Wie tickt das Leben? Mitochondrien halten möglicherweise Zeit für Zellen | Quanta-Magazin

So wie Menschen an verschiedenen Orten in unterschiedlichen Rhythmen zu agieren scheinen, so gilt das auch für verschiedene Arten. Sie altern in ihrem eigenen Tempo: Manche, wie die Fruchtfliege, erreichen schnell das Erwachsenenalter, damit sie sich vermehren können, bevor ihre kurzlebige Nahrungsquelle verschwindet, während Lebewesen wie der Mensch über Jahrzehnte hinweg langsam heranreifen, teilweise weil der Aufbau eines großen, komplexen Gehirns dies erfordert. Und ganz am Anfang des Lebens eines Embryos können kleine Änderungen im Timing, wann und wie sich verschiedene Gewebe entwickeln, die Form eines Organismus dramatisch verändern – ein Mechanismus, den sich die Evolution zur Schaffung neuer Arten zunutze macht. Es bleibt jedoch ein Rätsel, was das Tempo des Wachstums eines Organismus bestimmt.

„Unser Wissen darüber, was den Entwicklungszeitpunkt steuert, ist wirklich hinter anderen Bereichen der Entwicklungsbiologie zurückgeblieben“, sagte er Margarete Diaz Cuadros, der die Forschung zum Entwicklungstempo am Massachusetts General Hospital in Boston leitet.

Entwicklungsbiologen haben bei der Identifizierung enorme Erfolge erzielt Netzwerke regulatorischer Gene die miteinander sprechen – kaskadierende Systeme von Rückkopplungsschleifen, die Gene genau zum richtigen Zeitpunkt und am richtigen Ort ein- oder ausschalten, um beispielsweise ein Auge oder ein Bein zu bilden. Der hochkonservierten Ähnlichkeit dieser Gennetzwerke zwischen den Arten stehen jedoch große Unterschiede im zeitlichen Ablauf der Entwicklung gegenüber. Mäuse und Menschen verwenden beispielsweise dieselben Gensätze, um Neuronen und Stacheln zu erzeugen. Doch das Gehirn und die Wirbelsäule einer Maus sehen ganz anders aus als die eines Menschen, weil der Zeitpunkt, zu dem diese Gene aktiv sind, unterschiedlich ist, und es ist unklar, warum das so ist.

„Genregulierung scheint nicht alles über den zeitlichen Ablauf der Entwicklung zu erklären“, sagte er Pierre Vanderhaeghen, der die Evolution und Entwicklung des Gehirns an der KU Leuven in Belgien untersucht. „Das ist ein bisschen provokativ, denn in der Biologie sollte in gewisser Weise alles direkt oder indirekt durch die Genregulation erklärt werden.“

Neue Erklärungen dafür, was das Leben antreibt, ergeben sich aus Innovationen – wie Fortschritten in der Stammzellkultur und der Verfügbarkeit von Werkzeugen zur Manipulation des Stoffwechsels, die ursprünglich zur Untersuchung von Krebs entwickelt wurden –, die es Forschern nun ermöglichen, das Tempo der frühen Entwicklung zu verfolgen und damit zu experimentieren Embryonen und Gewebe im Detail. In einer Reihe von Veröffentlichungen der letzten Jahre, darunter eine Schlüsselpublikation Im Juni kamen mehrere Forschungsteams unabhängig voneinander zu faszinierenden Zusammenhängen zwischen dem Entwicklungstempo, dem Tempo biochemischer Reaktionen und den diesen biochemischen Reaktionen zugrunde liegenden Genexpressionsraten.

Ihre Ergebnisse deuten auf ein gemeinsames Metronom hin: die Mitochondrien, die möglicherweise der Zeitmesser der Zelle sind und den Rhythmus für eine Vielzahl von Entwicklungs- und biochemischen Prozessen vorgeben, die Leben schaffen und erhalten.

Ein Neuron hält die Zeit

Vor mehr als einem Jahrzehnt führte Vanderhaeghen ein Experiment durch, das den Grundstein für moderne Studien darüber legte, wie das Entwicklungstempo eingehalten wird. Der Neurobiologe war da sein belgisches Labor Züchten Sie Stammzellen in Petrischalen und beobachten Sie, wie lange es dauert, bis sie von leeren Zellen zu vollwertigen Neuronen heranreifen, die sich mit anderen verbinden und kommunizieren. Er dachte, er könnte Hinweise auf den Ursprung und die Entwicklung des menschlichen Gehirns finden, indem er diese Stammzellen von Mäusen und Menschen vergleicht, die darauf vorbereitet sind, Neuronen zu werden.

