Hochauflösenden STED-Mikroskopie ermöglicht neue Einblicke in die Kraftwerke der Zelle

Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut für Biologie des Alterns (MPI AGE) in Köln, vom Max-Planck-Institut für Biophysik (MPI BP) in Frankfurt und vom Max-Planck-Institut für Biophysikalische Chemie (MPI BPC) in Göttingen konnten fundamental neue Einblicke in die Organisation der mitochondrialen DNA (mtDNA) bekommen. Mit Hilfe Nobelpreis-prämierter Mikroskopie Techniken fanden die Forscher heraus, dass einzelne Kopien von mtDNA von einem darauf spezialisierten Protein in leicht elliptische Strukturen von circa 100nm Länge verpackt werden.

Mitochondrien sind der Energieproduzent in fast jeder menschlichen Körperzelle und werden daher als Kraftwerke der Zelle bezeichnet. Sie enthaltenihr eigenes Genom, die mitochondriale DNA oder mtDNA. Diese wird zusammen mit spezifischen Proteinen in den so genannten mitochondrialen Nucleoiden verpackt. "Der Aufbau dieser Nucleoide ist aber kaum verstanden. Wir können sie mit dem Mikroskop sichtbar machen, allerdings stoßen wir bei feineren Strukturen mit der konventionellen Mikroskopie schnell an unsere Grenzen", sagt Christian Kukat, Forscher am Max-Planck-Institut für Biologie des Alterns in Köln. "Deswegen haben wir uns Hilfe von anderen Max-Planck-Instituten geholt."

Wissenschaftler der Max-Planck-Institute in Göttingen und Frankfurt nutzen modernste Methoden der Mikroskopie, die es ermöglichen die klassische Auflösungsgrenze der konventionellen Mikroskopie zu umgehen. Mit Hilfe der hochauflösenden STED-Mikroskopie, Elektronenmikroskopie und Kryo-Elektronentomographie konnte so die Ultrastruktur des mitochondrialen Nucleoids in Säugetieren charakterisiert werden.

Die STED-Mikroskopie ist eine hochauflösende Technik der Lichtmikroskopie, die 2014 mit dem Nobelpreis für Chemie ausgezeichnet wurde (unter anderem an Stefan Hell, MPI BPC). Kryo-Elektronentomographie ermöglicht die Rekonstruktion von 3D-Modellen mit einer extrem hohen Auflösung mithilfe der Elektronenmikroskopie, bei der statt Licht Elektronen verwendet werden. "Wir konnten sehen, dass Nucleoide eine unregelmäßige elliptische Form haben und normalerweise nur eine einzige Kopie der mitochondrialen DNA enthalten. Selbst wenn die Zelle mehr als ein mtDNA Molekül enthält, bleibt diese Struktur der Nucleoide erhalten", so Kukat. Die zusätzlichen mtDNA-Moleküle werden dann in weitere Nucleoide verpackt.

Mit ihren Erkenntnissen liefern die Wissenschaftler der Max-Planck-Institute eine neue Grundlage für die Erforschung mitochondrial vererbter Krankheiten, also Krankheiten, die nur von der Mutter an ihre Kinder vererbt werden. Christian Kukat: "Wir wollen in Zukunft weiterhin den Zusammenhang von Mitochondrien und den Alterungsprozessen erforschen."

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Quelle: Max-Planck-Institut für Biologie des Alterns