Welchem ​​Zweck dienen reduzierte Mitochondrien?

Vor einigen Jahren entdeckten Wissenschaftler einen merkwürdigen Fall von Protozoen (Oxymonaden), die keine Mitochondrien haben. Seitdem stellt sich die Forschungsgruppe von Privatdozent Hampl von der Fakultät für Naturwissenschaften der Karls-Universität und dem Forschungszentrum BIOCEV der Frage, wie es zu dem einzigartigen Verlust von Mitochondrien kam.

In einem in der Zeitschrift veröffentlichten Artikel Aktuelle Biologie, das Team von Associate Professor Hampl, mit Justyna Zítek als Erstautorin, verwendete den nächsten bekannten Verwandten der Oxymonaden, einen frei lebenden Flagellaten namens Paratrimastix pyriformis, als Modellart. Diese Art hat Mitochondrien, aber sie sind stark reduziert. Das Team konzentrierte sich auf das Auftreten des nächsten Verwandten der verlorenen Mitochondrien und darauf, was diese reduzierten Mitochondrien tatsächlich für den Organismus leisten. Auf diese Weise können Wissenschaftler erfahren, wie die Reduktion der Mitochondrien vor sich ging, was die Oxymonaden so einzigartig macht, dass sie die Mitochondrien ganz loswerden konnten.

Eine der Schlüsselfunktionen der Mitochondrien ist die Synthese von Eisen-Schwefel-Clustern, die fast immer dort beginnt, selbst in Organismen, die diese Organellen stark vereinfacht haben, wie zum Beispiel Giardia intestinalis. Vor einigen Jahren zeigte Hampls Team, dass eine breitere Gruppe von Oxymonaden, zu denen auch der freilebende Paratrimastix gehört, einen anderen Weg für die Eisen-Schwefel-Cluster-Synthese hat, der anscheinend im Zytosol abläuft.

„Wir haben damals argumentiert, dass dieser Wegaustausch mit dem Verlust von Mitochondrien in Oxymonaden zusammenhängt. Wir waren jedoch immer noch daran interessiert, wie es bei Paratrimastix ist, denn obwohl es diesen Austausch durchlaufen hat, hat es immer noch Mitochondrien, also haben wir es nicht Ich weiß nicht genau, wie gut dieses Organell für die Zelle ist“, erklärt Vladimír Hampl den Hintergrund der neuen Studie.

Aus früheren Studien war klar, dass die Mitochondrien von Paratrimastix pyriformis einen Proteinkomplex enthalten, der als Glycin-Spaltungssystem bezeichnet wird. Dieser Komplex findet sich in einer Reihe anderer normalerweise frei lebender anaerober Protisten. In den Mitochondrien von Modellorganismen, einschließlich des Menschen, baut dieser Komplex die Aminosäure Glycin zu NADH ab, und nachgeschaltete Reaktionen produzieren methylierte Folsäure und Ameisensäure, die anschließend im Zytosol für verschiedene Reaktionen verwendet werden, die eine Methylgruppe erfordern. Es ist jedoch noch nicht verstanden, wofür das Glycin-Spaltsystem in reduzierten Mitochondrien verwendet wird.

Justyna Zitek und ihr Team verwendeten eine fortschrittliche proteomische Methode namens LOPIT (Localization of Organelle Proteins by Isotope Tagging), bei der die Zellen eines Organismus lysiert und anschließend mehrere Fraktionen durch differentielle Zentrifugation präpariert werden. Die Forscher stellten neun verschiedene Pellets her – sedimentierte Zellteile. „Die schnell sedimentierenden Zellbestandteile werden stärker in den ersten Fraktionen vertreten sein“, erklärt Vladimír Hampl.

Anschließend markierte das Team diese Fraktionen mit Isotopen-Tags, mischte sie zusammen und maß die Mischung in einem Massenspektrometer. Auf diese Weise identifizierten sie über fünftausend Proteine ​​und ordneten viele davon Zellkompartimenten zu. „Der Clou an der Methode ist, dass Proteine ​​im selben Kompartiment gemeinsam sedimentieren und daher ihre Darstellung über Fraktionen hinweg ähnlich ist; wir nennen das Profil. Denn bei manchen Proteinen wissen wir im Voraus, zu welchem ​​Kompartiment sie gehören, wir wissen, in welches Kompartiment Profil aussieht und mit anderen Proteinen übereinstimmen kann“, ergänzt Hampl. Mithilfe multivariater und fortschrittlicher Klassifizierungsmethoden versuchte das Team, Proteine ​​gemäß ihrem Profil bestimmten Kompartimenten in der Zelle zuzuordnen.

Das Hauptergebnis der Studie ist eine Beschreibung des Proteoms der Mitochondrien der Art Paratrimastix pyriformis, dem statistische Analysen ungefähr dreißig Proteine ​​zugeordnet haben. Daraus konnten die Forscher ableiten, dass dem Glycin-Spaltsystem eine Abfolge von drei weiteren Reaktionen folgt, ähnlich der Situation in menschlichen Mitochondrien, die aus dem Ausgangsprodukt weitere Folsäure-Derivate bis schließlich zum Endprodukt Ameisensäure erzeugen. gebildet.

Hampl ergänzt: „Es stellt sich heraus, dass die reduzierten Mitochondrien offensichtlich eine essentielle Funktion für den Organismus haben, nämlich nicht die Synthese von Eisen-Schwefel-Cofaktoren, sondern die Synthese von methylierten Verbindungen für das Cytosol.“ Für einfache Mitochondrien anaerober Protisten ist nichts Vergleichbares bekannt.

Diese Arbeit ist auch aus methodologischer Sicht wichtig, da sie zeigt, dass die LOPIT-Technik verwendet werden kann, um Nicht-Modellorganismen zu untersuchen, die mit einer Mischung von Bakterien kultiviert werden, die ansonsten ziemlich schwierig biochemisch oder proteomisch zu charakterisieren sind.

„Unsere Studie ist die zweite Arbeit, bei der die LOPIT-Methode in vollem Umfang auf Protozoen angewendet wurde. Es ist ein sehr elegantes Verfahren und es war schön zu zeigen, dass es sogar auf eine relativ schmutzige Kultur eines Organismus angewendet werden kann, als wir es sonst tun würden finde das Studium sehr schwierig“, schließt Vladimír Hampl.