Journal Club - BIOspektrum

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W I S S EN SCH AFT · JOU R NAL CLUB
ÿ Spermienaktivierung in der Samenbildung der Blütenpflanzen
ÿ Egg yolk-Antikörper zur Kontrolle von Erkrankungen bei Nutztieren
ÿ Metabolischer Schnappschuss einer Hefezelle
ÿ Kristallstruktur der löslichen Guanylylzyklase
Lothar Jaenicke
Rüdiger Schade
Michael Lalk
Spermienaktivierung in der Samenbildung der Blütenpflanzen
Blütenpflanzen haben eine charakterisierende doppelte Befruchtung: Ein Spermium muss mit der Eizelle fusionieren,
ein zweites mit der Endospermmutterzelle. Da die Spermien unbeweglich sind,
müssen beide durch den Pollenschlauch
in den Embryosack „injiziert“ und den beiden dimorphen weiblichen Gametophyten
zugeführt werden. So entstehen konzertiert der diploide Embryo und das triploide Endosperm. Das Konzert muss aber
dirigiert werden. Dirigent ist das kleine
Cystein(C)-reiche Egg Cell-1(EC1)-Peptid,
das die Eizelle bildet und speichert, wie
Stefanie Sprunck und Kollegen von der
Universität Regensburg mit dem Standardparadigma Arabidopsis thaliana
(Ackerschmalwand, at) durch ScriptomAnalyse zeigten (Science (2012) 338:
1093–1097).
ó Analog zu früheren Arbeiten am Weizen Triticum vulgare (tv; Sprunck S et al., Plant J
(2005) 41:660–672) wurden im weiblichen atReprodutionsorgan Transkriptcluster von fünf
Eizell-spezifischen (EC1-artigen) Genen (EC1.1
bis EC1.5) gefunden, die weitgehend dem
größten Eizell-spezifischen tv-Gen-Cluster EC1
sequenzhomolog sind. Die C-reichen EC1-Proteine der Blütenpflanzen gehören zu den frühen, die Gametogenese begleitenden, Genprodukten. Die Grünfluoreszenzanalyse zeigt,
dass sie direkt, nicht durch posttranslationale Prozessierung entstehen.
Aus der kurzen Verweilzeit von wenigen Minuten der Spermien in der EC1-bürtigen Grenzregion zwischen Zentral- und Eizelle vor dem
Verschmelzen mit diesen wird geschlossen,
dass die Eizelle in diesem Intervall das (redundante – weshalb? wozu?) Signal zur Erkennung und/oder Anheftung bildet und ab-
gibt. Für die Fusion, nicht für die Anheftung
sind HAP-Peptide nötig. Die EC1-Peptide aktivieren das stabil bleibende Endomembransystem der Spermien, nicht ihre Oberfläche.
Bei der Plasmogamie verwischen sich dann die
intrazellulären Abgrenzungen. Das Herunterregulieren von EC1,2/3 durch RNAi führt zur
Minderproduktion von Samen durch verwaist
bleibende Spermien.
Y Ein induziertes Nachrichtennetz durch C-reiche Peptid-Genprodukte beherrscht die Doppelbefruchtung bei Blütenpflanzen. Es aktiviert
die Gameten, regelt ihre Exozytose und modifiziert die Spermienmembran zur Anheftung
an die beiden Partnerzellen und die Fusion mit
ihnen.
Lothar Jaenicke ó
Egg yolk-Antikörper zur Kontrolle von Erkrankungen bei Nutztieren
Die IgY-Technologie hat die Gewinnung
und den Einsatz von egg yolk-Antikörpern
(IgY-Ak) zum Inhalt. Aufgrund der enormen Menge an spezifischen Ak, die ein
Huhn produzieren kann (bis zu 40 g/Jahr),
gewinnt diese Technologie Beachtung
bezüglich der Behandlung verschiedener
Erkrankungen bei Mensch und Tier. Hiermit beschäftigt sich die Arbeit von Y. Xu
et al. (Biotechnol Adv (2011) 29:860–868).
