Wissenschaftler, die den Alterungsprozess des Menschen erforschen, haben einen neuen Kandidaten entdeckt: ein kaum untersuchtes Protein in Zellstrukturen, das nicht viel Beachtung gefunden hat, obwohl es eines der ersten Organellen war, das vor mehr als einem Jahrhundert entdeckt wurde.
Der Golgi-Apparat, auch Golgi-Apparat und Golgi-Komplex genannt, ist ein seltsam aussehendes Organell, wie ein gefaltetes Teigblatt oder Schichten aus Zuckerüberzug. In komplexen pflanzlichen und tierischen Zellen spielt es jedoch eine wichtige Rolle: Es verarbeitet und verpackt Proteine und Lipide, bevor es sie in andere Teile der Zelle transportiert oder ausscheidet.
Im Jahr 1898 war Camillo Golgi, ein italienischer Biologe, der das Nervensystem untersuchte, überrascht, dieses Organell zu entdecken. Daher stießen Wissenschaftler der University of California, Riverside (UCR) bei der Untersuchung pflanzlicher Stressfaktoren auch auf einen besonderen Aspekt dieser Organelle: Sie hat ein großes Potenzial für den Schutz der Zelllebensdauer.
„Für uns ist diese Entdeckung riesig“, sagte Studienmitautorin Katie Dehesh, Professorin am Department of Molecular Biochemistry der UCLA. „Zum ersten Mal haben wir die tiefgreifende Bedeutung eines Organells in der Zelle identifiziert, das bisher nicht am Alterungsprozess beteiligt war.“
Bei der Untersuchung, wie Pflanzenzellen in Arabidopsis (Arabidopsis thaliana) Reaktionen auf Stressfaktoren wie Infektionen und unzureichendes Licht steuern, entdeckten die Forscher, dass der Golgi-Apparat und ein darin enthaltenes Schlüsselprotein eine wichtige Rolle für das Überleben der Zellen bei äußerem Stress spielen.
Konservierte oligomere Golgi-Proteine (COG) helfen den Golgi, Zucker (Kohlenhydrate) an andere Proteine und Lipide zu binden und diese Pakete dann auf andere Proteine und Lipide zu übertragen. Der Prozess der Glykosylierung ist entscheidend für die Zellfunktion und viele biologische Prozesse, wie z. B. die Proteinfaltung und die Funktion der adaptiven Immunantwort.
„Der Golgi-Apparat ist wie das Postamt der Zelle“, sagte Hauptautor Heeseung Choi, Forscher am Department of Botany and Plant Sciences der UCLA. „Sie verpacken Proteine und Lipide und schicken sie dorthin, wo sie benötigt werden. Schäden am Golgi-Apparat können Chaos und Probleme in den Aktivitäten einer Zelle verursachen und sich darauf auswirken, wie die Zelle funktioniert und gesund bleibt.“ Die Forscher verglichen die COG-Proteine mit Postboten, die die Bewegung der Vesikelhüllen überwachten, die andere Moleküle durch die Zelle transportieren.
Für COG haben die Forscher Pflanzen so verändert, dass sie das Protein nicht auf natürliche Weise produzieren können. Während diese Pflanzen unter optimalen Bedingungen normal wachsen, verkümmern sie schnell, sobald sie Licht verlieren, und sind nicht mehr in der Lage, Sonnenlicht in Zucker umzuwandeln. Tatsächlich verwelkten, vergilbten und starben Pflanzen ohne COG dreimal schneller als unveränderte Exemplare unter den gleichen lichtarmen Bedingungen.
„Im Dunkeln zeigten die COG-Mutanten Anzeichen von Seneszenz, die normalerweise in wilden, unveränderten Pflanzen um den neunten Tag herum auftreten würden“, sagte Choi. „Aber bei den Mutanten zeigten sich diese Anzeichen bereits nach drei Tagen.“
Als die Pflanzen jedoch wieder in der Lage waren, COG zu produzieren, verschwanden ihre Symptome und ähnelten „normalen“ Exemplaren. „Sobald wir die Mutationen rückgängig machen, ist es, als wäre nichts passiert“, sagte Dehesh.
Diese Reaktionen unterstreichen die entscheidende Bedeutung von COG-Proteinen und einer normalen Golgi-Funktion bei der Stressbewältigung.
Was hat das mit uns zu tun? Obwohl sich pflanzliche Zellen deutlich von tierischen Zellen unterscheiden, gibt es in allen unseren komplexen eukaryotischen Zellen eine Golgi-„Poststelle“.
Frühere Studien haben gezeigt, dass eine Funktionsstörung des menschlichen COG-Komplexes, der aus acht COG-Proteinuntereinheiten besteht, wichtige biologische Funktionen wie Glykosylierung, Proteinsortierung und die Gesamtfunktion des Golgi-Apparats erheblich beeinträchtigen kann. Funktionsstörungen und Fehlregulationen der Golgi-Glykosylierung sind auch mit der Proliferation von Krebszellen und dem Fortschreiten der Krankheit verbunden.
Die Forscher planen nun, die Auswirkungen einer Störung dieses Signalwegs in menschlichen Zellen und ihre möglichen Zusammenhänge mit den Auswirkungen von Alterung und Stress zu untersuchen. Mögliche gezielte Therapien könnten die Zellgesundheit verbessern und Stressfaktoren abwehren, die zu vorzeitiger Alterung führen können.
„Unsere Studie verbessert nicht nur unser Verständnis darüber, wie Pflanzen altern, sondern liefert auch wichtige Hinweise auf das Altern beim Menschen“, sagte Dehesh. „Wenn der COG-Proteinkomplex nicht richtig funktioniert, kann dies dazu führen, dass unsere Zellen schneller altern, wie wir es bei Pflanzen sehen. Dieser Durchbruch könnte tiefgreifende Auswirkungen auf die Erforschung des Alterns und altersbedingter Krankheiten haben.“
Die Forschung wurde in der Zeitschrift Nature Plants veröffentlicht.