Das erste, was ihm auffiel, war, dass Mausstammzellen sich in etwa einer Woche zu reifen Gehirnzellen differenzierten – schneller als menschliche Stammzellen, deren Wachstum drei bis vier Monate dauerte.

Aber würden sich diese Zellen in einem wachsenden Gehirn auf die gleiche Weise entwickeln wie in einer isolierten Schale? Um das herauszufinden, transplantierte er ein Mäuseneuron in das Gehirn einer lebenden Maus. Die Zelle folgte der gleichen Zeitlinie wie die Neuronen der Wirtsmaus und differenzierte sich nach etwa einer Woche. Dann versuchte er dasselbe mit einem menschlichen Neuron, indem er es in das Gehirn einer Maus implantierte. Zu seinem Erstaunen behielt das menschliche Neuron seine eigene Zeit. Trotz der Nagetierumgebung dauerte die Reifung fast ein Jahr.

„Das lieferte uns eine erste wichtige Antwort: Was auch immer der Timing-Mechanismus ist, ein Großteil davon scheint in den Neuronen selbst zu liegen“, sagte Vanderhaeghen. „Selbst wenn man die Zellen aus der Petrischale nimmt und in einen anderen Organismus gibt, behalten sie immer noch ihre eigene Zeitlinie.“

Dennoch war bis vor ein paar Jahren so gut wie nichts über den zugrunde liegenden zellulären Mechanismus bekannt.

Vanderhaeghen begann darüber nachzudenken, woher die Bausteine ​​eines Neurons kommen. „Um Neuronen herzustellen, ist es, als würde man ein superkompliziertes Gebäude bauen“, sagte er. „Man braucht eine gute Logistik.“ Zellen benötigen nicht nur Energie, sondern auch eine Rohstoffquelle, um zu wachsen und sich zu teilen.

Er vermutete, dass Mitochondrien diese Bausteine ​​liefern könnten. Die Organellen sind der Schlüssel zum Wachstum und Stoffwechsel einer Zelle. Sie produzieren Energie, was ihnen den Spitznamen „Kraftwerk der Zelle“ einbringt, und sie produzieren auch Metaboliten, die für den Aufbau von Aminosäuren und Nukleotiden sowie für die Regulierung der Genexpression unerlässlich sind.

Die klassische Ansicht über Mitochondrien ist, dass sie sich im Laufe der Lebensspanne einer Zelle nicht verändern. „Sie sind einfach diese hübschen, malerischen kleinen Würstchen in der Zelle und sie liefern Energie“, sagte Vanderhaeghen. Aber wenn er und Ryohei Iwata, ein Postdoktorand in seinem Labor, untersuchte die Entwicklung von Neuronen genauer und stellte fest, dass auch Mitochondrien Zeit brauchen, um sich zu entwickeln.

Junge Neuronen, berichteten sie Wissenschaft, hatte wenige Mitochondrien, und die, die sie hatten, waren fragmentiert und erzeugten wenig Energie. Dann, als die Neuronen reiften, wuchsen Anzahl, Größe und Stoffwechselaktivität der Mitochondrien. Darüber hinaus traten die Veränderungen bei Mäusen schneller auf als beim Menschen. Im Wesentlichen skalierte das System: Die Reifung der Mitochondrien blieb bei beiden Arten synchron mit der Reifung der Neuronen.

Die Entdeckung erschien Vanderhaeghen und Iwata wichtig. Und sie fragten sich, ob Mitochondrien der leise Trommelschlag sein könnten, der die enormen Unterschiede im Entwicklungstempo zwischen den Arten antreibt.

Wie man eine Wirbelsäule wachsen lässt

Eines der klassischen Modelle zur Untersuchung des Tempos der Embryonalentwicklung ist die Strukturierung der Wirbelsäule. Alle Wirbeltiere haben eine Wirbelsäule, die aus einer Reihe von Wirbelsegmenten besteht, die Arten variieren jedoch in ihrer Anzahl und Größe. Daher stellt sich natürlich die Frage nach den Entwicklungsmechanismen, die dieses wesentliche Merkmal der Wirbeltiere und seine vielen Variationen im gesamten Tierreich hervorbringen.