ó In den letzten Jahren häufen sich Publikationen, die den Einsatz von IgY-Ak unter verschiedensten Aspekten zum Thema haben. Einige Schwerpunkte sind die Behandlung von
Infektionen beim Menschen wie z. B. Helicobacter pylori oder die Kontrolle von Sekundärinfektionen im Zusammenhang mit Mukoviszidose, die Behandlung von Durchfallerkrankungen bei Kindern in Entwicklungsländern sowie die Behandlung von Karies durch Ak gegen
Streptococcus mutans. Durchfallerkrankungen
bei Kälbern und Ferkeln sorgen in der Tierzucht
für hohe ökonomische Verluste, insofern wird
auch hier der Einsatz spezifischer Ak zur Kontrolle dieser Erkrankungen erprobt. Ein weiterer Schwerpunkt ist die Anwendung in der
Aquakultur. Das Problem bei der Haltung von
Tieren auf engem Raum ist in jedem Fall die
Gefahr von Infektionen, die beherrscht werden
müssen. Das geschieht in der Regel durch Einsatz von Antibiotika. Intensive Anwendung von
Antibiotika führt häufig zu Resistenzen, abgesehen von der Rückstandsproblematik. All das
kann durch den Einsatz von spezifischen Ak in
Form verschiedener Präparate (Volleipulver,
Dotterpulver, reiner Ak) vermieden werden. Dabei können die Ak-Zubereitungen z. B. in
Lutschtabletten und Kaugummi (Karies) inkorporiert werden oder Milchprodukten wie z. B
Joghurt zugemischt werden. Entsprechende
Produkte sind in Asien teilweise schon auf dem
Markt. Weitere Themen in diesem Zusammenhang sind die Wirkungsweise spezifischer IgY-Ak sowie die Stabilität während der
Magen-Darmpassage.
Y Das Verdienst des vorliegenden Reviews ist
eine umfassende Berücksichtigung des Einsatzes von IgY-Ak zur Kontrolle verschiedener
Erkrankungen sowohl bei terrestrischen als
auch bei aquatischen Tieren. In der Regel wird
beides getrennt publiziert. Die Autoren geben
auch Daten zur Lagerstabilität der Ak an, ebenso wie zu ihrer Wirkungsweise, was für die
Anwendung von Bedeutung ist. Ausgesprochen
selten ist auch, dass, wie in diesem Fall, Angaben zu den Grenzen der IgY-Ak gemacht
werden. Da sich der Schwerpunkt der IgY-Forschung derzeit in Asien befindet, ist es sicher
kein Zufall, dass dieser Artikel in China entstanden ist.
Rüdiger Schade ó
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Roland Seifert
Ruth Stricker
Johannes
Herrmann
Jutta
Ludwig-Müller
Jürgen Kreft
Volkmar Braun
Metabolischer Schnappschuss einer Hefezelle
Die Analyse des zellulären Stoffwechsels
in Mikroorganismen ist Gegenstand der
Metabolomics. Dabei steht die Beschreibung des Umsatzes von primären und
sekundären Metaboliten während des
Wachstums des Organismus im Mittelpunkt. Allerdings ist dies bislang an die
Analyse von Zellpopulationen gebunden,
da die zur Verfügung stehenden bioanalytischen Methoden wie Massenspektrometrie (MS) und NMR-Spektroskopie ausreichende Konzentrationen der Metabolite
benötigen und einzelne Zellen sich somit
einer Untersuchung bisher entzogen.
ó Einen vielversprechenden Ansatz beschreiben nun A. J. Ibáñez et al. (Proc Natl Acad
Sci USA (2013) 110:8790–8794) anhand des
Modellorganismus Saccharomyces cerevisiae.
Die Analyse von Mikroarrays für MALDI-MS
zeigte den Metabolismus einer einzelnen He-
fezelle. So konnte die Adaptation der Bäckerhefe auf die Gabe von 2-Desoxy-D-Glukose als
Hemmer der Glykolyse und des Einflusses einer genetischen Modifikation (ΔPFK2) analysiert werden. Die Messung des ADP/ATP-Verhältnisses bot einen Einblick in den Energiehaushalt der Hefezelle und ermöglichte darüber hinaus die Unterscheidung von einzelnen
Zellphänotypen durch die Quantifizierung von
Fructose-1,6-bisphosphat als Marker für den
Kohlenstofffluss innerhalb der Glykolyse.
