Fettsäure steigert Leistungsfähigkeit der Zell-Kraftwerke – fundamentaler biologischer Signalweg entdeckt

Ohne Mitochondrien gäbe es kein höheres Leben. Jedes Tiere und jede Pflanzen sind auf die kleinen intrazellulären Organellen angewiesen. Die Aufgaben der Mitochondrien sind vielfältig. Weil sie einen Großteil der biochemischen Energie bereitstellen, werden sie auch als „Kraftwerke der Zelle“ bezeichnet. Daneben sind sie für die Produktion und den Abbau von Aminosäuren und Fetten verantwortlich und steuern den Zelltod Apoptose.

Entsprechend breit ist das Spektrum an Krankheiten, die mit Mitochondrien-Defekten im Zusammenhang stehen: Dazu zählen schwere Muskel- und Nervenkrankheiten, neurodegenerative Erkrankungen sowie alle Alterungserscheinungen.

„Es war zunächst purer Zufall, dass wir diese bisher völlig unbekannte Steuerung der Mitochondrien-Funktion entdeckt haben“, sagt Deniz Senyilmaz, der Erstautor der aktuellen Arbeit aus der Gruppe von Aurelio Teleman im Deutschen Krebsforschungszentrum. Teleman und sein Team wollten zusammen mit Kollegen aus Cambridge eigentlich den Stoffwechsel langkettiger Fettsäuren untersuchen. Dazu hatte die Forscher Fliegen gezüchtet, die keine Stearinsäure mehr bilden können, eine Fettsäure, die aus 18 Kohlestoff-Atomen aufgebaut ist. Die Tiere mit diesem Defekt erwiesen sich als nicht lebensfähig und kamen über das Puppenstadium nicht hinaus.

Neugierig geworden, was dahintersteckt, kam Teleman mit seinem Team einem hochkomplexen biologischen Kontrollmechanismus auf die Spur, der die Fusion bzw. im Gegenteil, den Zerfall der Mitochondrien steuert und damit die Leistungsfähigkeit dieser Organellen.

Das Schlüsselelement dieses Steuermechanismus ist der Transferrin-Rezeptor, der Stearinsäure gebunden hat. „Wir haben herausgefunden, dass die Stearinsäure, die bislang nur als einfaches Stoffwechselprodukt galt, auch Signalfunktionen ausübt“, sagt Teleman. Die Forscher zeigten, dass die Mitochondrien-Steuerung über Stearinsäure nicht nur in der Fliege funktioniert, sondern auch in der menschlichen Krebszelllinie HeLa.

Wenn die Forscher dem Fliegenfutter Stearinsäure zusetzten, verschmolzen die Mitochondrien der Tiere miteinander und waren leistungsfähig, wenn sie die Fettsäure knapp hielten, zerfielen die Organellen. „Wenn Stearinsäure-Zusatz im Futter die Funktion normaler Mitochondrien verbessert, dann steigert sie möglicherweise auch die Leistungsfähigkeit krankhaft veränderter Mitochondrien“, begründet Telemann das weitere Vorgehen.

Die Forscher untersuchten daraufhin Fliegen, die aufgrund eines Mitochondrien-Defekts Parkinson-ähnliche Symptome zeigen und als anerkanntes Modell für diese neurodegenerative Erkrankung dienen. Erhielten die kranken Tiere Stearinsäure im Futter, so verbesserten sich ihre motorischen Fähigkeiten sowie ihre Energiebilanz und sie lebten deutlich länger.

„Das eröffnet die faszinierende Möglichkeit, mit einem Lebensmittelzusatz die Symptome von Patienten zu verbessern, die an mitochondrialen Erkrankungen leiden“, sagt Teleman. „Aber natürlich ist das noch Zukunftsmusik, denn wir wissen noch gar nicht, ob menschliche Zellen genauso auf eine gesteigerte Menge Stearinsäure reagieren wie Fliegen. Unsere Nahrung enthält sowieso schon viel mehr Stearinsäure als das Fliegenfutter. Möglicherweise zeigt eine weitere Steigerung keinerlei Auswirkungen mehr.“

Deniz Senyilmaz, Sam Virtue, Xiaojun Xu, Chong Yew Tan, Julian L Griffin, Aubry K. Miller, Antonio Vidal-Puig, and Aurelio A. Teleman: Regulation of mitochondrial morphology and function by Stearoylation of TfR1. Nature 2015, DOI: 10.1038/nature14601