Eine fortschrittliche bildgebende Methode von Wissenschaftlern bei Scripps Research bietet eine neue Möglichkeit, Mitochondrien zu untersuchen.
In ihrem Bericht vom 14. Februar 2023, in der Zeitschrift für Zellbiologiebeschrieben die Wissenschaftler eine Reihe von Techniken, die die Abbildung und Quantifizierung selbst subtiler struktureller Veränderungen in Mitochondrien und die Korrelation dieser Veränderungen mit anderen in Zellen ablaufenden Prozessen ermöglichen.
Mitochondrien sind nicht nur an der Energieproduktion beteiligt, sondern auch an mehreren anderen kritischen Zellfunktionen, einschließlich Zellteilung und zellerhaltenden Reaktionen auf verschiedene Arten von Stress. Mitochondriale Dysfunktionen wurden bei einer Vielzahl von Krankheiten beobachtet, darunter Alzheimer, Parkinson und verschiedene Krebsarten, und Forscher sind bestrebt, Behandlungen zu entwickeln, die diese Dysfunktionen rückgängig machen können. Aber die wissenschaftlichen Werkzeuge zum Studium der feinen Details der Mitochondrienstruktur waren begrenzt.
„Wir haben jetzt ein leistungsstarkes neues Toolkit zur Erkennung und Quantifizierung struktureller und damit funktioneller Unterschiede in Mitochondrien – zum Beispiel in erkrankten versus gesunden Zuständen“, sagt die leitende Autorin der Studie Danielle Grotjahn, Ph.D., Assistenzprofessorin in der Abteilung für Integrative Struktur- und Computerbiologie bei Scripps Research.
Die Co-Erstautoren der Studie waren die Mitglieder des Grotjahn-Labors Benjamin Barad, Ph.D., ein Postdoktorand, und Michaela Medina, eine Ph.D. Kandidat.
Mitochondrien sind eine der vielen membrangebundenen molekularen Maschinen oder „Organellen“, die in den Zellen von Pflanzen und Tieren leben. Mitochondrien, die typischerweise zu Hunderten bis Tausenden pro Zelle zählen, haben ihre eigenen kleinen Genome und eine charakteristische Struktur mit einer äußeren Membran und einer welligen inneren Membran, in der wichtige biochemische Reaktionen stattfinden. Wissenschaftler wissen, dass sich das Erscheinungsbild mitochondrialer Strukturen dramatisch ändern kann, je nachdem, was das Mitochondrium tut oder welche Belastungen in der Zelle vorhanden sind. Diese strukturellen Veränderungen können daher sehr nützliche Marker für Zellzustände sein, obwohl es bis jetzt keine gute Methode gab, sie nachzuweisen und zu quantifizieren.
In einer neuen Studie beschreiben Wissenschaftler von Scripps Research neue bildgebende Verfahren zur Untersuchung von Mitochondrien. Bildnachweis: Scripps Research
In der Studie stellte Grotjahns Team ein Computer-Toolkit zusammen, um Bilddaten aus einer Mikroskopietechnik namens Kryo-Elektronentomographie (Kryo-ET) zu verarbeiten, die im Wesentlichen biologische Proben in drei Dimensionen abbildet, wobei Elektronen anstelle von Licht verwendet werden. Das „Surface Morphometrics Toolkit“, wie die Forscher es nennen, ermöglicht die detaillierte Kartierung und Vermessung der Strukturelemente einzelner Mitochondrien. Dazu gehören die Biegungen der inneren Membran und die Lücken zwischen Membranen – alles potenziell nützliche Marker für wichtige mitochondriale und zelluläre Ereignisse.
„Es ermöglicht uns im Wesentlichen, die schönen 3D-Bilder von Mitochondrien, die wir durch Kryo-ET erhalten können, in empfindliche, quantitative Messungen umzuwandeln – die wir möglicherweise verwenden können, um beispielsweise die detaillierten Mechanismen von Krankheiten zu identifizieren“, sagt Barad.
Das Team demonstrierte das Toolkit, indem es strukturelle Details von Mitochondrien abbildete, wenn ihre Zellen endoplasmatischem Retikulumstress ausgesetzt waren, einer Art von Zellstress, der häufig bei neurodegenerativen Erkrankungen auftritt. Sie beobachteten, dass sich wichtige Strukturmerkmale wie die Krümmung der inneren Membran oder der Mindestabstand zwischen innerer und äußerer Membran unter dieser Belastung messbar veränderten.
Mit ihren erfolgreichen Demonstrationen zum Nachweis des Prinzips des neuen Toolkits wird das Grotjahn-Labor es nun verwenden, um detaillierter zu untersuchen, wie Mitochondrien auf zellulären Stress oder andere Veränderungen reagieren, die durch Krankheiten, Toxine, Infektionen und sogar Arzneimittel verursacht werden.
„Wir können beispielsweise die Wirkung auf die Mitochondrien in mit einem Medikament behandelten Zellen mit den Wirkungen auf unbehandelte Mitochondrien vergleichen“, sagt Medina. „Und dieser Ansatz ist nicht auf Mitochondrien beschränkt – wir können damit auch andere Organellen in Zellen untersuchen.“
„Quantifying organellar ultrastructure in cryo-electron tomography using a surface morphometrics pipeline“ wurde gemeinsam von Benjamin Barad, Michaela Medina, Daniel Fuentes, Luke Wiseman und Danielle Grotjahn, alle von Scripps Research, verfasst.
Mehr Informationen:
Benjamin A. Barad et al, Quantifizierung der Organellen-Ultrastruktur in der Kryo-Elektronentomographie unter Verwendung einer Oberflächenmorphometrie-Pipeline, Zeitschrift für Zellbiologie (2023). DOI: 10.1083/jcb.202204093