Y Eine zeit- und raumaufgelöste Beschreibung
des Metabolismus von Mikroorganismen war
bislang mit nur mäßigem Erfolg durchführbar.
Die nun vorgestellten Ergebnisse lassen erstmals eine validierte Analyse von Metabolomsignaturen einzelner Zellen zu und stellen somit
einen wichtigen Meilenstein auf dem Weg zur
single cell-Metabolomics dar.
Michael Lalk ó
Kristallstruktur der löslichen Guanylylzyklase
Die lösliche Guanlylyzyklase (sGC) wird
durch Stickstoffmonoxid (NO) aktiviert.
NO-freisetzende Pharmaka spielen schon
seit langem in der Behandlung der akuten
Koronararterieninsuffizienz, der hypertensiven Krise und des akuten Herzversagens eine wichtige Rolle. Ein Problem in
der Therapie mit NO-Pharmaka ist der
Wirkungsverlust bei Dauertherapie. Die
neu eingeführten sGC-Stimulatoren und
sGC-Aktivatoren haben dieses Problem
nicht. Es ist absehbar, dass diese neuen
Arzneistoffgruppen für eine Vielzahl von
kardiovaskulären Indikationsbereichen
klinische Bedeutung erlangen werden.
ó Vor diesem Hintergrund ist die Aufklärung
der ersten Kristallstruktur der sGC von fundamentaler Bedeutung. Seit mehr als 20 Jahren
haben viele Arbeitsgruppen vergeblich versucht, diese Nuss zu knacken, und nun ist es
dem Structural Genomics Consortium an der
Oxford University gelungen (Allerston CK et al.,
PLOS ONE (2013) 8:e57644). Das katalytische
Zentrum der sGC zeigt strukturelle Ähnlichkeit
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zu dem Pendant der membranären Adenylylzyklasen (mACs). Wie mACs besitzt die sGC eine allosterische Bindungsstelle. In mACs bindet das Diterpen Forskolin, aber dieses passt
nicht in die entsprechende sGC-Bindungsstelle.
Y Durch molecular modelling-Untersuchungen sollte es möglich sein, den endogenen
Liganden und Pharmaka für die allosterische
sGC-Bindungsstelle zu finden. Ganz überraschend kommt die Identifikation der neuen
sGC-Bindungsstelle nicht, denn es gibt schon
aus enzymkinetischen Untersuchungen Hinweise für die Existenz einer allosterischen Bindungsstelle in der sGC (Beste KY, Seifert R, Sci
Signal (2012) 5:pe37). Den Autoren gebührt
Dank dafür, dass sie ihre bahnbrechende Kristallstruktur in einem open access-Journal publiziert haben und nicht nach dem höchstmöglichem impact factor geschielt haben; auch in
wissenschaftskultureller Hinsicht also eine sehr
bemerkenswerte Arbeit.
Roland Seifert ó
Thomas Vogt
Jörg Müller
Kurz gefasst
ó Funktion der Orphan-Rezeptors GPR15
aufgeklärt
Für Orphan-Rezeptoren sind keine endogenen
Liganden bekannt. Nun ist es der Arbeitsgruppe von Dan R. Littman (New York University
Langone Medical Center) gelungen, die Funktion des G-Protein-gekoppelten Rezeptors
GPR15 mithilfe von Rezeptor-Knock-outs und
einem Zelltyp-spezifischen receptor rescue aufzuklären (Kim SV et al., Science (2013)
340:1456–1459). GPR15 wird in regulatorischen T-Zellen (Tregs) exprimiert. Ein Defekt von
GPR15 führt zu einer erhöhten Empfindlichkeit
für die Entwicklung von chronischen Darmentzündungen, wozu Morbus Crohn und Colitis ulcerosa gehören. Die weitere Suche nach
GPR15-Agonisten könnte die Therapie chronischer Darmentzündungen verbessern.
