Regulation der mitochondrialen DNA: Zusammenhang zwischen Zellgröße und der Menge genetischen Materials

In Menschen und allen anderen Tieren, sowie in Pflanzen und Pilzen, befindet sich die genetische Information, die DNA, eng gepackt im Zellkern. Zellen mit einem Zellkern (auch Nukleus genannt) werden als eukaryotische Zellen bezeichnet und unterscheiden sich von einfacheren Organismen wie Bakterien, die keinen Zellkern haben. Die überwiegende Anzahl der Gene befindet sich auf der nuklearen DNA, jedoch enthalten fast alle eukaryotischen Organismen auch eine zweite essenzielle Art von DNA, die sich in den Mitochondrien befindet. Mitochondrien sind eine abgegrenzte strukturelle Einheit innerhalb von Zellen, die für die Energieproduktion in der Zelle verantwortlich ist. Die mitochondriale DNA ist ein Überbleibsel des evolutionären Endosymbiose-Ereignisses, bei dem eine bakterielle Zelle von einer Vorläufer-Eukaryoten-Zelle aufgenommen wurde und sich diese schließlich zu den heutigen Mitochondrien entwickelte. Die mitochondriale DNA enthält einige Gene, die essentiell dafür sind, dass Mitochondrien ihre wichtige Funktion im zellulären Stoffwechsel erfüllen können, insbesondere bei der Produktion von ATP, der "Energiewährung" der Zelle (dies ist der Grund, warum die Mitochondrien ihren Ruf als "Kraftwerk der Zelle" erlangt haben).

Die Anzahl mitochondrialer DNA-Kopien steigt mit dem Zellvolumen

In der Regel haben Zellen mehrere Kopien des mitochondrialen Genoms. Um schwere Stoffwechselerkrankungen zu vermeiden, ist es wichtig, dass die Zellen die Anzahl der mitochondrialer DNA kontrollieren. Die nukleare DNA wird während jedes Zellzyklus verdoppelt, sodass jede neue Zelle die genau gleiche Menge nuklearer DNA, wie die ursprüngliche Zelle hat. Es ist jedoch immer noch unklar, wie sich teilende Zellen die Replikation der mitochondrialen DNA regulieren, damit nach der Zellteilung jede Tochterzelle die richtige Menge erbt. Ein Team von Forschenden unter der Leitung von Dr. Anika Seel und Dr. Kurt Schmoller von Helmholtz Munich hat nun herausgefunden, dass die Anzahl der Kopien der mitochondrialen DNA eng mit der Größe der Zellen zusammenhängt. Genauer gesagt haben größere Zellen proportional mehr DNA, so können wachsende Zellen immer konstante Konzentrationen aufrechthalten.

Mithilfe der einzelligen Bäckerhefe als Modell konnte das Team von Forschenden zusammen mit Kollaborationspartnern die molekulare Grundlage für diese Regulation identifizieren. Im Verlauf der Evolution wurden die meisten mitochondrialen Gene auf die nukleare DNA verlegt, einschließlich aller Gene, die für die Replikation der mitochondrialen DNA benötigt werden. Da größere Zellen typischerweise mehr Proteine produzieren, die von den Genen der nuklearen DNA codiert sind, produzieren sie auch mehr Faktoren, die für die Replikation der mitochondrialen DNA notwendig sind. Dies führt dann dazu, dass größere Zellen mehr mitochondriale DNA produzieren.

"Das Verständnis dieses grundlegenden Prinzips der Regulation der mitochondrialen DNA in gesunden Zellen ist ein wichtiger Schritt zur Erforschung von Krankheiten, die durch die fehlerhafte Regulation der mitochondrialen DNA verursacht werden", sagt Kurt Schmoller. "Basierend auf unseren Erkenntnissen können Forschende nun untersuchen, wie diese Regulation bei Patienten und Patientinnen mit mitochondrialen Erkrankungen versagt. In Zukunft wird dies hoffentlich den Weg zu neuen Therapien ebnen."

Über die Wissenschaftler:innen

Dr. Anika Seel, ehemalige PhD-Studentin in der Schmoller Gruppe bei Helmholtz Munich
Dr. Kurt Schmoller, Gruppenleiter am Institut für Functional Epigenetics bei Helmholtz Munich