Schlüsselrollen von Ubp2 und Hsp31 für die mitochondriale Gesundheit

Die DJ-1 Superfamilie besteht aus Proteinen, die in vielen lebenden Organismen vorkommen, von Bakterien bis zu Menschen. Diese Proteine sind wichtig für die Aufrechterhaltung zellulärer Funktionen. Besonders wichtig ist ihre Rolle dabei, den Zellen zu helfen, auf Stress zu reagieren, wenn sie schädlichen Substanzen ausgesetzt sind.

#Funktion der Hsp31-Paraloge

In Hefe, einer Art von Pilz, gibt es vier spezifische Proteine, die als Hsp31-Paraloge bekannt sind. Diese Proteine – Hsp31, Hsp32, Hsp33 und Hsp34 – spielen eine Schlüsselrolle dabei, Hefezellen zu helfen, zu überleben, wenn sie nicht wachsen oder chemischen Stress ausgesetzt sind. Sie unterstützen die Gesundheit der Mitochondrien, die die Energie produzierenden Teile der Zellen sind. Diese Paraloge sind entscheidend für die Regulierung des Elektronenausgleichs in den Zellen und den Schutz vor oxidativen Schäden durch schädliche Verbindungen.

Wenn Hefezellen unter Stress stehen, bewegen sich die Hsp31-Paraloge zu den Mitochondrien, um diese Organellen vor Schäden zu schützen. Sie können verschiedene Aufgaben übernehmen, wie anderen Proteinen helfen, richtig zu funktionieren, und schädliche Substanzen abbauen, die in den Zellen entstehen können.

#Bedeutung von DJ-1 bei Menschen

Bei Menschen gibt es ein Gen namens PARK7, das ein Protein produziert, das den Hsp31-Paralogen in der Hefe ähnlich ist. Mutationen in diesem Gen können zu einer Form von Parkinson führen, einer Erkrankung, die die Bewegung beeinträchtigt und Zittern sowie Steifheit verursachen kann. Das menschliche DJ-1-Protein hilft ebenfalls, den Stress in den Zellen zu managen und hält die Mitochondrien gesund. Viele Studien haben gezeigt, dass DJ-1 wichtig für den Schutz von Gehirnzellen ist, indem es ihnen hilft, auf Stress zu reagieren.

Wenn DJ-1 aufgrund von Mutationen nicht korrekt funktioniert, kann das zu Problemen in den Mitochondrien führen, was die Empfindlichkeit gegenüber oxidativem Stress erhöht. Das bedeutet, dass Zellen möglicherweise nicht gut mit Faktoren umgehen können, die Schäden verursachen können, was zu Erkrankungen wie Parkinson und Alzheimer führen kann.

#Rolle der Mitochondrien

Mitochondrien sind dynamische Strukturen in Zellen, die ständig ihre Form und Grösse ändern. Sie durchlaufen Prozesse wie Fusion und Spaltung, die helfen, ihre Gesundheit und Funktion aufrechtzuerhalten. Wenn diese Prozesse nicht im Gleichgewicht sind, kann das zu Problemen für die Zelle führen. Mutationen in DJ-1-Proteinen können dieses Gleichgewicht stören, was zu ungesunden Mitochondrien führt, die nicht richtig funktionieren können.

In Hefe kann das Fehlen von Hsp31-Paralogen auch die Dynamik der Mitochondrien beeinflussen. Zum Beispiel verursacht das Fehlen Veränderungen in einem Protein namens Fzo1, das wichtig für die Mitochondrienfusion ist. Dies führt entweder zu übermässig fusionierten oder beschädigten Mitochondrien, was die Gesundheit der Zelle beeinträchtigt.

#Die Rolle von Ubp2

Ubp2 ist eine Deubiquitinase, eine Art von Enzym, das hilft, zu regulieren, wie Proteine mit einem kleinen Protein namens Ubiquitin modifiziert werden. Dieser Prozess ist wichtig, um zu kontrollieren, ob Proteine zerstört oder erlaubt werden, zu funktionieren. In Hefe ist Ubp2 entscheidend für die Aufrechterhaltung der Mitochondrienfunktion und -gesundheit.

Wenn Ubp2 fehlt, führt das zu niedrigeren Levels des Fzo1-Proteins, was zu fragmentierten Mitochondrien führt, die nicht gut funktionieren. Studien zeigen jedoch, dass das Löschen von Ubp2 in Zellen, die keine Hsp31-Paraloge haben, die Mitochondrienstruktur und -funktion wiederherstellen kann.