Roland Seifert
ó Ungesättigte Fettsäuren als
Blutdrucksenker
Omega-3-ungesättigte Fettsäuren sollen positive Auswirkungen auf das Immun-, Nervenund Herzkreislaufsystem haben, über die molekularen Wirkmechanismen ist jedoch nur wenig
bekannt. T. Hoshi et al. haben nun gezeigt, dass
Docosahexaensäure (DHA) auf den Kaliumkanal Slo1 (BK) wirkt, der eine wichtige Rolle in
der glatten Gefäßmuskulatur spielt (Proc Natl
Acad Sci USA (2013) 110:4816–4821). DHA
aktiviert Slo1, depolarisiert damit Muskelzellen und reduziert deren Erregbarkeit, was die
vasodilatorischen, blutdrucksenkenden Eigenschaften von Omega-3-ungesättigten Fettsäuren erklärt. Die oft als Nahrungsergänzung verwendeten Fettsäure-Ethylester haben diese
Wirkung nicht.
Andreas Reiner
ó Blühen oder Abwehr? Salicylsäure als
Entscheidungshilfe
Salicylsäure spielt eine wichtige Rolle in der
pflanzlichen Abwehr, insbesondere in Blättern.
Sie wird über den Rezeptor NPR3 perzipiert
und diese Interaktion löst die Abwehrantwort
aus. In Blüten von Arabidopsis thaliana wurde
nun gefunden, dass NPR3 als negativer Regulator der Abwehrantwort fungiert (Shi Z et al.,
Mol Plant (2013) 6:802–816). Eine Mutante im
Gen NPR3 zeigte daher eine erhöhte Resistenz
gegen das phytopathogene Bakterium Pseudomonas syringae in Blüten, jedoch nicht in
Blättern. Auf der anderen Seite war die Mutante in Abwesenheit eines Pathogens weniger fit
in Bezug auf die Entwicklung.
Jutta Ludwig-Müller
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W I S S EN SCH AFT · JOU R NAL CLUB
ÿ Die neue Gefahr heißt H7N9
ÿ Proteinzusammensetzung zellulärer Kompartimente in vivo
ÿ Pflanzen wissen, wo es wehtut
ÿ Riboswitch-regulierte Antisense-RNA kontrolliert Transkriptionsaktivator
Die neue Gefahr heißt H7N9
In China ist dieses Jahr im Februar ein
neues Influenzavirus aufgetreten, das bisher 132 – meist ältere – Menschen infiziert hat, von denen 39 gestorben sind.
Sie litten häufig an einer schweren Lungenentzündung, gefolgt von einem akuten
progressiven Lungenversagen. Jetzt wurde das H7N9-Influenzavirus, das diese
schwere Grippe ausgelöst hat, von J. Zhou
et al. (Nature (2013) 499:500–503 genauer charakterisiert.
ó Das virale Oberflächenprotein Hämagglutinin (HA) ermöglichte es, Influenzaviren über
Rezeptoren auf Lungenzellen ebendiese zu infizieren. Der Rezeptor ist ein Glykoprotein, dessen Zuckermoleküle entweder eine 2,3- oder
2,6-Verknüpfung aufweisen. Generell bevorzugen aviäre Viren eine 2,3- und humanpa-
thogene Viren eine 2,6-Sialinsäure. Mit in vitro-Experimenten wurde gezeigt, dass das HA
des neuen H7N9-Virus an beide Rezeptoren
binden kann. Dadurch kann es sich sowohl in
Vögeln als auch im Menschen ausbreiten und
adaptieren. Die Spezialisierung des HA besteht
u. a. darin, dass die Aminosäure 160 zu einem Alanin mutiert ist, die zum Verlust einer
Glykosylierungsstelle führt. Je tiefer in der Lunge das Virus replizieren kann, desto schwerwiegender verläuft die Infektion. Ex vivo-Studien zeigten, dass das H7N9-Virus Typ II Pneumozyten im unteren Respirationstrakt infiziert
und damit deren Funktion zerstört. Gefährlich wird es, wenn ein hoch pathogenes Virus
von Mensch zu Mensch übertragen werden
kann, wofür hohe Virustiter im oberen Lungengewebe bzw. in der Luftröhre (Trachea) vor-
handen sein müssen. Es wurde aber gezeigt,
dass der Titer in der Trachea zehnfach niedriger ist als in der Lunge. Dennoch gibt es keine Entwarnung, da die humane Population keine Antikörper gegen dieses Virus hat. Der derzeit verwendete Impfstoff bewirkt keine Kreuzreaktion mit dem neuen H7N9-Virus, wie Tests
mit menschlichen Seren gezeigt haben.
