| Mitochondrien sind multifunktionale Organellen, die durch ausgeklügelte Kommunikationsmechanismen wesentlich zur Signalverarbeitung der Zellen beitragen. Morphologische und strukturelle Eigenschaften von Mitochondrien korrelieren häufig mit zellulären Funktionen und umgekehrt. Als sekundärer Botenstoff spielt Ca2+ eine wesentliche Rolle für die Übertragung inter- und extrazellulärer Signale, die insbesondere die Morphologie von Mitochondrien sowie deren Metabolismus und Stressreaktion modulieren. Die mitochondriale Morphologie wurde entweder in fixierten Zellen mit hoher räumlicher Auflösung durch Elektronenmikroskopie oder in lebenden Zellen über Fluoreszenzbildgebungsansätzen beobachtet. Strukturierte Beleuchtungsmikroskopie (SIM) ermöglicht einen Kompromiss zwischen beiden Techniken, der eine verbesserte räumliche Auflösung im Vergleich zur konventionellen Fluoreszenzmikroskopie und die Fähigkeit zur Beobachtung dynamischer Prozesse in lebenden Zellen ermöglicht. In dieser Arbeit wurden zwei spezielle Aspekte der mitochondrialen Struktur und Funktion im Zusammenhang mit Ca2+-Signalen untersucht: 1) Die Dynamik der inneren Mitochondrienmembran (IMM) wurde quantifiziert, um den Einfluss von IP3-vermittelterCa2+-Freisetzung aus dem endoplasmatischem Retikulum (ER) auf die submitochondriale Membranorganisation zu untersuchen. Zweifarbiges SIM wurde verwendet, um die Dynamik der Cristae-Membran (CM) in unmittelbarer Nähe Mitochondrien-assoziierter ER-Membranen (MAMs) quantitativ zu analysieren. Die CM-Kinetik wurde in MAMs durch intrazelluläre Ca2+-Freisetzung räumlich reduziert, während sie von Ca2+Signalen der mitochondrialen Matrix unabhängig war. 2) Die Ca2+-Bewegung durch die IMM wird streng durch den mitochondrialen Ca2+-Transporter-Komplex (MCU-Komplex) reguliert, der aus mehreren Proteinen besteht, wie dem porenbildenden mitochondrialen Ca2+-Uniporter (MCU), EMRE (essentieller MCU-Regulator) und dem Ca2+-Wächter MICU1 (mitochondriale Ca2+ Aufnahme 1). Es wurde festgestellt, dass sich MICU1 an der inneren Grenzmembran (IBM) befindet und Mitochondrien unter Ruhebedingungen vor Ca2+-Überlastung, Verlust des Membranpotentials und Freisetzung von Zytochrom C durch Stabilisierung der Cristae schützt. Infolge intrazellulärer Ca2+-Erhöhung fungiert MICU1 als Ca2+-abhängige Diffusionsfalle für MCU und EMRE und assembliert den MCU-Komplex an der IBM, um möglicherweise die Ca2+-Aufnahmeeffektivität zu erhöhen. Beide Aspekte zeigen, wie das Zusammenspiel von Struktur und Funktion des mitochondrialen Membrangerüsts, die dynamische submitochondriale Proteinlokalisation und die Ca2+-Signalübertragung wesentliche zelluläre Prozesse beeinflussen und regulieren. |
