CryoET von Mitochondrien

CryoET von Mitochondrien

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CryoET ermöglicht es, nicht nur Mitochondrienmembranen im molekularen Detail zu untersuchen, sondern auch ganze Mitochondrien, um die Gesamtorganisation der Cristae und die Übergänge der Cristae (Bohnert et al., Cell Metabolism 2015), altersbedingte Veränderungen der Mitochondrienmembranstruktur oder Mitochondrienfusion zu untersuchen. Die mit ganzen Organellen erzielte Auflösung ist tendenziell geringer, da die erhöhte Probendicke den Bildkontrast verringert.

KryoET von aktiven Proteintranslokasen in ganzen Mitochondrien

Wir haben eine Technik entwickelt, um aktive Proteintranslokasen in Mitochondrien durch Elektronenkryotomographie zu markieren, indem sie mit Quantenpunkten markiert werden. Auf diese Weise konnten wir die dreidimensionale Verteilung und Organisation von Proteinimportstellen in Mitochondrien visualisieren. Wir haben gezeigt, dass sich Importstellen in der Nähe von Cristae-Junctions zusammenballen. Die Mittelung des Subtomogramms ergab neue Details der in Aktion befindlichen mitochondrialen Proteinimportmaschinerie. Unser Ansatz kann zukünftig zur site-spezifischen Markierung einer Vielzahl von Membranproteinen mittels Elektronenkryotomographie verwendet werden (Gold et al., Nat Comm 2014).

Veränderungen der mitochondrialen Innenmembranstruktur während des Alterns

Wir haben mit cryoET gezeigt, dass die ATP-Synthase-Dimerreihen und die Dimere selbst beim Altern von Podospora anserina dissoziieren, einem Modellorganismus mit einer Lebensdauer von 20 Tagen, der zur Untersuchung der Seneszenz verwendet wird (Daum et al., PNAS 2013). Wenn unsere Hypothese richtig ist und die Kristalle Mikrokompartimente sind, die für eine effiziente ATP-Produktion erforderlich sind, können seneszierende Mitochondrien möglicherweise den hohen Energiebedarf voll funktionsfähiger Zellen nicht decken.

KryoET der mitochondrialen Außenmembranfusion

In Zusammenarbeit mit Mickael Cohen vom IBPC in Paris haben wir cryoET verwendet, um die Fusion der mitochondrialen Außenmembran zu untersuchen. Die Fusion ist entscheidend für die ordnungsgemäße Mitochondrienfunktion und beinhaltet große GTPasen, sogenannte Mitofusine. Die diskreten Schritte, die es Mitochondrien ermöglichen, sich aneinander zu binden und ihre äußeren Membranen zu verschmelzen, waren unbekannt. Durch die Kombination eines In-vitro-Mitochondrien-Fusionsassays mit CryoET konnten wir die Verbindung zwischen isolierten S. cerevisiae-Mitochondrien und beobachteten Komplexen, die diese Bindung vermitteln, sichtbar machen. Wir fanden heraus, dass Zyklen der GTP-Hydrolyse die fortschreitende Bildung eines Andockrings um ausgedehnte Kontaktbereiche induzieren. Weitere Zyklen der GTP-Hydrolyse lösen eine lokale Außenmembranfusion am Rand des Kontaktbereichs aus. Unsere Ergebnisse enthüllen Schlüsselmerkmale der Mitofusin-abhängigen Fusion von Außenmembranen und stellen einen wichtigen Fortschritt in unserem Verständnis dar, wie Mitochondrien sich verbinden und verschmelzen (Brandt et al., ELife 2016).

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