Y Obwohl derzeit keine effiziente Mensch-zuMensch-Übertragung bekannt ist, sollte dieses
Virus nicht unterschätzt werden. Solange nicht
alle Aminosäuren, die zur Pathogenität beitragen, identifiziert und charakterisiert wurden und davon Impfstoffe abgeleitet oder Medikamente entwickelt wurden, ist Grundlagenforschung unverzichtbar.
Ruth Stricker ó
Proteinzusammensetzung zellulärer Kompartimente in vivo
Die Proteomanalyse subzellulärer Kompartimente setzt bislang deren biochemische Isolierung voraus. Das Öffnen der
Zellen, die Verletzung von Membranen
und Kontaminationen beeinträchtigen die
Aussagekraft dieser Untersuchungen.
Jetzt wurde ein subzelluläres Proteom
erstmals in lebenden Zellen identifiziert
(Rhee H-W et al., Science (2013)
339:1328–1331).
ó Dafür exprimierten die Autoren eine spezielle Variante einer Ascorbatperoxidase
(APEX) in der mitochondrialen Matrix menschlicher Zellen. Dieses Enzym oxidiert in Anwesenheit von Wasserstoffperoxid Phenole zu
hochreaktiven Phenolradikalen, die dann
kovalente Bindungen mit Aminosäuren in ihrer
direkten Umgebung eingehen. Die Autoren inkubierten die lebenden APEX-exprimierenden
Zellen mit Biotin-Phenol und Wasserstoff, wobei Proteine der mitochondrialen Matrix inner-
halb weniger Sekunden durch APEX mit Biotin verknüpft wurden. Anschließend wurden
Biotin-gekoppelte Proteine isoliert und massenspektrometisch identifiziert. In ihrer Analyse konnten die Autoren in einem einzigen Experiment 495 Matrixproteine identifizieren,
von denen 31 bislang nicht als mitochondriale Proteine bekannt waren.
Da die APEX-vermittelte Markierung durch
Membranen aufgehalten wird, lässt sich die
Methode auch zur Bestimmung der Orientierung von Membranproteinen verwenden. Im
Beispiel der Science-Publikation wurden Biotinreste nur an Proteinabschnitte angefügt, die
zur Matrix hin orientiert waren und nicht an
solche, die in den Intermembranraum reichen.
Die kompartimentenspezifische Markierung ist
eine große Stärke der Methode: So wurden in
den Proteinkomplexen der mitochondrialen
Innenmembran Biotin-Reste nur an Untereinheiten angefügt, die zur Matrix hin orientiert
waren. Dies zeigt beeindruckend die Über legenheit dieses Verfahrens gegenüber der
Proteombestimmung von Fraktionen, die auf
klassischen biochemischen Zellaufschluss-Verfahren beruhen. Die Methode wird vor allem
sehr attraktiv sein, um die Proteinzusammensetzung von Kompartimenten zu identifizieren,
die mit Fraktionierungsverfahren nur unzureichend gereinigt werden können.
Y Die hier beschriebene Methode kombiniert
die intrazelluläre Markierung von Proteinen
durch ein eingebrachtes Enzym mit quantitativer Massenspektrometrie. Sie stellt einen großen Durchbruch bei der Proteomanalyse zellulärer Kompartimente dar und wird helfen,
die Zusammensetzung zellulärer Kompartimente mit hoher Präzision orts- und zeitaufgelöst in lebenden Zellen aufzuklären.
Johannes Herrmann ó
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Pflanzen wissen, wo es wehtut
Blätter und Wurzeln werden durch unterschiedliche Schaderreger befallen. Daher
muss auch ihre Abwehrantwort darauf
entsprechend angepasst ausfallen.