#Untersuchung der Wechselwirkung zwischen Ubp2 und Hsp31-Paralogen

Forscher haben untersucht, wie Ubp2 mit den Hsp31-Paralogen in Hefe interagiert, um besser zu verstehen, wie man die Mitochondriengesundheit aufrechterhalten kann. Mit genetischen Techniken konnten Wissenschaftler zeigen, dass das Löschen von Ubp2 in Abwesenheit von Hsp31-Proteinen die mitochondrialen Strukturen der Zellen verbessert. Dies deutet auf einen funktionalen Zusammenhang zwischen Ubp2 und den Hsp31-Paralogen hin.

Um das weiter zu analysieren, verwendeten Wissenschaftler Hefestämme, die entweder Ubp2 oder Hsp31-Proteine fehlten. Als sie Ubp2 aus Zellen, die keine Hsp31 hatten, löschten, zeigte das Wachstum der Zellen auf bestimmten Nahrungsarten Verbesserungen im Vergleich zu Zellen, die nur Hsp31 fehlten. Das zeigt, dass Ubp2 eine wichtige Rolle dabei spielt, die normale Mitochondrienfunktion wiederherzustellen, selbst wenn die Hsp31-Proteine fehlen.

#Beobachtung der mitochondrialen Strukturen

Forscher schauten sich die tatsächlichen Formen und Strukturen der Mitochondrien in verschiedenen Hefestämmen an. Sie verwendeten spezielle Farbstoffe, um die Mitochondrien zu färben, und schauten sie sich dann unter einem Mikroskop an. Das half ihnen zu sehen, wie das Löschen von Ubp2 die mitochondrialen Strukturen beeinflusste.

Sie stellten fest, dass Hefe ohne Ubp2 fragmentierte Mitochondrien hatte, während die, die keine Hsp31-Paraloge hatten, sehr lange und verbundene mitochondriale Strukturen hatten, die als hyperfused Formen bezeichnet werden. Wenn jedoch Ubp2 aus Zellen gelöscht wurde, die Hsp31 fehlten, schienen die Mitochondrien gesünder und ähnlicher denen in normalen Zellen.

#Einfluss auf die mitochondriale Funktion

Um zu bestimmen, wie die Löschungen die gesamte Funktion der Mitochondrien beeinflussten, massen die Forscher, wie gut die Mitochondrien performten. Sie verwendeten spezielle Farbstoffe, um die funktionale Kapazität der Mitochondrien in jedem Stamm zu analysieren. Diese Analyse zeigte, dass:

• Zellen, in denen nur Ubp2 gelöscht wurde, eine insgesamt niedrigere mitochondriale Funktion hatten.
• Die, bei denen nur Hsp31 gelöscht wurde, höhere funktionale Kapazitäten zeigten.
• Zellen, die beide fehlten, eine Wiederherstellung der Funktion zeigten, was auf eine positive Wechselwirkung zwischen Ubp2 und Hsp31 hinweist, die die Mitochondriengesundheit aufrechterhält.

Zusätzlich massen sie, wie viel Energie (ATP) die Mitochondrien produzierten, und entdeckten, dass die Zellen, die sowohl Hsp31 als auch Ubp2 fehlten, Energieniveaus hatten, die mit normalen Zellen vergleichbar waren.

#Die Rolle der Mitophagie

Mitophagie ist ein Prozess, bei dem beschädigte Mitochondrien aus der Zelle entfernt werden, um zu verhindern, dass sie Schaden anrichten. Forscher untersuchten, ob Ubp2 eine Rolle in diesem Prozess spielte, indem sie untersuchten, wie schnell und effektiv beschädigte Mitochondrien in den verschiedenen Hefestämmen abgebaut wurden. Sie fanden heraus, dass Zellen, die Ubp2 fehlten, den Prozess der Mitophagie früher als normal einleiteten, aber nicht so effektiv beim Abbau beschädigter Mitochondrien waren.

Ausserdem stellte sich heraus, dass, als Ubp2 aus Zellen gelöscht wurde, die Hsp31-Paraloge fehlten, eine signifikante Verbesserung beim Abbau beschädigter Mitochondrien stattfand. Das deutet darauf hin, dass Ubp2 beeinflussen kann, wie schnell Zellen auf beschädigte Mitochondrien reagieren.

#Die Beziehung zwischen Fzo1 und mitochondrialer Dynamik

Die Level des Fzo1-Proteins, das für die Fusion der mitochondrialen Membranen von entscheidender Bedeutung ist, wurden ebenfalls untersucht. Forscher fanden heraus, dass das Löschen von Ubp2 die Levels von Fzo1 in Zellen ohne Hsp31 wiederherstellte. Wenn die Fzo1-Level im Gleichgewicht waren, konnten die Mitochondrien ihre Struktur und Funktion besser aufrechterhalten.

