Entdeckung enormer geschlechtsspezifischer Unterschiede in der Zellaktivität hat weitreichende Auswirkungen auf die Behandlung von Krankheiten

„Wir haben ein ausgeprägtes ‚Männer sind vom Mars, Frauen sind von der Venus‘-Muster entdeckt“, sagt die Meeres- und Umweltbiologin Suzanne Edmands.

Dabei bezieht sie sich nicht auf die menschliche Psychologie, sondern vielmehr auf die Mitochondrien, die Zellbestandteile, die für die Energieerzeugung zuständig sind.

Edmands, Professor für Biowissenschaften am USC Dornsife College of Letters, Arts and Sciences, hat kürzlich veröffentlichte Forschung im Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften die große Unterschiede in der Genaktivität in den Mitochondrien von Männern im Vergleich zu Frauen aufzeigt.

Obwohl sich die Studie mit winzigen Meeresorganismen, den sogenannten Ruderfußkrebsen, beschäftigt, sind die Erkenntnisse laut Edmands von großer Bedeutung für die Humanmedizin: „Das mitochondriale Genom dieser Tiere ist unserem sehr ähnlich – dieselben Gene, dieselben Funktionen und eine ähnliche Genomgröße.“

Hunderte menschlicher Krankheiten stehen mit einer Fehlfunktion der Mitochondrien in Zusammenhang und beeinträchtigen Muskeln, Organe wie Leber und Bauchspeicheldrüse, das Gehirn und sogar Augen und Ohren. Beispiele hierfür sind Muskeldystrophie, Diabetes und Alzheimer.

Die derzeitigen Behandlungsmethoden für diese Krankheiten sind bei Männern und Frauen weitgehend identisch, doch Edmands glaubt, dass ihre Studie darauf hinweist, dass dieser Ansatz oft fehlerhaft ist.

„Unsere Ergebnisse unterstreichen die Notwendigkeit, geschlechtsspezifische Mitochondrientherapien zu entwickeln“, sagt sie.

Mitochondrien verhalten sich bei Männern und Frauen unterschiedlich

Wissenschaftler gehen davon aus, dass Mitochondrien ursprünglich einzellige Organismen waren, die vor etwa 1,5 Milliarden Jahren von einem anderen Organismus aufgenommen wurden. Im Laufe der Zeit spezialisierten sich diese aufgenommenen Organismen auf die Energieproduktion für ihre Wirtszellen. Diese symbiotische Beziehung erwies sich als so vorteilhaft, dass sie über Äonen der Evolution hinweg Bestand hatte.

Diese uralte Vermischung zweier Organismen erklärt, warum Mitochondrien ihr eigenes Genom haben, getrennt vom Zellkern.

Es ist bereits bekannt, dass die Genaktivität in den Mitochondrien je nach Geschlecht des Organismus variiert.

„Die Mitochondrienfunktion kann bei Männern und Frauen unterschiedlich sein, da sie typischerweise unterschiedliche Energiebedürfnisse und Kompromisse haben“, erklärt Edmands.

Doch Edmands wollte mehr über diese Unterschiede zwischen den Geschlechtern erfahren. In ihrer Studie wollte sie herausfinden, welche mitochondrialen Gene bei Männern und welche bei Frauen am aktivsten sind und wie diese Gene bei beiden Geschlechtern mit Genen im Zellkern interagieren.

Um sicherzustellen, dass sie durch Mitochondrien verursachte Geschlechtsunterschiede beobachtete, untersuchte sie eine Ruderfußkrebsart, der die Geschlechtschromosomen fehlen.

Auch die Geschlechtschromosomen führen zu Unterschieden zwischen weiblichen und männlichen Individuen. Diese Auswirkungen der Geschlechtschromosomen lassen sich nur schwer von geschlechtsspezifischen mitochondrialen Auswirkungen trennen.

Mitochondrien-Studie enthüllt große Geschlechtsunterschiede

Edmands Gruppe ist die erste, die die Auswirkungen aller 37 Gene im mitochondrialen Genom testet – Gene, die Ruderfußkrebse und Menschen gemeinsam haben.

Sie fand heraus, dass Männer bei allen proteinkodierenden mitochondrialen Genen eine höhere Aktivität aufweisen als Frauen. Männer weisen auch eine höhere Expression von nukleären und mitochondrialen Genen auf, die miteinander interagieren und den Energiestoffwechsel in Zellen beeinflussen.

Bei Weibchen hingegen ist die Expression von Genen, die speziell mit der Produktion und Erhaltung der Mitochondrien zusammenhängen, höher.

Warum sind diese Unterschiede so bedeutsam? Obwohl Mitochondrien nur einen winzigen Bruchteil der im Zellkern vorkommenden DNA enthalten, zeigte die Studie, dass mitochondriale Gene Prozesse in allen 12 Chromosomen im Zellkern beeinflussen und damit einen globalen Einfluss ausüben.

Darüber hinaus waren die interagierenden mitochondrialen und nukleären Gene bei beiden Geschlechtern nahezu völlig unterschiedlich.

Leitfaden für mitochondriale Erkrankungen

Edmands zufolge können die Ergebnisse dazu beitragen, neue Behandlungsansätze für mitochondriale Erkrankungen beim Menschen zu entwickeln, insbesondere eine mitochondriale Ersatztherapie. Bei dieser Technik werden defekte Mitochondrien in der Eizelle einer Mutter durch gesunde Mitochondrien eines Spenders ersetzt.

„Unsere Ergebnisse zeigen, dass der Austausch eines anderen Mitochondrientyps nicht mit dem Austausch einer Batterie vergleichbar ist“, sagt sie. „Fehlpaarungen zwischen den Spendermitochondrien und der Kern-DNA können geschlechtsspezifische Auswirkungen im gesamten Genom haben.“

Ein Verständnis dafür, welche Kern- und Mitochondriengene interagieren und welche Unterschiede es bei diesen Interaktionen zwischen Männern und Frauen gibt, könnte Klinikern dabei helfen, den richtigen Mitochondrientyp auszuwählen und so den Erfolg dieser Therapien zu steigern.

Weitere mitochondriale Arbeit steht bevor

In zukünftigen Studien hofft Edmands, zusätzliche Methoden einsetzen zu können, um geschlechtsspezifische Unterschiede in der Mitochondrienfunktion zu untersuchen. Sie glaubt, dass ihr Studiendesign, das Geschlechtschromosomen vermeidet, auch andere Wissenschaftler dazu veranlassen könnte, ähnliche Forschungen durchzuführen.

„Ich glaube, die Wissenschaftler werden dies als einen besonders überzeugenden Beweis für die geschlechtsspezifischen Auswirkungen der Mitochondrien auf die Genexpression ansehen, da dieser nicht durch Auswirkungen der Geschlechtschromosomen beeinträchtigt wird“, sagte sie.