Zellulares Gedächtnis von Stresssituationen

Zellulares Gedächtnis von Stresssituationen
Anonim

vom Friedrich-Miescher-Institut für biomedizinische Forschung

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Stress ist ungesund. Die Zellen nutzen daher eine Vielzahl von Mechanismen, um mit Stress umzugehen und seine unmittelbare Bedrohung abzuwenden. Bestimmte Stresssituationen hinterlassen jedoch Spuren, die über die unmittelbare Reaktion hinausgehen. manche scheinen sogar an die nächste Generation weitergegeben zu werden. Eine in letzter Zeit viel beachtete Denkschule geht davon aus, dass das Epigenom, chemische Modifikationen an der DNA und an Proteinen, Informationen über äußere Einflüsse wie Stress enthält. Wann und wie Umwelteinflüsse Veränderungen im Epigenom auslösen und damit unsere Reaktion beeinflussen, ist jedoch weitgehend unbekannt.

Um zu untersuchen, wie die Umwelt epigenetische Prozesse beeinflussen kann, arbeiten FMI-Senior-Gruppenleiter Marc Bühler und seine Gruppe mit Spalthefe. In einem in Cell Reports veröffentlichten Artikel berichten sie über die Identifizierung eines Regelkreises, der unter stressigen Bedingungen einen potenziell schädlichen epigenetischen Wechsel puffert. Die Fähigkeit, eine solche epigenetische Veränderung zu verhindern, ist für den Organismus wichtig, möglicherweise, weil der veränderte epigenetische Zustand für viele Zellteilungen erhalten bleibt, nachdem der Stress abgeklungen ist.

Einzellige Organismen wie Spalthefe können leicht mit hohen Temperaturen gestresst werden, die üblicherweise in der Wildnis auftreten. Ein hochkonserviertes Protein, das besonders empfindlich gegenüber hohen Temperaturen ist, ist Dicer. Unter normalen Umständen sitzt es im Zellkern und hemmt unter anderem die Expression von Genen, die sich mit Stressreaktionen befassen. Wird die Spalthefe hohen Temperaturen ausgesetzt, verlässt Dicer den Zellkern und reichert sich im Zytoplasma an. Dies ermöglicht die Expression der Stressantwortgene. Somit ermöglicht Dicer durch Herausbewegen aus dem Zellkern eine vollständige Aktivierung der Stressreaktion der Hefe.

In ihrer Studie verwendeten Bühler und Kollegen das Korrelative Licht- und Elektronenmikroskop (CLEM), um zu zeigen, dass sich Dicer bei Hitzebelastung als Aggregat in einem neuartigen zytoplasmatischen Kompartiment ansammelt. Dort kommt zu Dicer die bekannte Proteindisaggregase Hsp104 hinzu, die die Dicer-Aggregate auflöst. Dicer recycelt dann zurück in den Zellkern. Besonders faszinierend ist, dass Hsp104 eines der "Stressgene" ist, die von Dicer im Zellkern unterdrückt werden. Hsp104 garantiert somit, dass Dicer seine Kernfunktionen wieder übernehmen kann, unter anderem die Unterdrückung von "Stressgenen" HSP104. Wir haben es also mit einer klassischen Gegenkopplungsschleife zu tun ", erklärt Bühler.
Was uns in diesem Zusammenhang zu der anderen hochrelevanten Funktion von Dicer bringt: Dicer stellt die Stabilität des Hefegenoms sicher, indem es die dichte Verpackung der zentromeren Regionen in Heterochromatin beibehält. Ohne Heterochromatin scheiden sich die Chromosomen während der Mitose nicht richtig ab. Dies kann zu Aneuploidie und Chromosomeninstabilität führen, die ein Kennzeichen von Krebs sind. In ihrer Arbeit zeigen die FMI-Wissenschaftler, dass Dicer in Abwesenheit von Hsp104 im Zytoplasma verbleibt und heterochromatische Regionen auf dem Hefegenom nach Belastung durch Hitze nicht mehr stabil sind. Dies führt zu Veränderungen in der Genexpression und am nachteiligsten zu einer Chromosomenfehlregation während der Zellteilung. "Die beobachteten Veränderungen in der Heterochromatin- und Genexpression, die nach einer stressigen Situation ohne funktionelles Hsp104 auftreten, sind noch lange nach dem Nachlassen des Stresses vorhanden", kommentiert Bühler. "Was wir hier haben, ist ein Phänomen, das der klassischen Definition der Epigenetik entspricht: Ein Ereignis, bei dem ein Umweltstichpunkt eine Änderung der Genexpression auslöst, die keine Änderung der Genomsequenz mit sich bringt, die aber selbst für viele Zellteilungen vererbt wird nachdem der Umwelthinweis verschwunden ist. "

Interessanterweise haben Bühler und sein Team auch gezeigt, dass die Rückkopplungsschleife, die Dicer und Hsp104 steuert, eine Rolle bei der Prionenbildung und -vermehrung spielt. In anderen Organismen war Hsp104 für seine Funktion bei der Aggregation von prionogenen Proteinen bekannt. Tatsächlich stellten die FMI-Wissenschaftler fest, dass Hsp104 ohne Dicer von der Leine ist und die Häufigkeit toxischer prionogener Proteinaggregate erhöht, die schließlich zum Zelltod führen. "Da Proteinaggregate nicht nur bei Prionenerkrankungen, sondern auch bei neurodegenerativen Erkrankungen eine wichtige Rolle spielen, könnten die in Hefe beschriebenen Prozesse eine interessante Möglichkeit für zukünftige Studien zu Krankheiten wie Alzheimer sein", kommentiert Bühler.

An der Grenze der Mikroskopie: Korrelative Licht- und Elektronenmikroskopie (CLEM) und Serial Block Face Scanning-Elektronenmikroskopie (SBFEM)

  • SBFEM ermöglicht die dreidimensionale Rekonstruktion der Strukturen innerhalb einer Zelle und von Geweben mit hoher Auflösung (siehe Bild der Zelle). Ein in die Probenkammer eines Rasterelektronenmikroskops integriertes Ultramikrotom schneidet eine dünne Scheibe der Probe von nur 50-100 Nanometer Dicke ab, wodurch das Instrument die nächste "Schicht" abtasten kann. Sequentielle 2D-Bilder werden dann zu einem 3D-Bild der Zelle und ihrer Strukturen zusammengesetzt. Für ihr Projekt profitierten die Wissenschaftler maßgeblich von der internen Expertise der Einrichtung für fortgeschrittene Bildgebung und Mikroskopie (FAIM), nämlich von Christel Genoud, die eine führende Expertin für SBFEM ist.
  • CLEM ist eine hochentwickelte Mikroskopie-Methode, die weltweit nur von wenigen Labors beherrscht wird. Es kombiniert Fluoreszenzlichtmikroskopie mit Elektronenmikroskopie, zwei Plattformen, die normalerweise getrennt sind. Damit nutzt es beide Technologien: Die Lichtmikroskopie ermöglicht die Untersuchung von Prozessen in ganzen, oft lebenden Zellen, beispielsweise mit fluoreszierenden Markierungen. Elektronenmikroskopie zeigt ultrastrukturelle Details in Teilen von Zellen mit einer sehr hohen Auflösung. CLEM kombiniert die Vorteile, indem es sowohl Details hinzufügt als auch ergänzende Informationen bereitstellt. Ein ERC Starting Grant ermöglichte die Einführung von CLEM am FMI.