1997 wurde der Entwicklungsbiologe Olivier Pourquié, jetzt an der Harvard Medical School, entdeckte erstmals einen molekularen Oszillator namens Segmentierungsuhr, der den Mechanismus antreibt, der die Wirbelsäule von Wirbeltieren strukturiert. Anhand von Hühnerembryonen identifizierte sein Forschungsteam die Schlüsselakteure, die bei der Bildung jedes Wirbelsegments im embryonalen Gewebe rhythmisch zum Ausdruck kommen. Die Segmentierungsuhr löst Schwankungen der Genexpression aus, wodurch die Reaktionsfähigkeit der Zellen auf ein Wellenfrontsignal, das sich vom Kopf zum Schwanz bewegt, schwankt. Wenn die Wellenfront auf reagierende Zellen trifft, bildet sich ein Segment. Auf diese Weise steuert der Uhr-und-Wellenfront-Mechanismus die periodische Organisation der Wirbelsäule.

Die Gene, die die Segmentierungsuhr steuern, sind artenübergreifend konserviert. Die Taktperiode – die Zeit zwischen zwei Spitzen einer Schwingung – ist jedoch nicht der Fall. Viele Jahre lang waren Entwicklungsgenetiker nicht in der Lage, dies zu erklären: Sie verfügten nicht über die genetischen Werkzeuge, um die Uhr eines wachsenden Embryos präzise zu manipulieren. Daher begann Pourquié etwa im Jahr 2008 mit der Entwicklung von Methoden, um den Mechanismus im Labor besser zu entschlüsseln.

Damals „klang es wie totale Science-Fiction“, sagte er. Aber die Idee wurde im Laufe des folgenden Jahrzehnts plausibler, als Pourquiés Labor und andere auf der ganzen Welt lernten, embryonale Stammzellen zu kultivieren sogar Organoide bauen – wie eine Netzhaut, ein Darm oder ein Minigehirn – in einer Schüssel.

Pourquié und Diaz Cuadros, damals sein Doktorand, fanden einen Weg, die Uhr in Stammzellen von Mäusen und Menschen zu reproduzieren. In frühen Experimenten beobachteten sie, dass die Uhrperiode bei Mäusen etwa zwei Stunden dauert, während es in menschlichen Zellen etwa fünf Stunden dauert, bis eine Schwingung abgeschlossen ist. Es war das erste Mal, dass jemand die Segmentierungsuhrperiode beim Menschen identifizierte.

Auch andere Labore erkannten das Potenzial dieser Fortschritte in der Stammzellbiologie, um seit langem bestehende Fragen zum zeitlichen Ablauf der Entwicklung anzugehen. Im Jahr 2020 wurden zwei Forschungsgruppen gegründet – eine unter der Leitung von Miki Ebisuya am European Molecular Biology Laboratory in Barcelona und der andere von James Briskoe am Francis Crick Institute in London – unabhängig voneinander entdeckt, dass grundlegende molekulare Prozesse in der Zelle mit der Geschwindigkeit der Entwicklung im Takt bleiben. Sie veröffentlichten Studien Seite by Seite in Wissenschaft.

Ebisuyas Team wollte die Unterschiede in der Geschwindigkeit molekularer Reaktionen – Genexpression und Proteinabbau – verstehen, die jeden Taktzyklus steuern. Sie fanden heraus, dass beide Prozesse in Mauszellen doppelt so schnell abliefen wie in menschlichen.

Briscoe befasste sich stattdessen mit der frühen Entwicklung des Rückenmarks. Wie der Segmentierungstaktzyklus war auch der neuronale Differenzierungsprozess – einschließlich der Expression von Gensequenzen und dem Abbau von Proteinen – beim Menschen im Vergleich zu Mäusen proportional länger. „Es dauert zwei- bis dreimal länger, um mit menschlichen embryonalen Stammzellen das gleiche Entwicklungsstadium zu erreichen“, sagte Briscoe.

Es war, als würde in jeder Zelle ein Metronom ticken. Mit jedem Pendelschlag hielten verschiedene zelluläre Prozesse – Genexpression, Proteinabbau, Zelldifferenzierung und Embryonalentwicklung – Schritt und blieben im Zeitplan.

