren Aminosäuren (AS) besteht, die miteinander zu einer Kette verbunden wurden. Die Aminosäuren sind über Peptidbindungen miteinander verknüpft. Als Peptide bezeichnet man relativ kurze Aminosäurenketten (20 - 100 Aminosäuren), dagegen bezeichnet man längere Aminosäurenketten (>100) als Proteine.
  • Das Proteom ist die Gesamtheit aller zu einem bestimmten Zeitpunkt unter definierten Bedingungen vorhandenen Proteine in einem Lebewesen, einem Gewebe oder einer Zelle.
  • Ein Tumor ist eine Gewebsschwellung durch abnormales Zellwachstum, die gutartig oder bösartig sein kann. Gutartige (benigne) Tumore sind örtlich begrenzt, während Zellen bösartiger (maligner) Tumore abgesiedelt werden können und in andere Gewebe eindringen können, wo sie Tochtergeschwulste (Metastasen) verursachen.
  • Die Morphologie ist die Lehre von der Struktur und Form der Organismen.
  • Die Zytologie oder auch Zellbiologie ist eine Disziplin der Biowissenschaften, in der mit Hilfe mikroskopischer und molekularbiologischer Methoden die Zelle erforscht wird, um biologische Vorgänge auf zellulärer Ebene zu verstehen und aufzuklären.
  • Die Alzheimer-Krankheit (auch Morbus Alzheimer genannt) ist eine langsam fortschreitende Demenz-Erkrankung, die sich in einer immer stärkeren Abnahme der Hirnfunktionen äußert. Sie tritt vor allem im Alter auf. Die Hauptursache von Alzheimer sind intrazelluläre Ablagerungen eines Fragments des Amyloid-Vorläufer-Proteins (APP), wodurch es zu einem zunehmenden Verlust von Nervenzellen und damit der Gehirnmasse kommt. Die Betroffenen zeigen anfangs nur eine geringfügigen Vergesslichkeit. In späteren Stadien sind vor allem die Sprache, das Denkvermögen und das Gedächtnis beeinträchtigt. Im Endstadium der Krankheit kommt es schließlich zu einem vollständigen Verlust des Verstandes sowie der Persönlichkeit der betroffenen Personen.
  • Aggregation ist die funktionelle Zusammenlagerung von Zellen oder Molekülen.
  • Die Massenspektrometrie ist ein Verfahren zur Messung des Masse-zu-Ladung-Verhältnisses eines Teilchens. Bei biologischen Fragestellungen werden meist Proteine massenspektrometisch untersucht.
  • Ein Mitochondrium ist ein von einer Doppelmembran umschlossenes Organell, das im Zellinneren der Eukaryonten vorkommt. Als "Kraftwerk der Zelle" dient es der Energiegewinnung, weshalb Zellen mit hohem Energiebedarf (z. B. Muskel- oder Nervenzellen) viele Mitochondrien enthalten.
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