Sauerstoffradikale sind böse und verkürzen das Leben. Produziert werden die radikalen Spezies unter anderem als Nebenprodukt der Atmungskette im Mitochondrium, das deshalb ein Art „biologische Uhr“ des Alterns sei – so liest man immer wieder. Dass reaktive Sauerstoffspezies allerdings weniger schlimm sind als ihr Ruf, das hatte an dieser Stelle der Zürcher Stoffwechselexperte Michael Ristow im Laborjournal-Interview erklärt. Denn schlüssig ist die Indizienkette vom Radikal-erzeugenden Mitochondrium zum frühzeitigen Ableben nicht. Auch nicht beim Fadenwurm Caenorhabditis elegans, einem Modelltier, das sich wie kaum ein zweites für Grundlagenarbeit am Alterungsprozess eignet.
Ein spektakuläres Paper hatte jedoch vor einigen Monaten scheinbar den Sack zugemacht: Mitos sind demnach tatsächlich nicht nur eine „biologische Uhr“ des Alterns; man kann die Organellen gar als Kristallkugel verwenden, um in die Zukunft zu schauen. Schon am dritten Lebenstag könne man anhand der Mito-Aktivität vorhersagen, wie alt ein individuelles C. elegans-Würmchen in etwa werden wird. Würmer, deren Mitos mehr Sauerstoffradikale produzieren, leben kürzer – so die scheinbar eindeutige Schlussfolgerung chinesischer Forscher um En-Zi Shen (doi:10.1038/nature13012).
Großer Streit um kleine Blitze
Was man von dieser Arbeit halten will, hängt allerdings davon ab, wie man die zentrale Beobachtung des Papers interpretiert: die sogenannten „Mito-Flashes“. Und genau darüber gibt es jetzt Streit. Denn ein internationales Team mit Forschern aus neun Ländern, angeführt vom Bonner Mitochondrien-Experten Markus Schwarzländer, interpretiert die Blinke-Organellen ganz anders als die Autoren der Nature-Studie vom Februar (Nature 2014, doi:10.1038/nature13858; siehe auch diese Pressemitteilung).
Worum geht es genau? Shen et al. setzten eine besondere Form des Yellow Fluorescent Protein ein, cpYFP. Durch diverse Mutationen hat cpYFP nicht nur eine andere Farbe als das ursprüngliche GFP aus der Qualle, auch die Ultrastruktur des Proteins ist verändert – mit dramatischen Folgen für seine chemisch-physikalischen Eigenschaften.
In Mitochondrien eingebaut, verhält sich cpYFP jedenfalls sonderbar. Es leuchtet immer wieder auf und verglimmt dann schnell wieder. Je nach Umständen mehr oder weniger oft. Das deutet auf mysteriöse Vorgänge in den Kraftwerks-Organellen hin, die zuvor schon in Säugerzellen beobachtet und „Mito-Flashes“ getauft wurden. Spektakulär am Nature-Paper der Chinesen war nun, dass Shen et al. über die Anzahl dieser Mitochondrien-Blitze vorhersagen konnten, wie lange ein individueller Fadenwurm in etwa leben wird. C. elegans lebt unter normalen Kulturbedingungen etwa drei bis vier Wochen, aber schon eine Messung am drei Tage alten Wurm habe Vorhersagecharakter über die Lebenserwartung eines Individuums.
Radikale lassen die Sonde kalt
Und die Ursache für das Aufleuchten des cpYFP in den Mitos sei der Ausstoß von reaktiven Sauerstoff-Spezies in den Zell-Kraftwerken. Schwarzländer und seine Mitstreiter glauben nun, diesen Kernpunkt der Argumentation zu Fall gebracht zu haben. Die Ansage ist deutlich: „Die Interpretation der Ereignisse durch Shen et al. lässt eine biophysikalische Grundlage vermissen und Mitoflashes können nicht als als Evidenz für eine Rolle freier Radikale an der Lebensspanne dienen“, schreiben die Kritiker in Nature. Ihren Daten zufolge zeige cpYFP nämlich überhaupt keine Reaktion auf Sauerstoffradikale. Allerdings reagiere die Sonde äußerst empfindlich auf alkalischen pH: Im Bereich zwischen pH 7 und pH 10 schwankt das Fluoreszenzsignal um den Faktor 50.
Und lokale pH-Schwankungen sind im Zwischenraum der Mito-Membranen, wo die cpYFP-Sonde eingebracht wurde, leicht vorstellbar. Schließlich arbeiten dort Protonen-Pumpen; zudem ist die Pufferung zwischen den Mito-Membranen nicht so wirkungsvoll wie im Zytosol.
Kein plausibler Mechanismus
Die Autoren der „Mitoflash“- Studie stehen allerdings fest zu ihren Daten und verweisen auf ein Methoden-Paper, das die Eigenschaften des cpYFP beschreibt („Cheng et al. reply“, doi:10.1038/nature13859). Demzufolge funktioniere cpYFP nur im reduzierten Zustand als Sensor für Sauerstoffradikale. Die Autoren der Nature-Studie nehmen also an, dass ihren Kritikern die Sonde aus Versehen oxidiert sei. So richtig überzeugend klingt das allerdings nicht. Denn auf die Frage nach dem postulierten Mechanismus ihres Radikal-Sensors haben Shen et al. auch keine gute Antwort, während die pH-Anfälligkeit sowohl empirisch als auch theoretisch-biophysikalisch plausibel ist. Denn durch die Mutationen dieser Sonderform des YFP entsteht ein großer Spalt im ß-Barrel des Proteins, der eine pH-sensitive Gruppe im Chromophor zugänglich macht.
Die Episode zeigt, wie gefährlich es ist, wenn man mit einer Black Box experimentiert. Denn das Paper von Shen et al. wackelt nun gewaltig. Und der Zusammenhang zwischen den cpYFP-Blitzen und der Lebensspanne der Würmchen hängt merkwürdig in der Luft. Denn nach wie vor steht die Beobachtung im Raum, von Schwarzländer et al. unwidersprochen, dass C. elegans im Durchschnitt früher stirbt, wenn die Jungtiere eine starke Mitoflash-Aktivität zeigen.
Wie soll man das erklären? Ein weiteres Artefakt, ein experimenteller Fehler, ein gemeiner Streich des Zufalls? Ein anderer Aspekt der Mito-Physiologie? Oder doch ein (indirekter) Zusammenhang zwischen dem Verhalten der cpYFP-Sonde und der Produktion von Sauerstoff-Radikalen? Was uns die mysteriösen Blitze tatsächlich über das Mitochondrium und dessen Rolle im Alterungsprozess sagen, ist jedenfalls eine ebenso spannende wie offene Frage.
Hans Zauner
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