Studie zeigt Hauptrolle von formverändernden Mitochondrien bei der Funktion von Stammzellen

Mitochondrien sind bemerkenswert formverändernde Organellen, die seit langem als die Kraftwerke in unseren Zellen gelten. Aber relativ wenig ist darüber bekannt, wie sich die ständige Spaltung und Fusion dieser winzigen Energiegeneratoren auf die Funktion der Stammzellen und die Geweberegeneration auswirkt.

Jetzt zeigen überzeugende neue Forschungsergebnisse aus dem Labor von Dr. Mireille Khacho an der medizinischen Fakultät der Universität von Ottawa eine Hauptrolle der mitochondrialen Dynamik in erwachsenen Muskelstammzellen – jenen einzigartigen und primitiven Zellen, die als Rohmaterial des Körpers für die Muskelerneuerung und -reparatur dienen.

Heute erschienen in Zelle Stammzellefand die Studie heraus, dass die Formübergänge der Mitochondrien, wenn sie sich verlängern und teilen, tatsächlich den Ruhezustand erwachsener Muskelstammzellen regulieren.

Die neuen Erkenntnisse könnten eine wichtige Entdeckung sein, da adulte Muskelstammzellen – die typischerweise in einem Ruhezustand vorliegen, der als Ruhe bekannt ist – für die Gewebestabilität unerlässlich sind. Ruhe ist entscheidend für die Langlebigkeit dieser Zellen und sie erfordern ein empfindliches Gleichgewicht. Sie werden aus ihrem Schutzzustand geweckt, wenn sie zur Erneuerung aktiviert werden und Gewebe reparieren, das eine Verletzung erleidet oder durch eine Krankheit zerfressen wurde.

Im Wesentlichen schlägt ihr Labor ein weitreichendes Repertoire für Mitochondrien vor. Sie fungieren nicht nur als interne Sensoren und Kommunikatoren, sondern ihre Fragmentierung spielt eine große Rolle bei der gesamten Aufrechterhaltung und Funktion der Stammzellen. Durch eine Reihe von Manipulationen mit einem einzigartigen Mausmodell zeigten die Forscher, dass das essentielle mitochondriale Strukturprotein OPA1 den Ruhezustand erwachsener Muskelstammzellen reguliert. Und der chronische Verlust dieses Proteins und die anhaltende Fragmentierung führen zu schweren Muskelstammzelldefekten.

Laut Dr. Khachos Team zeigen die Ergebnisse zum ersten Mal, dass das Protein OPA1 – einer der Hauptregulatoren der mitochondrialen Fusion – für die Aufrechterhaltung und Funktion der Muskelstammzellen unerlässlich ist. Sie stellten eine Verbindung zwischen dem Abbau von Stammzellen und dem Ungleichgewicht und der Dysfunktion der Mitochondrien her.

„Dieses Papier ist eine Kombination aus der Aufdeckung physiologischer Mechanismen und deren anschließender Erklärung, was bei Krankheiten und Alterung schief gehen könnte“, sagt Dr. Khacho, ein uOttawa-Assistenzprofessor in der Abteilung für Biochemie, Mikrobiologie und Immunologie, der den Canada Research Chair innehat in mitochondrialer Dynamik und regenerativer Medizin.

Die Rolle der winzigen Struktur ist etwas kontraintuitiv. Im Allgemeinen ist die Fragmentierung von Mitochondrien ein zerstörerisches Phänomen für Zellen in Geweben, erklärt Dr. Khacho. Aber in ihren Experimenten mit erwachsenen Muskelstammzellen fand ihr Team heraus, dass ihre Fragmentierung auch als physiologischer Mechanismus dient, der die Signalübertragung an den Zellkern aktiviert. Dies geschieht durch die Erhöhung des Spiegels eines antioxidativen Peptids namens Glutathion. Noch faszinierender ist, dass sie eine neue Funktion für dieses Peptid entdeckt haben: Es fungiert als Signalmolekül, das die Kommunikation zwischen Mitochondrien und dem Zellkern vermittelt.

„Die Störung der Mitochondrien könnte der Grund sein, warum wir unsere Stammzellen durch Krankheiten und Alterung verlieren“, sagt Dr. Khacho. „Wenn Sie ein Szenario haben, in dem Sie eine unausgeglichene mitochondriale Dynamik haben, was bei Krankheiten und beim Altern passieren könnte, würden Ihre Stammzellen letztendlich ihre schützende Ruhe verlieren und sich mit der Zeit erschöpfen.“

Die Erkenntnisse des Teams werden sicherlich von großem Interesse für Wissenschaftler sein, die eine Reihe von muskelbedingten degenerativen Erkrankungen sowie Muskelschwäche und -atrophie während des Alterns untersuchen. Darüber hinaus kann es schließlich dazu beitragen, den Weg für therapeutische Strategien zur Modifizierung der mitochondrialen Dynamik und Funktion in Stammzellen zu ebnen, um das regenerative Potenzial von Geweben wiederherzustellen.

Das ist von Bedeutung, weil Muskeldegeneration weltweit eine der Hauptursachen für Behinderungen ist. Erkenntnisse, die Aufschluss über den Beitrag von mitochondrialen Störungen zu Dysfunktionen erwachsener Stammzellen geben, könnten ein Schritt in Richtung Bemühungen zur Wiederherstellung des regenerativen Potenzials von Muskeln bei degenerativen Erkrankungen und Alterung sein.