Forscher entdecken, wie zu viel Sauerstoff Zellen und Gewebe schädigt

Wenn es um Sauerstoff geht, kann man zu viel des Guten haben. Atemluft, die einen höheren Sauerstoffgehalt als die üblichen 21 Prozent in der Erdatmosphäre enthält, kann bei Menschen und Tieren zu Organschäden, Krampfanfällen und sogar zum Tod führen, insbesondere wenn sie den Sauerstoffbedarf des Körpers übersteigt. Bisher haben Wissenschaftler jedoch hauptsächlich über die Mechanismen hinter diesem Phänomen spekuliert, das als Sauerstofftoxizität oder Hyperoxie bekannt ist.

Jetzt haben Forscher der Gladstone Institute entdeckt, wie überschüssiger Sauerstoff eine Handvoll eisen- und schwefelhaltiger Proteine ​​in unseren Zellen verändert – ein chemischer Prozess, der dem Rosten von Eisen ähnelt. Diese „rostigen“ Proteine ​​wiederum lösen eine Kaskade von Ereignissen aus, die Zellen und Gewebe schädigen. Die Ergebnisse, veröffentlicht in der Zeitschrift Molekulare Zellehaben Auswirkungen auf Erkrankungen wie Herzinfarkte und Schlafapnoe.

„Diese Studie ermöglichte es uns, einen sehr spezifischen Zeitplan für das, was bei Hyperoxie passiert, zusammenzustellen“, sagt Gladstone Assistant Investigator Isha Jain, Ph.D., Seniorautorin der neuen Studie. „Die Ergebnisse waren überhaupt nicht das, was wir erwartet hatten, aber es ist sehr interessant und aufregend, jetzt zu wissen, wie sich diese Abfolge von Ereignissen entwickelt.“

Eine unterbesetzte Frage

In hohen Konzentrationen ist Sauerstoff für jede Lebensform giftig, von Bakterien und Pflanzen bis hin zu Tieren und Menschen. Natürlich ist zu wenig Sauerstoff auch tödlich; Es gibt eine Zwischenmenge, „Goldlöckchen“, unter der das meiste Leben auf der Erde gedeiht – nicht zu viel und nicht zu wenig.

Während Kliniker lange untersucht haben, wie sich Sauerstoffmangel auf Zellen und Gewebe auswirkt (z. B. bei Herzinfarkten und Schlaganfällen), wurden die Auswirkungen von überschüssigem Sauerstoff relativ wenig untersucht.

„Viele Jahre lang war die medizinische Lehre, dass mehr Sauerstoff bis zu einem gewissen Grad besser oder zumindest gutartig ist, wenn Patienten mit Erkrankungen wie Herzinfarkten behandelt werden“, sagt Alan Baik, MD, ein Postdoktorand in Jains Labor und a Kardiologe an der UC San Francisco (UCSF). „Aber es gibt jetzt eine wachsende Zahl klinischer Studien, die zeigen, dass überschüssiger Sauerstoff tatsächlich zu schlechteren Ergebnissen führt. Dies motivierte uns, besser zu verstehen, warum überschüssiger Sauerstoff toxisch sein kann.“

Studien haben zum Beispiel kürzlich gezeigt, dass das Atmen von zu viel zusätzlichem Sauerstoff für Herzinfarktpatienten und Frühgeborene schädlich sein kann. In ähnlicher Weise haben sich bei obstruktiver Schlafapnoe die plötzlichen Sauerstoffstöße nach Atempausen als Schlüsselkomponente dafür erwiesen, wie die Störung das Risiko chronischer Gesundheitsprobleme der Patienten erhöht.

Dennoch blieben die Mechanismen dieser Effekte unklar. Viele Forscher gingen davon aus, dass reaktive Sauerstoffspezies – instabile und hochreaktive Sauerstoffderivate, die unser Genom und viele Moleküle in unseren Zellen schädigen können – wahrscheinlich eine Rolle bei Hyperoxie spielen, aber es gab wenig Beweise dafür, wie überschüssiger Sauerstoff bestimmte Enzyme und Signalwege beeinflusst.

Wie CRISPR die Antwort fand

Jains Gruppe – darunter Baik, Postdoktorand Galih Haribowo, Ph.D., und Doktorandin Kirsten Xuewen Chen, die Co-Erstautoren der neuen Arbeit sind – wandte sich der Genom-Editierungstechnologie CRISPR zu, um die Rolle einer Vielzahl von Genen zu testen bei Hyperoxie.

Mit CRISPR entfernten die Forscher nacheinander mehr als 20.000 verschiedene Gene aus im Labor gezüchteten menschlichen Zellen und verglichen dann das Wachstum jeder Zellgruppe bei 21 Prozent Sauerstoff und 50 Prozent Sauerstoff.

„Diese Art von unvoreingenommenem Screen ermöglicht es uns, die Beiträge von Tausenden verschiedener Wege bei Hyperoxie zu untersuchen, anstatt uns nur auf diejenigen zu konzentrieren, von denen wir bereits vermuteten, dass sie beteiligt sein könnten“, sagt Jain, der auch Assistenzprofessor für Biochemie an der UCSF ist. „Es führte uns zu Molekülen, die noch nie zuvor im selben Satz wie Sauerstofftoxizität ausgesprochen wurden.“

Vier molekulare Signalwege stachen im Screen hervor, die an den Wirkungen von Hyperoxie beteiligt sind. Sie bezogen sich auf verschiedene Zellfunktionen, darunter die Reparatur beschädigter DNA, die Produktion neuer DNA-Bausteine ​​und die Erzeugung von Zellenergie.

Proteincluster gemeinsam

Zunächst konnte das Team nicht feststellen, was die vier Pfade gemeinsam hatten und warum sie alle von hohen Sauerstoffwerten beeinflusst wurden. Es bedurfte einiger molekularer Nachforschungen, um zu entdecken, dass jeder Weg ein entscheidendes Protein hatte, das in seiner molekularen Struktur Eisenatome enthielt, die mit Schwefelatomen verbunden waren – sogenannte „Eisen-Schwefel-Cluster“.

Die Forscher zeigten weiter, dass die Eisen-Schwefel-Cluster in den vier Proteinen bei nur 30 Prozent Sauerstoff oxidiert werden – sie reagieren chemisch mit Sauerstoffatomen – und diese Veränderung bewirkt, dass die Proteine ​​abgebaut werden. Infolgedessen funktionieren die Zellen nicht mehr richtig und verbrauchen noch weniger Sauerstoff, was zu einem weiteren Anstieg des Sauerstoffgehalts im umgebenden Gewebe führt.

„Eine wichtige Erkenntnis ist, dass Hyperoxie Zellen und Gewebe nicht nur durch reaktive Sauerstoffspezies beeinflusst, wie viele angenommen hatten“, sagt Jain. „Das bedeutet, dass die Verwendung von Antioxidantien – die bis zu einem gewissen Grad reaktive Sauerstoffspezies bekämpfen können – wahrscheinlich nicht ausreicht, um eine Sauerstofftoxizität zu verhindern.“