MitoBOX: Die mitochondriale Grundlage der Hypoxie-Toleranz in marinen Mollusken

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Dr. Christian Bock; Professorin Dr. Inna M. Sokolova, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Biochemie und Physiologie der Tiere
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 415984732

Sauerstoff (O2) spielt eine Schlüsselrolle in der biologischen Energie Transduktion, und ein Sauerstoff-Mangel (Hypoxie) hat ernsthafte Auswirkungen auf die Fitness und für das Überleben eines Organismus. Hypoxie induziert zellulären Stress durch geringe ATP Produktionsraten, den Abbau von Energie Reserven und durch die Akkumulation von Stoffwechselendprodukten. Dagegen verursacht die Reoxygenierung Zellschäden durch oxydativen Stress (ROS). Bei Hypoxie-empfindlichen Organismen wie Säugetieren, spielen Mitochondrien die zentrale Rolle für Hypoxie-und Reoxygenierungs-bedingte Schäden, die zu einem Verlust der ATP Synthese Kapazität, oxydativen Schäden und Zelltod führen. Demgegenüber existieren Hypoxie tolerante Arten (wie marine Mollusken aus der Gezeitenzone), die tägliche Hypoxie-Reoxygenierungs-Zyklen ohne sichtbare Schäden überdauern. Die zugrundeliegenden Mechanismen, die diese Widerstandsfähigkeit der Mitochondrien auf Sauerstoffschwankungen begründen, sind noch unbekannt. In diesem Antrag wollen wir daher das derzeitige Konzept der Hypoxie-Toleranz von Tieren erweitern, in dem wir die mitochondrialen Mechanismen, die für die Adaptation von wechselnden O2 Bedingungen verantwortlich sind, identifizieren und die Verknüpfung der bioenergetischen Mechanismen auf Zellebene mit der Ganztierebene verstehen. Als Modell System vergleichen wir drei marine Muschelarten (Pilgermuschel, Auster und Venusmuschel) mit verschidener Hypoxie-Toleranz. Die metabolische Kontroll-Analyse (MKA) wird benutzt, um die Effekte vom Hypoxie-Reoxygenierungs (H/R) Stress auf die Kapazität der Mitochondrien und deren Kontrolle auf ATP Synthese und der Produktion von reaktivem Sauerstoff (ROS) zu bestimmen. Die molekularen Mechanismen, die für die Widerstandsfähigkeit der Mitochondrien auf H/R verantwortlich sind, werden ermittelt, in dem die Aktivität von mitochondrialen Schlüssel-Enzymen und die regulative Rolle der reversiblen Protein Phosphorylierung unter H/R Stresses bestimmt wird. Mit Hilfe von Ganztier-Respirationsmessungen, Magnet-Resonanz-Bildgebung (MRT) und NMR-Spektroskopie soll es aufgeklärt werden, ob der aerobe Stoffwechsel bei der Erholung von mitochondrialen oder systemischen Mechanismen limitiert wird. Diese Ergebnisse könnten neue mitochondriale Mechanismen aufdecken, die an der Adaptation von O2 Fluktuationen beteiligt sind, und das "schwächste metabolische Glied" identifizieren, das zur Empfindlichkeit für H/R Stress in Mollusken beiträgt. Diese neugenerierten Daten zur Hypoxie-Toleranz von Mollusken zusammen mit der vorhandenen Literatur aus der Wirbeltier-Forschung könnte zur Aufklärung beitragen, wie in der Evolution das Problem der mitochondrialen Empfindlichkeit auf H/R Stress gelöst wurde. Dieses Projekt bietet zudem für den Doktoranden eine fächer-übergreifende Ausbildung in mitochondrialer Physiologie, organismischer Bioenergetik und in aktuellen Techniken der physiologischen Forschung wie MRT.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Kooperationspartner: Professor Dr. Hans-Otto Pörtner