Aber galt dies als allgemeine Regel für alle Wirbeltiere, außer für Mäuse und Menschen? Um es herauszufinden, Ebisuyas Doktorand Jorge Lázaro schuf einen „Stammzellzoo“, der Zellen verschiedener Säugetiere beherbergt: Mäuse, Kaninchen, Rinder, Nashörner, Menschen und Weißbüschelaffen. Als er die Segmentierungsuhr jeder Art reproduzierte, stellte er fest, dass die Geschwindigkeit der biochemischen Reaktionen bei jeder Art im Rhythmus mit der Periode der Segmentierungsuhr blieb.

Darüber hinaus stimmte das Tempo nicht mit der Größe der Tiere überein. Mauszellen oszillierten schneller als Nashornzellen, aber menschliche Zellen oszillierten langsamer als Nashornzellen, und Weißbüschelaffenzellen hatten die langsamsten Oszillationen von allen.

Die Ergebnisse, veröffentlicht Cell Stammzelle im Juni schlug vor, dass die Geschwindigkeit biochemischer Reaktionen ein universeller Mechanismus zur Regulierung der Entwicklungszeit sein könnte.

Sie haben auch die Grenzen eines wichtigen, aber übersehenen Aspekts des zentralen Dogmas der Molekularbiologie überschritten. „Wir sprechen über Transkription, Translation und Proteinstabilität“, sagte Diaz-Cuadros. Jeder hatte gedacht, dass sie bei allen Säugetier- oder Wirbeltierarten gleich seien, „aber jetzt sagen wir, dass die Geschwindigkeit des zentralen Dogmas artspezifisch ist, und ich finde das ziemlich faszinierend.“

Machen oder brechen Sie ein Protein

Die Uhr muss also von einem Mechanismus ausgehen, der das Tempo biochemischer Reaktionen zwischen den Arten bestimmt. Teresa Rayon wollte seine Ursprünge aufdecken, als sie beobachtete, wie sich Motoneuronen differenzierten in ihrem Londoner Labor, wo sie bei Briscoe studierte.

Sie entwickelte gentechnisch veränderte Neuronen von Mäusen und Menschen, um fluoreszierendes Protein zu exprimieren, das hell leuchtet, wenn es von einem Laser mit der richtigen Wellenlänge angeregt wird. Dann beobachtete sie, wie die eingebrachten Proteine ​​abgebaut wurden. Zu ihrer Überraschung zerfielen dieselben fluoreszierenden Proteine ​​in Mäusezellen schneller als in menschlichen Zellen und hielten damit mit der Entwicklung der Neuronen Schritt. Das deutete darauf hin, dass etwas in der intrazellulären Umgebung das Tempo des Abbaus bestimmt.

„Wenn Sie einen Biologen fragen würden: ‚Wie bestimmt man die Stabilität eines Proteins?‘ Sie würden Ihnen sagen, dass es an der Reihenfolge liegt“, sagte Rayon, die jetzt ihr eigenes Labor am Babraham Institute in Cambridge, England, leitet. „Wir haben jedoch festgestellt, dass dies tatsächlich nicht der Fall ist. Wir glauben, dass möglicherweise die Maschinerie, die die Proteine ​​abbaut, eine Rolle spielt.“

Aber sie und ihre Gruppe untersuchten nur einen einzigen Zelltyp. Wenn sich Zelltypen in verschiedenen Geweben unterschiedlich schnell entwickeln, würden ihre Proteine ​​dann auch unterschiedlich schnell abgebaut?

Michael Dorrity am Europäischen Labor für Molekularbiologie in Heidelberg ging dieser Frage nach, indem er darüber nachdachte, wie sich die Temperatur auf die Entwicklung auswirkt. Viele Tiere, von Insekten bis zu Fischen, entwickeln sich schneller, wenn sie bei höheren Temperaturen gehalten werden. Interessanterweise beobachtete er, dass bei Zebrafischembryonen, die in einer warmen Umgebung gezüchtet wurden, das Entwicklungstempo einiger Zelltypen schneller beschleunigte als das anderer.

In ein Preprint Als er letztes Jahr einen Beitrag veröffentlichte, konzentrierte er sich auf eine Erklärung, die sich mit der Maschinerie befasst, die Proteine ​​herstellt und abbaut. Einige Zelltypen benötigen ein größeres Volumen oder komplexere Proteine ​​als andere. Infolgedessen belasten einige Zelltypen chronisch „diese Mechanismen zur Proteinqualitätskontrolle“, sagte er. Wenn die Temperatur steigt, sind sie nicht in der Lage, mit dem höheren Proteinbedarf Schritt zu halten, und ihre innere Uhr kann daher nicht schneller laufen und mithalten.

