Die Physik von Fetttröpfchen offenbart DNA-Gefahr

Fett ist ein normaler und notwendiger Teil des Körpers. Fettzellen speichern und geben Energie ab und spielen eine wichtige Rolle bei der Hormonregulierung und Immunität.

In den letzten Jahrzehnten hat ein besorgniserregender Anstieg von Stoffwechselerkrankungen – wie Herz-Kreislauf-Erkrankungen, Bluthochdruck und Diabetes – die wissenschaftliche Aufmerksamkeit auf die Biologie und Chemie von Fett gelenkt, was zu einer Fülle von Informationen über die Funktionsweise von Fettzellen geführt hat.

Aber Fettzellen und ihre Stoffwechselaktivitäten sind nur ein Teil der Geschichte.

Mit Fett gefüllte Lipidtröpfchen, winzige Fettkügelchen, die um ein Vielfaches kleiner als Fettzellen sind, erregen zunehmendes wissenschaftliches Interesse. Diese Lipidpartikel kommen in vielen verschiedenen Zelltypen vor und wurden lange Zeit kaum verstanden. Studien haben begonnen, die Beteiligung dieser Tröpfchen an Stoffwechselfunktionen und Zellschutz zu beleuchten, aber wir wissen immer noch so gut wie nichts über die physikalische Natur von Fett.

Jetzt haben Forscher der University of Pennsylvania School of Engineering and Applied Science über die Biochemie hinausgeschaut und bahnbrechende Arbeiten zur Physik dieser Tröpfchen veröffentlicht, die zeigen, dass sie eine potenzielle Bedrohung für den Zellkern darstellen. In der August-Ausgabe des Zeitschrift für ZellbiologieSie sind die ersten, die die überraschende Fähigkeit fettgefüllter Lipidtröpfchen entdecken, den Zellkern, das Organell, das die DNA einer Zelle enthält und reguliert, einzudringen und zu durchstechen.

Bei ihren Erkenntnissen steht viel auf dem Spiel: Ein geplatzter Zellkern kann zu erhöhten DNA-Schäden führen, die für viele Krankheiten, einschließlich Krebs, charakteristisch sind.

Die Studie wurde von Dennis E. Discher, Robert D. Bent Professor in der Abteilung für Chemie- und Biomolekulartechnik, geleitet; Irena Ivanovska, Ph.D. Wissenschaftlicher Mitarbeiter im Labor für Molekular- und Zellbiophysik der Penn University; und Michael Tobin, Ph.D. Kandidat in der Abteilung Bioingenieurwesen.

„Instinktiv halten Menschen Fett für weich“, sagt Discher. „Und auf zellulärer Ebene ist es das auch. Aber bei dieser kleinen Tröpfchengröße – die nur wenige Mikrometer misst und nicht die Hunderte Mikrometer einer reifen Fettzelle – hört es auf, weich zu sein. Seine Form weist eine viel stärkere Krümmung auf und verbiegt andere Objekte.“ sehr stark. Dadurch verändert sich die Physik in der Zelle. Es kann sich verformen. Es kann Schäden verursachen. Es kann platzen.“

„Stellen Sie sich vor“, fügt Ivanovska hinzu, „Sie versuchen, einen Ballon mit der Faust platzen zu lassen. Unmöglich. Sie können den Ballon verformen, aber Sie werden ihn nicht durchstechen. Stellen Sie sich nun vor, Sie versuchen, ihn mit einem Stift platzen zu lassen. Das ist der Unterschied zwischen einer Fettzelle.“ und eine Zelle mit kleinen Fetttröpfchen im Körper. Es ist ein grundlegender physikalischer Unterschied, kein metabolischer Unterschied.“

Die Forschung des Teams stellt die wissenschaftliche Untersuchung von Fett neu dar und unterstreicht, dass die Rolle von Fett im Körper viel mehr ist als nur eine Zahl auf der Waage.

„Das ist kanonisch nicht fett“, sagt Tobin. „Hier geht es darum, wie Fett in kleineren Größenordnungen als einer Zelle funktioniert und physikalische Risiken für Zellbestandteile birgt, sogar auf der Ebene der DNA.“

Die Arbeit des Teams baut auf einem Jahrzehnt Grundlagenforschung auf, darunter führende Beiträge von Ivanovska, zum Verhalten von Kernproteinen, die dem Kern seine schützenden strukturellen Eigenschaften verleihen. Bei diesen Proteinen handelt es sich um dynamische Proteine, deren Ebenen sich verändern, um auf ihre mechanische Umgebung zu reagieren und dem Zellkern das bereitzustellen, was er zur Aufrechterhaltung seiner Integrität benötigt.

„In den Zellen findet ein ständiger Prozess der Reparatur von DNA-Schäden statt“, sagt Ivanovska. „Damit dies geschieht, muss der Zellkern über genügend DNA-Reparaturproteine ​​verfügen. Wenn ein Zellkern aufbricht, verteilen sich diese Proteine ​​und können Schäden nicht rechtzeitig reparieren. Dies führt zu einer Anhäufung von DNA-Schäden und kann möglicherweise zu einer Krebszelle führen.“

Eine Zelle lebt in einer dynamischen physikalischen und mechanischen Umgebung, in der Dinge schief gehen können und auch passieren. Aber es gibt auch eine Armee molekularer Helfer, die ständig daran arbeiten, es zu warten und zu reparieren.

„Das Problem ist“, sagt Discher, „wenn ein Zellkern geschädigt wird – durch Toxine, übermäßige UV-Strahlung oder diese fettgefüllten Lipidtröpfchen. Dann besteht ein hohes Potenzial für DNA-Schäden, und das hat Folgen für die Gesundheit.“