Forschung Zellen besitzen ein Frühwarnsystem für Stress in Mitochondrien

27. August 2026

Wenn Mitochondrien Zellen mit Energie versorgen, entstehen dabei auch reaktive Sauerstoffspezies – chemisch hochreaktive Moleküle, die Proteine und andere Zellbestandteile schädigen können. Die Zellen verfügen über Schutzmechanismen gegen diesen oxidativen Stress, der eine wichtige Rolle bei Alterungsprozessen sowie bei zahlreichen Krankheiten, darunter neurodegenerative Erkrankungen, spielt. Einer der wichtigsten Mechanismen ist die Mitochondriale Unfolded Protein Response (UPR^mt). Diese Stressreaktion sorgt dafür, dass beschädigte Mitochondrien stabilisiert und repariert werden.

Untersucht wurden mitochondriale Stressreaktionen bislang zumeist mit sehr starken experimentellen Belastungen, die die Kraftwerke der Zelle rasch und massiv schädigen. Die Erkenntnisse daraus legen nahe, dass zunächst Stresssignale aus den Mitochondrien austreten und anschließend im Zellinneren erkannt werden. Solche modellhaften Untersuchungsbedingungen unterscheiden sich jedoch deutlich von den eher milden und langsam entstehenden Belastungen, wie sie bei Alterung oder Krankheiten auftreten. Bislang war daher unklar: Wie erkennen Zellen die allerersten Anzeichen mitochondrialer Fehlfunktionen?

Das Team aus Heidelberg, Freiburg und Münster entwickelte ein experimentelles System, mit dem sich sehr geringe Mengen von oxidativem Stress gezielt innerhalb der Mitochondrien erzeugen lassen. Die Ergebnisse der Untersuchungen zeigen, dass bereits milder Stress ausreichend ist, um die mitochondriale Stressreaktion zu aktivieren. Die Aktivierung erfolgt, bevor messbare Schäden außerhalb der Mitochondrien auftreten. „Sie verfügen also über einen Mechanismus der internen Qualitätskontrolle und können selbstständig Anzeichen von Fehlfunktionen erkennen, ohne auf Alarmsignale aus dem Zellinneren angewiesen zu sein“, sagt Prof. Dr. Nora Vögtle, Forschungsgruppenleiterin am Zentrum für Molekulare Biologie der Universität Heidelberg.

Die Forscherinnen und Forscher identifizierten dabei zwei mitochondriale Enzyme, die sich als besonders empfindliche frühe Angriffspunkte von oxidativem Stress erwiesen. Diese Enzyme mit den Bezeichnungen MPP und Oct1 verarbeiten mitochondriale Proteine, die neu importiert werden. Unter Stressbedingungen, das heißt durch die reaktiven Sauerstoffspezies, verlieren sie jedoch teilweise ihre Funktion. Dadurch können Proteinansammlungen innerhalb der Mitochondrien entstehen. Sie dienen offenbar als Warnsignal und setzen den Mechanismus der Mitochondrialen Unfolded Protein Response in Gang, wie Prof. Vögtle erläutert.

Die aktuellen Forschungsergebnisse verändern nach den Worten der Heidelberger Wissenschaftlerin das bisherige Verständnis darüber, wie mitochondriale Stressreaktionen ausgelöst werden. Mitochondrien erscheinen nicht länger als passive Organellen, die darauf angewiesen sind, dass die restliche Zelle Schäden erkennt. Stattdessen besitzen sie eine Art internes Frühwarnsystem, das bereits auf leichte Funktionsstörungen reagiert. „Dadurch kann die Zelle Schutzmaßnahmen einleiten, bevor schwerwiegende Schäden entstehen und sich im gesamten Zellinneren ausbreiten“, sagt Prof. Dr. Chris Meisinger von der Medizinischen Fakultät der Universität Freiburg, der dort am Institut für Biochemie und Molekulare Biologie forscht.

Die Forschung wurde anhand von Hefezellen durchgeführt, viele der untersuchten Mechanismen sind jedoch evolutionär stark konserviert und kommen nach Angaben von Prof. Vögtle auch in menschlichen Zellen vor, so auch die stress-sensitiven Enzyme MPP und Oct1. Die Ergebnisse könnten zu einem besseren Verständnis bei Alterungsprozessen, neurodegenerativen Erkrankungen oder Mitochondriopathien, einer Gruppe erblicher Stoffwechselstörungen, beitragen. Langfristig erhoffen sich die Forscherinnen und Forscher neue Ansätze für die Entwicklung therapeutischer Strategien, die zu einer Stabilisierung der mitochondrialen Funktion beitragen.

Die Forschungsarbeiten wurden von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert und vom Netzwerk Alternsforschung der Universität Heidelberg unterstützt. Die Ergebnisse sind in „Molecular Cell“ erschienen.