Spatio-temporal assembly of respiratory chain complexes RCCs in mitochondrial fusion and fission dynamics (RCC assembly)

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Description

Mitochondrien sind Zellorganellen, die gemeinhin als Kraftwerke der Zelle bekannt sind, da ihre Hauptaufgabe die ATP Synthese, also die Bereitstellung der zelleigenen Energie-Währung, ist. Sie kommen in jeder eukaryontischen Zelle vor und spielen im normalen Zell-Leben eine entscheidende Rolle. ATP wird durch die konzertierte Zusammenarbeit von fünf Membranprotein-Komplexen bereitgestellt. In einer schrittweisen Redoxreaktion - der Atmungskette - werden Substrate oxidiert und ein Protonengradient aufgebaut, der die elektrochemische Energie für die im letzten Schritt erfolgende ATP Synthese bereitstellt. Die Verknüpfung der Einzelreaktionen zur dieser komplexen Reaktionskette ist eine Meisterleistung, die aber sehr anfällig gegenüber Störungen ist. Elektronenstaus führen zur Radikalbildung, welche die Atmungskette schädigt und die mitochondriale Funktion beeinträchtigt. Aufgrund der zentralen Rolle von Mitochondrien haben Störungen mitochondrialer Funktion starke Auswirkungen auf die Zelle, und können sogar den Zelltod einleiten. So sind sie häufig verknüpft mit der Ausbildung neuro-degenerativer Krankheiten und das Nachlassen der mitochondrialen Aktivität spielt beim Prozess des Alterns eine wichtige Rolle. Mitochondrien bilden eine dynamische und interaktive Population, die durch Fusion und Teilung im ständigen Austausch steht und dadurch flexibel auf unterschiedliche Energieansprüche der Zelle reagieren kann. Die Fusions- und Teilungsdynamik spielt auch beim Aussondern geschädigter Mitochondrien für den Abbau durch Mitophagie eine Rolle und ist damit für den Erhalt von funktionalen Mitochondrien essentiell. Wenig ist bekannt, wie es zur Ausbildung von Mitochondrien mit unterschiedlicher Funktion in verschiedenen Zellregionen kommt oder gar, wie sich innerhalb einzelner Mitochondrien Zonen unterschiedlicher Aktivität entwickeln. Die spezielle Architektur von Mitochondrien, ihre ungewöhnliche Dynamik und die spezifischen Eigenschaften der Atmungskettenkomplexe, welche sich zu Superkomplexen formieren können, zeigen dabei ein sehr komplexes Zusammenspiel. In unserer Arbeit adressieren wir dieses Problem experimentell, in dem wir zuerst die Raum-zeitliche Organisation von Atmungskettenkomplexen genauer untersuchen und verstehen lernen. Vor dem Hintergrund metabolischer Erfordernisse wollen wir die raumzeitliche Dynamik von einzelnen respiratorischen Membrankomplexen in der lebenden Zelle erfassen, um zu verstehen, wie dieser zentrale bioenergetische Prozess strukturell/funktional organisiert ist. Dies geschieht mittels höchstauflösender Mikroskopie-Methodik. In diesem Zusammenhang wollen wir explizit die Entstehung von funktionaler Heterogenität auf der submitochondrialen Ebene adressieren und lernen, wie mitochondriale Qualitätskontrollmechanismen damit gezielt umgehen können.