Darüber hinaus zeigte die Forschung, dass in Abwesenheit von Ubp2 mehr von dem Fzo1-Protein einen Prozess namens Ubiquitinierung durchlief, der typischerweise zur Zersetzung des Proteins führt. Diese Wechselwirkung zwischen Ubp2 und Fzo1 ist entscheidend für die Regulierung der mitochondrialen Dynamik und stellt sicher, dass die Mitochondrien richtig auf Stress reagieren können.

#Auswirkungen auf den Zellzyklus

Die Forschung untersuchte auch, wie die Mitochondriengesundheit den Zellzyklus beeinflusst, also den Prozess, durch den Zellen wachsen und sich teilen. Es wurde festgestellt, dass Hefezellen, die beide Hsp31-Paraloge fehlten, Schwierigkeiten hatten, im Zellzyklus voranzuschreiten, insbesondere in der G2/M-Phase, die der Punkt ist, an dem die Zelle sich auf die Teilung vorbereitet.

Wenn jedoch in Hefezellen Ubp2 zusammen mit den Hsp31-Paralogen gelöscht wurde, wurde der normale Fortschritt durch den Zellzyklus wiederhergestellt. Das deutet darauf hin, dass gesunde mitochondriale Strukturen entscheidend dafür sind, dass Zellen sich richtig teilen können.

#Veränderungen der reaktiven Sauerstoffspezies (ROS)-Niveaus

Reaktive Sauerstoffspezies (ROS) sind schädliche Moleküle, die Zellen schädigen können. Die Forscher massen die ROS-Niveaus, um zu sehen, wie sie durch die Löschungen in den verschiedenen Stämmen beeinflusst wurden. Sie fanden heraus, dass Zellen ohne Ubp2 normale ROS-Niveaus hatten, ähnlich wie Wildtyp-Zellen, während die, die Hsp31-Paraloge fehlten, erhöhte ROS-Niveaus aufwiesen.

Als Ubp2 aus den Hsp31-defizienten Zellen gelöscht wurde, kehrten die ROS-Niveaus zur Normalität zurück. Das zeigt, dass beide Proteine eine Rolle dabei spielen, oxidativen Stress innerhalb der Zellen zu managen.

#Widerstand gegen oxidativen Stress

Um zu verstehen, wie die Hefestämme auf äusseren oxidativen Stress reagierten, behandelten die Forscher die Zellen mit Wasserstoffperoxid. Sie fanden heraus, dass Zellen ohne Ubp2 auf diesen Stress nicht empfindlich reagierten, während Zellen ohne Hsp31 sehr empfindlich waren. Interessanterweise zeigten die Zellen, die sowohl Hsp31 als auch Ubp2 fehlten, eine teilweise Wiederherstellung der Stresssensitivität, was darauf hindeutet, dass Ubp2 dazu beiträgt, wie Zellen mit oxidativem Stress umgehen.

#Glutathionniveaus und Reaktion auf oxidativen Stress

Die Forscher schauten sich auch Glutathion an, ein wichtiges Molekül, das Zellen vor oxidativen Schäden schützt. Sie massen die Niveaus von reduziertem Glutathion (GSH) in den verschiedenen Stämmen. Als Hsp31-Paraloge gelöscht wurden, waren die Glutathionniveaus signifikant niedriger. In Zellen, die Ubp2 zusammen mit den Hsp31-Paralogen fehlten, wurden die GSH-Niveaus jedoch wieder auf Normalwerte gebracht, was die Annahme unterstützt, dass Ubp2 entscheidend für die Aufrechterhaltung des zellulären Redoxgleichgewichts ist.

#Fazit

Zusammenfassend zeigt diese Studie die Bedeutung der Wechselwirkung zwischen Ubp2 und Hsp31-Paralogen bei der Aufrechterhaltung der mitochondrialen Gesundheit und Funktion in Hefe. Die Ergebnisse zeigen, dass das Löschen von Ubp2 die normalen mitochondrialen Strukturen und Funktionen wiederherstellen kann, selbst in Zellen, denen die Hsp31-Paraloge fehlen. Darüber hinaus spielt diese Wechselwirkung eine entscheidende Rolle beim Management von oxidativem Stress und beim Sicherstellen einer ordentlichen Zellzyklusprogression.

Das Verständnis dieser Mechanismen beleuchtet nicht nur grundlegende zelluläre Prozesse, sondern könnte auch Einblicke geben, wie ähnliche Systeme bei Menschen funktionieren, insbesondere in Bezug auf Erkrankungen wie Parkinson, bei denen die mitochondriale Gesundheit stark betroffen ist. Diese fortlaufende Forschung könnte zu neuen Strategien führen, um neurodegenerative Erkrankungen anzugehen, indem der Fokus auf die mitochondrialen Dynamiken und deren regulatorische Wege gelegt wird.