Zusätzlich können Signale nach Herbivorenbefall an der Wurzel in den Spross
transportiert werden und dort eine Antwort auslösen und umgekehrt. In diesem
Fall spricht man von systemischen Signalen. Ein solches Signal ist das Pflanzenhormon Jasmonsäure (JA), das insbesondere nach Befall durch Insekten eine große Rolle spielt.
ó Die JA induziert vielschichtige Abwehrantworten in Pflanzen. Untersuchungen von T. O.
Tytgat et al. (PLoS ONE (2013) 8:e65502) zeigten, dass dieses Signal, das Herbivorenbefall
nachahmen kann, unterschiedliche Antworten
in Bezug auf Sekundärmetabolite sowohl lokal
als auch systemisch an Wurzel und Spross auslöst. Auch die molekulare Abwehrantwort, wie
durch Transkriptomanalysen festgestellt wurde, war in beiden Organen unterschiedlich. Die
Pflanze, der Gemüsekohl Brassica oleracea,
kann demnach feststellen, wo sie verletzt wurde. Die Unterschiede waren schon früh in der
Signaltransduktion zu erkennen, und es wur-
de daraus geschlossen, dass beide Organe
unterschiedliche Signalketten verwenden. Daraus kann abgeleitet werden, dass die Signale,
die eine systemische Reaktion auslösen, diesem Organ den Ausgangspunkt für den Befall
verraten, also ein noch nicht geschädigtes
Blatt bekommt das Signal, ob ein anderes Blatt
oder die Wurzel verletzt wurde. Auf der anderen Seite wurde auch festgestellt, dass solche
Signale die Umverteilung von Nährstoffen auslösen können. In einer stark an den Blättern
beschädigten Pflanze kann es zu einer Umverteilung der Nährstoffe in die Wurzeln kommen, die dann daraus Energie gewinnen können, um später austreiben zu können. Damit
ist die Kommunikation zwischen ober- und
unterirdischen Pflanzenteilen von großer Bedeutung.
Y Der Vorteil für die Pflanze liegt in der Möglichkeit, eine maßgeschneiderte Abwehrantwort
nicht nur auf verschiedene Organismen sondern auch in Abhängigkeit des Gewebes – Wurzel oder Blatt – zu generieren. Das kann zu
einer Bevorzugung eines Gewebes führen, welches später das Überleben der Pflanze zu
sichern hilft.
Jutta Ludwig-Müller ó
Riboswitch-regulierte Antisense-RNA kontrolliert
Transkriptionsaktivator
Einen bislang übersehenen, raffinierten
Regulationsmechanismus entdeckten die
Arbeitsgruppen von Pascale Cossart (Institut Pasteur, Paris) und Jörgen Johansson
(Universität Umeå, Schweden) in ListeriaBakterien. Er sichert die abgestimmte
Regulation der Gencluster für 1,2-Propandiol-Verwertung (pdu) und Vitamin-B12Synthese (Mellin JR et al., Proc Natl Acad
Sci USA (2013) 110:13132–13137).
ó RNA-basierte Regulationsmechanismen
sind ein heißes Forschungsgebiet. Zu den bisher bekannten Wirkprinzipien zählen Ribo switches und Antisense-RNAs. Letztere werden von stromabwärts des regulierten Gens
entgegen der Leserichtung transkribiert und
beeinflussen die Synthese oder Funktionalität
der zugehörigen mRNA. Riboswitches wurden
bisher definiert als Metabolit-bindende, regulatorische Sekundärstrukturen in der stromaufwärts gelegenen untranslatierten Region
(5′-UTR) von (Sense-)mRNAs. Die Autoren
konnten nun erstmals experimentell einen Vi-
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tamin-B12-Riboswitch in der 5′-Region einer
Antisense-RNA nachweisen. Schon geringe
Mengen von B12 regulieren über den Riboswitch die Synthese von AspocR herunter, die
inhibitorische Antisense-RNA von pocR. Das
dadurch vermehrt gebildete Protein PocR steigert die Transkription der pdu- und Vitamin B12Synthesegene; es benötigt außerdem das Abbau-Substrat 1,2-Propandiol für volle Aktivität.
