Hitze im Maschinenraum?

Die Mitochondrien bringen Wärme in den Körper, aber Unwucht auch, auf der Ebene der Gene. Und nun bringt ihre Temperatur Verwirrung.

Hillary Clinton, Madonna und unzählige andere Nordamerikaner haben ihre Existenz dem Sonnenkönig zu verdanken, Ludwig XIV., in dessen Reich die Sonne nie unterging, weil auch Neufrankreich dazu gehörte, ein Teil des heutigen Kanada. Dort gab es französische Siedler, Trapper und Glücksritter, allesamt Männer. Um eine stabile Population aufzubauen, wurden in Frankreich „Töchter des Königs“rekrutiert, junge Frauen, meist arm, oft Waisen. Die bekamen Geld und eine Kiste mit dem Notwendigsten – vom Wintermantel bis zu Nähnadeln –, dann wurden sie verschifft, in 800 Fuhren.

Auf einer hatte eine der Frauen noch etwas dabei, eine Mutation in der mitochondrialen DNA (mtDNA), das ist das kleine Genom in den Zellkraftwerken, es hat ganze 37 Gene (das große im Kern hat um die 20.000). Die kamen, als vor zwei Milliarden Jahren ein Einzeller einen anderen in sich aufnahm, sie taten sich zusammen, der im Inneren übernahm die Energiezentrale, dort werden Nährstoffe zu 40 Prozent in die chemische Energie des Körpers umgewandelt, ATP. Die übrigen 60 dienen endothermen Lebewesen, die sich selbst wärmen, als Heizung, mit ihnen wird die Körpertemperatur gehalten. Warum die bei uns und anderen bei etwa bei 37 Grad liegt, ist ein Rätsel, Carlos Cadevall (New York) vermutet, es diene dem Schutz vor Pilzen, die in so hohen Temperaturen nicht gut gedeihen (mBio 1 e000212-10).

Rätselhaft ist auch, warum der eine den anderen in sich aufgenommen hat und die Energieumwandlung nicht selbst betreibt. Denn die Arbeitsteilung bringt Probleme. Etwa das, dass die beiden Genome sich unterschiedlich rasch entwickeln: Mitochondrien teilen sich viel häufiger als die ganzen Zellen, deshalb driften mitochondriale und Kerngenome bzw. die von ihnen in Auftrag gegebenen Proteine auseinander. „Es ist so, wie wenn beim Tanzen ein Partner in einen anderen Takt fällt“, vergleicht Evolutionsbiologe Daniel Sloan (University of Colorado). Das kann zu Krankheiten führen, es kann aber auch die Evolution beschleunigen, weil das Kerngenom nachziehen muss (Science 353, S. 334).

Das ist das eine Problem, ein zweites kommt daher, dass mtDNA nur von den Müttern vererbt wird, also asexuell: Im Kerngenom – bzw. dem von ihm geprägten Phänotyp – setzt die Selektion am Erbe beider Eltern an, im mitochondrialen nur an dem der Mütter. Deshalb wird auch nur verworfen, was für Frauen von Schaden ist, für sie Nützliches und Neutrales bleibt. Und zwar ganz gleichgültig, welche Wirkung es auf die Söhne bzw. Männer hat. Das führte zu dem Verdacht, dass mtDNA Söhnen den „Fluch der Mütter“bringe: geschlechtsspezifische Erbkrankheiten und eine geschwächte Fitness, weniger Nachwuchs. Fluch der Mütter. Erhärten ließ sich das zunächst an Fruchtfliegen: 2012 zeigte Damian Dowling (Monash University), dass Männchen im Durchschnitt 49,21 Tage leben, Weibchen 61,25 (Current Biology 22, S. 1717). Bei Menschen bestätigte das vergangenen Herbst Emmanuel Milot (Quebec) an den Nachkommen der „Töchter des Königs“: In Kanada sind die Genealogien seit 1608 dokumentiert, die Sterbedaten auch, man konnte früher schon aus ihnen herausrechnen, welche Frau die Mutation aus Frankreich brachte. An deren Kindeskindern zeigte Milot, dass die Fitness der Söhne geringer war, weil viele schon als Kleinkinder starben (Nature Ecology & Evolution 1, S. 1400).

Aber andere wurden doch groß und reproduzierten und reproduzieren sich: Irgendetwas muss den „Fluch der Mütter“mildern bzw. ihm entgegenwirken. Kandidat ist – wie beim außer Takt geratenen Tanz – das Kerngenom, und dessen Reaktion hängt an der Größe der Population, darauf ist wieder Dowling soeben in Modellrechnungen gestoßen (Proc. Roy. Soc. B 20172257).

Ob das im echten Leben auch so zugeht, ist ungeklärt, aber dort zeigen sich Folgen üblen mtDNA-Erbes nicht nur bei Männern: Hunderte Krankheiten werden durch mutierte mtDNA verursacht, manche bringen den Tod so früh, dass man Gentherapien versucht, mit denen kranke mtDNA in der Eizelle einer künftigen Mutter durch gesunde einer Spenderin ersetzt wird. So entstehen „Kinder dreier Eltern“, eines wur- de schon gesund geboren. Gegen Mutationen, die sich im Lauf des Lebens anhäufen, hilft das natürlich nicht, auch hier ist mtDNA gerade unter bösen Verdacht geraten: Diego Mastroienni (University of Arizona) sieht in ihr die Ursache von Alzheimer bzw. der für das Leiden typischen Amyloid- Plaques (Alzheimer’s & Dementia 23. 1.)

So kommt immer mehr zusammen über die mtDNA. Aber: Der allerjüngste Fund könnte alles infrage stellen. Bisher hielt man für ganz selbstverständlich, dass die Mitochondrien nicht nur den restlichen Körper auf 37 Grad halten, sondern auch sich selbst. Aber nun hat Dominique Chretien´ (Paris) direkt in ihnen gemessen, mit einer Chemikalie, die mit der Temperatur ihre Farbe ändert: Demnach hat mtDNA 50 Grad, und zusätzliche Analysen ihrer Enzyme zeigten, dass das die optimale Temperatur für sie ist. „Das ganze bisherige Wissen über Mitochondrien, etwa über ihre Enzyme oder Membranen oder über Gendefekte, die sie lahmlegen, wurde bei 37,5 Grad gewonnen“, resümiert Chretien´ und zieht den so naheliegenden wie weitreichenden Schluss: „Unsere Studie ruft nach einer kritischen Prüfung der Literatur über Mitochondrien“(PLoS Biology 25. 1.).

Das Genom der Mitochondrien evoluiert rascher als das im Kern. Das bringt Probleme. Probleme bringt auch, dass das mitochondriale Genom nur für Frauen optimiert wird.

Das alles ging durch im Peer Review, aber die PLoS- Herausgeber haben doch Nick Lane (London) um einen Kommentar gebeten, einen führenden mtDNA-Spezialisten. Der hat Bedenken gegen die Messmethode – vielleicht ändert sich die Farbe der Chemikalie auch durch anderes, den pH-Wert etwa – und auch sonst etliche Skepsis, sieht in der Arbeit aber eine wertvolle Erinnerung an etwas weithin Vergessenes: „Ich bezweifle, dass die Zehn-Grad-Differenz wörtlich zu nehmen ist. Aber ernst genommen sollte sie werden: Wärme ist in der Biologie aus der Mode gekommen. Und kleine Unterschiede in der Wärmeproduktion der Mitochondrien könnten das Risiko von Krankheiten erhöhen, die von Diabetes über männliche Unfruchtbarkeit bis zu Krebs und rascherem Altern reichen.“