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Untersuchung der Heterogenität submitochondrialer Proteinverteilungen mit hochauflösender Mikroskopie

Stagge, Franziska - Georg-August-Universität Göttingen (2014)


Mitochondrien sind essentielle Organellen eukaryotischer Zellen. Sie erfüllen eine Vielzahl wichtiger Funktionen in den Zellen: neben ihrer herausragenden Bedeutung für die Energieproduktion haben sie eine zentrale Rolle im Stoffwechsel, der Ionenhomöostase, sowie beim Zelltod. Weiterhin sind Mitochondrien hochdynamische Organellen. Die Erscheinung des mitochondrialen Netzwerks wird durch die Vorgänge der Fusion und Teilung kontinuierlich verändert. Eine morphologische oder funktionale Heterogenität dieser Organellen wurde bereits in verschiedenen Zelltypen und innerhalb einzelner Zellen beobachtet. Über die Bedeutung dieser Beobachtungen gibt es jedoch nur Vermutungen. Es wird angenommen, dass sie die Folgen eines mitochondrialen Anpassungsmechanismus an unterschiedliche metabolische Anforderungen darstellen. Bislang ist wenig darüber bekannt, ob mitochondriale Proteine auch eine heterogene intrazelluläre Verteilung aufweisen. Um Informationen über die Lokalisation mitochondrialer Proteine zu erhalten, wird unter anderem die Fluoreszenzmikroskopie eingesetzt. Im Rahmen dieser Arbeit wurden sowohl Konfokal- als auch beugungsunbegrenzte STED-Mikroskopie in Kombination mit mathematischen Auswertealgorithmen verwendet, um mitochondriale Proteinverteilungen quantitativ innerhalb einzelner Säugerzellen zu analysieren. In dieser Arbeit wurde gezeigt, dass eine Vielzahl mitochondrialer Proteine, welche in verschiedenen mitochondrialen Subkompartimenten lokalisieren und unterschiedliche Funktionen erfüllen, eine heterogene Dichteverteilung in Form eines Gradienten, mit einer höheren Proteindichte in Zellkernnähe, innerhalb einzelner Zellen aufweist. Diese Gradientenverteilung ist zudem bereits direkt nach der Zellteilung in beiden Tochterzellen zu beobachten.

Des Weiteren wurde gezeigt, dass die Hyperelongation von Mitochondrien eine Verringerung des Ausmaßes der Gradientenverteilung von Tom20 bewirkt. Außerdem wurde im Rahmen dieser Arbeit gezeigt, dass in Zellen, in denen die Mikrotubuli depolymerisiert vorliegen, das Ausmaß der intrazellulären Tom20-Gradientenverteilung deutlich verringert ist. Diese Beobachtung legt die Vermutung nahe, dass der Vorgang des mitochondrialen Transports einen entscheidenden Einfluss auf die heterogene Verteilung mitochondrialer Proteine hat. Somit wurde durch diese Arbeit das Verständnis der intrazellulären Heterogenität mitochondrialer Proteinverteilungen entscheidend verbessert. Durch die erhaltenen Ergebnisse kann festgestellt werden, dass viele mitochondriale Proteine eine heterogene Verteilung in Form eines intrazellulären Dichtegradienten aufweisen, die durch Vorgänge der mitochondrialen Dynamik (Teilung, Bewegung) kontrolliert wird.


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