Eines der pdu-Enzyme benutzt B12 als Kofaktor; dies erklärt den regulatorischen Zusammenhang. Das ganze komplizierte System
stellt sicher, dass die pdu-Gene nur dann stark
transkribiert werden, wenn sowohl ausreichend Substrat vorliegt als auch anfänglich
eine geringe Menge des Kofaktors B12.
Y Ähnliche modulare Riboswitch-AntisenseRNA-Systeme fanden die Autoren in Genomen
anderer Bakterien: Es sind also noch Neuigkeiten zu erwarten. Spannend ist auch die unbekannte Rolle in der Pathobiologie von Listeria
und Co.
Jürgen Kreft ó
Kurz gefasst
ó Biotechnologische Produktion
von Artemisin
Der Parasit Plasmodium falciparum
verursacht die Malaria tropica, eine
lebensbedrohliche Erkrankung, die
jährlich mehr als 200 Millionen Menschen befällt. Das aus Pflanzen isolierte Sesquiterpen Artemisin stellt
ein effektives Malariamittel dar, aber
die Gewinnung ist kostspielig und
nicht gut steuerbar. Dies hat zu erheblichen Engpässen in der Artemisinversorgung und Preisfluktuationen
geführt. C. J. Paddon et al. (Nature
(2013) 496:528–532) haben nun ein
biotechnologisches Verfahren entwickelt, über das in Saccharomyces cervisiae großen Mengen Artemisin zu
günstigen Preisen hergestellt werden
können.
Roland Seifert
ó Rolle von Gαolf in der
Pathogenese von Dystonien
Dystonien stellen eine heterogene
Gruppe neuromuskulärer Erkrankungen dar, die kausal nicht behandelt
werden können. In zwei aktuellen
Arbeiten (Vemula SR et al., Hum Mol
Genet (2013) 22:2510-2519; Fuchs T
et al., Nature Genetics (2013) 45:88 –
92) wird gezeigt, dass bei bestimmten Dystonien Mutationen in dem im
Striatum hoch exprimierten G-Protein
Gαolf, das zur Gs-Familie gehört, vorliegen. Gαolf unterscheidet sich in der
helikalen Domäne deutlich von Gαs.
Allosterische spezifische Gαolf-Modulatoren könnten also einen innovativen Ansatz zur Therapie bestimmter
Dystonien darstellen.
Roland Seifert
ó Modellorganismus im Wandel
Mikroorganismen können sich sehr
schnell verändern und sich an die
jeweiligen Umweltbedingungen anpassen. So reichen oft wenige Kultivierungszyklen auf Vollmedium aus,
um einen Mikroorganismus so zu verändern dass er typische Eigenschaften, die ihn in der jeweiligen Umwelt
ausgezeichnet haben, verliert, selbst
wenn die entsprechenden Eigenschaften chromosomal codiert sind.
G. Eydallin und Mitarbeiter haben nun
am Beispiel von Escherichia coli untersucht, inwieweit solche Veränderungen zufällig oder vorhersehbar ablaufen und wie schnell sich aus einem
Stamm unterschiedliche Genotypen
entwickeln (Environ Microbiol (2013),
doi:10.1111/1462-2920.12208).
Michael Schloter
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W I S S EN SCH AFT · JOU R NAL CLUB
ÿ Typ VI-Sekretion kopiert Phageninfektion
ÿ Evolution neuer Naturstoffe – ganz einfach
ÿ Myeloische Leukämie – genomisch und epigenomisch
Typ VI-Sekretion kopiert Phageninfektion
Inzwischen sind in Gram-negativen Bakterien acht Proteinsekretionssysteme, mit
Untergruppen, beschrieben. Die Proteine
werden entweder in die Umgebung entlassen oder in Eukaryotenzellen transferiert. Sie dienen als gewebsspezifische
Adhäsine, haben proteolytische Aktivität,
bewirken Serumresistenz, hemmen das
Komplementsystem und lösen in Eukaryotenzellen eine Vielfalt von Reaktionen aus
wie Interleukinsekretion, Aktinvernetzung
und Entzündungsreaktionen. Außerdem
werden sie mit einer Vielzahl von Infektionskrankheiten in Verbindung gebracht.
