| Die Aufnahme von Ca2+ durch die Mitochondrien stellt einen physiologischen Prozess von enormer Wichtigkeit dar, der unzählige zelluläre Funktionen maßgeblich beeinflusst. Abgesehen von Stoffwechsel und zytosolischem Ca2+-Haushalt, gibt es eine Vielzahl weiterer zellulärer Signalwege, wie etwa Apoptose, Nekrose oder Autophagie, die in unmittelbarem Zusammenhang mit der mitochondrialen Ca2+-Aufnahme stehen. In den β-Zellen des Pankreas verstärkt mitochondriales Ca2+ die Kopplung zwischen Stoffwechsel und Sekretion indem es geschwindigkeitsbestimmende Stoffwechselenzyme aktiviert. Dies wiederum beschleunigt die oxidative Phosphorylierung und damit die Synthese von ATP and anderen Faktoren, die eine Glucose-stimulierte Insulinsekretion (GSIS) ermöglichen. Die Fortleitung von Ca2+-Signalen aus dem zytosolischen in das mitochondrielle Kompartiment ist daher von essentieller Bedeutung für den oxidativen Metabolismus. Eine Störung des mitochondrialen Ca2+-Transports könnte demnach die Stoffwechsel-Sekretionskopplung und damit auch die GSIS negativ beeinflussen. Die vorliegende Studie hat zum Ziel, die Rolle der beiden unlängst identifizierten Proteine MICU1 und MCU, sowie die von LETM1 und UCP2, in der mitochondrialen Ca2+-Homöostase einer klonalen β-Zelllinie der Ratte zu untersuchen. Weiters soll der Beitrag dieser Proteine zur Stoffwechsel-Sekretionskopplung in pankreatischen β-Zellen erforscht werden.
Mit Hilfe von siRNA-vermitteltem Gen-silencing konnte die Expression der jeweiligen Proteine selektiv vermindert werden. Fluoreszenzmikroskopische Messungen unter Anwendung eines genetisch kodierten, auf FRET basierenden Ca2+-Sensors ermöglichten in Folge die Aufzeichnung mitochondrialer Ca2+-Signale und zeigten, dass MICU1 und MCU an der mitochondrialen Ca2+-Aufnahme in β-Zellen beteiligt sind. Gen-Kockdown von MICU1 wie auch von MCU verminderte die mitochondriale Ca2+-Aufnahme, sowohl auf IP3-vermittelte Ca2+-Freisetzung, als auch auf Depolarisation der Zelle hin. Knockdown von UCP2 oder LETM1 hingegen zeigte einen selektiven Effekt, entweder in Reaktion auf intrazelluläre Ca2+-Mobilisierung oder auf Ca2+-Einstrom über die Plasmamembran. Der simultane Knockdown von MICU1 und MCU hatte keinen zusätzlichen Effekt, was darauf schließen lässt, dass diese beiden Proteine, unabhängig von der Ca2+-Quelle, am selben Ca2+-Transportweg teilhaben. Aufbauend auf der zentralen Rolle von MICU1 und MCU, wurde in Folge deren Beitrag zur Stoffwechsel-Sekretionskopplung untersucht. Glucose, der wichtigste Auslöser der Insulinsekretion, rief Ca2+-Oszillationen in der mitochondrialen Matrix hervor, welche durch Gen-silencing von MICU1 und MCU unterdrückt wurden, während die zytosolische Ca2+-Aktivität unverändert blieb. Auch der Glucose-induzierte Anstieg der zytosolischen ATP-Konzentration sowie die GSIS konnten durch Knockdown von MICU1 und MCU signifikant vermindert werden. Diese Arbeit liefert die erste Evidenz für eine integrale Rolle von MICU1 und MCU in der Physiologie der pankreatischen β-Zelle und macht sie somit zu einem neuen vielversprechenden Ziel für die Therapie des Typ 2 Diabetes mellitus.
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