Hochauflösende Elektronenmikroskopie zeigt, wie Zellen mit Stress umgehen

Unter der Leitung der Universitätsmedizin Göttingen hat ein internationales Team mittels hochauflösender Elektronenmikroskopie zelluläre Stressresistenz-Mechanismen nahezu atomar entschlüsselt. Die Studie belegt, dass das Protein mHsp60 – ein Faltungshelfer für andere Proteine – unter Stress seine Struktur verändert, um seine Aktivität zu steigern und so die Funktion der Mitochondrien zu stabilisieren. Diese Ergebnisse könnten entscheidend dazu beitragen, die Entstehung neurodegenerativer Krankheiten wie Parkinson besser zu verstehen.

Parkinson-Forschung: Den Ursachen des Nervenzelltods auf der Spur

Mitochondrien werden als „Kraftwerke der Zelle“ bezeichnet, da sie den Großteil der Energie für sämtliche Körperaktivitäten produzieren. Besonders energieintensive Gewebe wie Muskeln und das Gehirn reagieren daher empfindlich auf mitochondriale Fehlfunktionen. Dies betrifft vor allem die dopaminergen Neurone im Mittelhirn, die den Botenstoff Dopamin für Bewegung, Stimmung und Antrieb steuern. Da diese Zellen einen extrem hohen Energiebedarf haben, sterben sie bei der Parkinson-Krankheit ab, wobei die genauen Mechanismen dahinter noch ungeklärt sind. Mangels dieses Wissens gibt es bisher keine Heilung für die weltweit über zehn Millionen Betroffenen.

Zelluläres Gleichgewicht: Mitochondriale Stressresistenz im Fokus

Eine mögliche Ursache für das Zellsterben könnte darin liegen, dass der enorme Energiebedarf dopaminerger Neurone die Mitochondrien einer außergewöhnlichen Belastung aussetzt, was letztlich deren Fehlfunktion auslöst. Im Gegensatz dazu kann bei bestimmten Krebsarten eine gesteigerte mitochondriale Fitness – also die Gesamtzahl, Dichte und Effizienz der Organellen – das bösartige Zellwachstum sogar begünstigen. Daher ist es entscheidend, die molekularen Mechanismen zu entschlüsseln, die die Balance zwischen mitochondrialer Gesundheit und Stressresistenz sichern. Bislang scheiterte die Untersuchung dieser komplexen Prozesse innerhalb der Zellen jedoch an technologischen Einschränkungen der Bildauflösung.

Kryo-Elektronentomographie: Ein 3D-Blick auf zelluläre Stressbewältigung

Unter der Leitung von Prof. Dr. Rubén Fernández-Busnadiego hat sich ein internationales Forscherteam diesen Herausforderungen gestellt. Mittels innovativer Kryo-Elektronentomographie – einer Technologie zur 3D-Darstellung ultraschnell eingefrorener Zellen – gelang es, die Zellstrukturen in nahezu natürlichem Zustand zu konservieren. Mit annähernd atomarer Präzision machten die Forschenden sichtbar, wie Mitochondrien unter Stress die Proteinbildung drosseln und gleichzeitig die Proteinfaltung als essenziellen Prozess der Funktionssicherung intensivieren. Dabei identifizierten sie das mitochondriale Hitzeschockprotein 60 (mHsp60) als zentralen „Faltungshelfer”, der maßgeblich zur Stabilität der Mitochondrien beiträgt. Die hochauflösenden Aufnahmen zeigen erstmals detailliert, wie mHsp60 im Normalzustand agiert und sich durch strukturelle Anpassungen aktiv an Stressbedingungen anpasst.

„Wir haben einen Stresstest in den Mitochondrien durchgeführt, um die molekularen Mechanismen der Qualitätskontrolle und ihre Schwachstellen zu analysieren“, sagt Prof. Fernández-Busnadiego. „Wir sind besonders daran interessiert, den Zusammenhang zwischen zellulärem Stress, Fehlfaltung von Proteinen und schweren neurodegenerativen Erkrankungen zu entschlüsseln.“

Kenneth Ehses fügte hinzu: „Die Kryo-Elektronentomographie ermöglicht es uns, Proteinkomplexe direkt in ihrer natürlichen zellulären Umgebung zu untersuchen und so mögliche Mechanismen für die Entstehung von Krankheiten zu erforschen. Die Ergebnisse könnten zur Entwicklung neuer Behandlungsstrategien für neurodegenerative Erkrankungen wie Parkinson beitragen.“

Quelle

Universitätsmedizin Göttingen (03/2026)