In diesem Sinne verfügen Organismen nicht über eine einzige einheitliche Uhr, sondern über viele Uhren für viele Gewebe und Zelltypen. Aus evolutionärer Sicht handelt es sich hierbei nicht um einen Fehler, sondern um eine Besonderheit: Wenn sich Gewebe nicht synchron zueinander entwickeln, können Körperteile unterschiedlich schnell wachsen – was zur Entwicklung verschiedener Organismen oder sogar neuer Arten führen kann.

Es war, als hätten sie den Stimmknopf des internen Metronoms der Zelle entdeckt, der es ihnen ermöglichte, das Tempo der Embryonalentwicklung zu beschleunigen oder zu verlangsamen. „Es sind nicht Unterschiede in der Genregulationsarchitektur, die diese Unterschiede im Timing erklären“, sagte Pourquié. Die Ergebnisse waren veröffentlicht Natur Anfang dieses Jahres.

Dieser Stoffwechsel-Tuning-Knopf war nicht auf den sich entwickelnden Embryo beschränkt. Iwata und Vanderhaeghen fanden unterdessen heraus, wie man mithilfe von Medikamenten und Genetik mit dem Stoffwechseltempo heranreifender Neuronen experimentieren kann – ein Prozess, der im Gegensatz zu dem der Segmentierungsuhr, die nur ein paar Tage läuft, viele Wochen oder Monate dauert. Wenn Mausneuronen gezwungen wurden, langsamer Energie zu erzeugen, reiften auch die Neuronen langsamer. Umgekehrt könnten die Forscher ihre Reifung beschleunigen, indem sie menschliche Neuronen pharmakologisch auf einen schnelleren Weg verlagern. Die Ergebnisse waren veröffentlicht Wissenschaft im Januar.

Für Vanderhaeghen ist die Schlussfolgerung ihrer Experimente klar: „Die Stoffwechselrate bestimmt den zeitlichen Ablauf der Entwicklung.“

Doch selbst wenn der Stoffwechsel der vorgelagerte Regulator aller anderen zellulären Prozesse ist, müssen diese Unterschiede auf die genetische Regulierung zurückzuführen sein. Es ist möglich, dass Mitochondrien den Zeitpunkt der Expression von Entwicklungsgenen oder solchen beeinflussen, die an der Maschinerie zur Herstellung, Erhaltung und Wiederverwertung von Proteinen beteiligt sind.

Vanderhaeghen vermutete, dass eine Möglichkeit darin besteht, dass Metaboliten aus den Mitochondrien für den Prozess essentiell sind, der gefaltete DNA in Genomen kondensiert oder expandiert, damit sie zum Aufbau von Proteinen transkribiert werden kann. Vielleicht, so schlug er vor, begrenzen diese Metaboliten die Transkriptionsrate und bestimmen global das Tempo, mit dem Genregulationsnetzwerke ein- und ausgeschaltet werden. Das ist jedoch nur eine Idee, die experimentell entschlüsselt werden muss.

Es stellt sich auch die Frage, was Mitochondrien überhaupt zum Ticken bringt. Diaz Cuadros glaubt, dass die Antwort in der DNA liegen muss: „Irgendwo in ihrem Genom muss es einen Sequenzunterschied zwischen Maus und Mensch geben, der diesen Unterschied in der Entwicklungsgeschwindigkeit kodiert.“

„Wir haben immer noch keine Ahnung, wo dieser Unterschied liegt“, sagte sie. „Davon sind wir leider noch sehr weit entfernt.“

Es kann einige Zeit dauern, diese Antwort zu finden, und wie die mitochondriale Uhr schreitet der wissenschaftliche Fortschritt in einem ganz eigenen Tempo voran.

Korrekturen, 18. September 2023
In der Einleitung wurde ein Satz überarbeitet, um klarzustellen, dass es die Geschwindigkeit der Genexpression und nicht die Gesamtstoffwechselrate ist, die das Entwicklungstempo bestimmt. Der Artikel wurde außerdem aktualisiert, um zu korrigieren, welche Arten im Stammzellzoo die schnellsten und langsamsten Oszillationen der Segmentierungsuhr aufweisen.