Neue Einblicke in den Zellstoffwechsel und wie er sich bei Krankheitszuständen verändert
Der zelluläre Stoffwechsel ist ein äußerst komplexes dynamisches System, an dem Tausende Enzyme beteiligt sind. „Bei der Erforschung von Stoffwechselaktivitäten in Zellen werden in der Regel Durchschnittsmengen in mehreren subzellulären Kompartimenten gemessen, was wichtige Informationen darüber ausblendet, wie sich die Stoffwechselkonzentrationen zwischen verschiedenen Organellen unterscheiden“, erklärt Tomer Shlomi, Forscher am Israel Institute of Technology(öffnet in neuem Fenster) und Koordinator des Projekts CancerFluxome. Als ob das Fehlen von Informationen auf subzellulärer Ebene nicht schon schwierig genug wäre, erklärt Shlomi, dass Stoffwechselmessungen in der Regel nur an großen Zellpopulationen möglich sind, wodurch es noch schwieriger wird, Rückschlüsse auf die mögliche Variabilität der Stoffwechselaktivitäten von Zelle zu Zelle zu ziehen.
Stoffwechselaktivität in hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung sehen
Zur Bewältigung dieser Herausforderungen wurde im Rahmen des vom Europäischen Forschungsrat(öffnet in neuem Fenster) finanzierten Projekts eine innovative systembiologische Methode angewandt, mit der die Konzentration und der Fluss von Metaboliten (die tatsächliche Arbeitsgeschwindigkeit von Stoffwechselenzymen) in verschiedenen subzellulären Kompartimenten gemessen werden kann. Mit der Methode lässt sich ebenfalls die Dynamik von Metaboliten und Flüssen während des Zellzyklus erforschen. „Die Möglichkeit, Stoffwechselaktivitäten in hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung zu untersuchen, wird voraussichtlich grundlegend zu unserem Verständnis des Zellstoffwechsels und seiner Veränderungen bei Krankheiten – einschließlich Krebs – beitragen“, sagt Shlomi. Mit einer Methode, die Zellsynchronisation mit computergestützter Dekonvolution, Isotopenverfolgung, Massenspektrometrie und Modellierung von Stoffwechselnetzwerken kombiniert, konnte das Shlomi-Labor(öffnet in neuem Fenster) beispielsweise die Dynamik des Stoffwechsels beleuchten, während sich die Zellen in der Zelllinie weiterentwickeln. „Die Anwendung dieser Methode auf eine häufig analysierte Zelllinie hat unserem Verständnis eines grundlegend wichtigen Stoffwechselsystems in Zellen eine weitere zeitliche Dimension hinzugefügt“, fügt Shlomi hinzu. „Wir haben nämlich herausgefunden, dass der Stoffwechselfluss durch dieses System oszilliert, wenn eine Zelle den Zellzyklus durchläuft, und seine Aktivität an die sich ändernden anabolen Anforderungen anpasst.“
Bisher unbekannter Weg
Im Hinblick auf die technisch noch anspruchsvollere Aufgabe, den Stoffwechselfluss auf subzellulärer Ebene und unter physiologischen Bedingungen zu bestimmen, wurde im Rahmen des Projekts eine Methode zur schnellen Fraktionierung von Zellen erarbeitet. „Mit diesem Verfahren werden Mitochondrien in Sekundenschnelle aus Zellen isoliert, quasi eingefroren, und dann mit Messungen und computergestützter Modellierung weiterverfolgt“, erläutert Shlomi. Bei der Untersuchung zentraler Stoffwechselaktivitäten entdeckten die Forschenden im Shlomi-Labor einen bisher unbekannten Weg, bei dem mehrere mitochondriale Enzyme im Krebszyklus in bestimmten Tumoren eine umgekehrte Aktivität zeigten, um anabole Aktivitäten und die Vermehrung von Krebszellen zu unterstützen.
Ein neues Ziel für die Krebsbehandlung
Eine weitere wichtige Erkenntnis betrifft ein mitochondriales Enzym, dessen Aktivität für das Wachstum von Leberkrebszellen unerlässlich ist. Darauf aufbauend konnten die Forschenden verdeutlichen, dass die genetische Ausschaltung dieses enzymkodierenden Gens das Wachstum von Leberzellkarzinom-Tumoren in Mäusen hemmt – was auf einen neuen Angriffspunkt für die Behandlung der Erkrankung hindeutet. „Die im Projekt erschlossenen Methoden bieten grundlegende Werkzeuge für Stoffwechselforschende und fördern unser Verständnis dafür, wie der Zellstoffwechsel von Krebszellen umprogrammiert wird und wie diese Umprogrammierung möglicherweise durch Arzneimittel beeinflusst werden könnte“, schließt Shlomi. Obwohl das Projekt CancerFluxome nun abgeschlossen ist, arbeitet das Shlomi-Labor weiter an neuen Methoden, um einen noch umfassenderen Überblick über den zellulären Stoffwechsel und seine Regulierung zu erhalten und zu verstehen, wie er bei Krankheiten aus dem Gleichgewicht geraten kann.