Das Typ VI-Sekretionssystem, T6SS, wurde 2006 bei einer Studie über die Virulenz
von Vibrio cholerae in einem Dictyostelium- Infektionsmodell entdeckt.
ó Von V. cholerae ausgeschiedene Proteine
sind zytotoxisch, auch in Makrophagen. Einmal
entdeckt wurde das T6SS in über einem Viertel aller sequenzierten Bakterien nachgewiesen, auch in solchen, die nicht pathogen sind.
Tatsächlich transferiert das T6SS in direktem
Zellkontakt Toxine nicht nur in Eukaryotenzellen, sondern auch in Bakterien. Der T6SS-Genlokus codiert für 13 Proteine, die zusammen
mit anderen Proteinen den Sekretionsapparat
bilden, der vom Zytoplasma bis in die äußere
Membran reicht. Mehrere der Proteine sind
strukturanalog dem kontraktilen DNA-Injektionsapparat des Phagen T4 und funktionieren
ähnlich. Die Phagenschwanzhülle kontrahiert
und treibt den Phagenschwanzkanal in das Zellinnere. VipA/VipB des T6SS bildet entprechend der Phagenschwanzstruktur im Zytosol
von Vibrio cholerae lange Fibern, die sich in
5 ms auf die Hälfte der ursprünglichen Länge
kontrahieren, sich in 30-50 s auflösen und
dann wieder zusammenlagern (Basler M et al.,
Nature (2012) 483:182–186; Basler M,
Mekalanos JJ, Science (2012) 337:815–818).
VipA/VipB bilden zusammen mit dem Hcp-Protein den Kanal, der durch Kontraktion toxische
Proteine aus der attackierenden Zelle sekretiert und in Zielzellen injiziert. Das freigesetzte V. cholerae- VgrG1-Protein quervernetzt in
der Zielzelle Aktin, VgrG1 von Aeromonas
hydrophila ADP-ribosyliert Actin, Tse1 von
Pseudomonas aeruginosa spaltet die glycosidische Bindung von Murein, Toxine von Salmonella typhimurium und Burholderia thailandensis spalten Peptidbindungen im Murein.
Y Das T6SS besteht aus einem hoch dynamischen Sekretionsapparat, der analog der DNAInjektion kontraktiler Phagen funktioniert. Es
gehört zu den vielfältigen Proteintoxinsystemen, mit denen Bakterien Eu-und Prokaryoten
angreifen, um sich in einer feindlichen Umgebung zu behaupten.
Volkmar Braun ó
Evolution neuer Naturstoffe – ganz einfach
Alkaloide sind stickstoffhaltige Naturstoffe unterschiedlichster Struktur, deren
Vorkommen im Pflanzenreich weit verbreitet ist. Zu den Alkaloiden zählen viele
Gift- und Arzneistoffe mit erheblicher Wirkung auf den menschlichen Organismus
wie Strychnin, Morphin, Nikotin oder
Koffein. In der Pflanze können Alkaloide
Parasiten abwehren.
ó Aus welchen Vorstufen entwickelten sich
im Laufe der Evolution der Spezies diese teils
verblüffend komplexen Inhaltstoffe? Junker A
et al. (Front Plant Sci (2013), doi:10.3389/fpls.
2013.00260) haben diese Frage für die Tropanalkaloide der Solanaceen, Nachtschattengewächse zu denen auch Kartoffel und Tomate gehören, beantwortet. Beim Stechapfel Datura stramonium erwies sich die unerwartet hohe Ähnlichkeit der Putrescin-N-Methyltransferase (PNMT), dem Eingangsenzym für die Biosynthese dieser Substanzen, zur Spermidin-
synthase (SPDS) als molekularer Schlüssel.
SPDS überträgt eine Aminopropylgruppe der
decarboxylierten Form des Kofaktors S-Adenosyl-L-Methonin (dcSAM) auf Putrescin und
katalysiert die Reaktion zum universellen Zellmetaboliten Spermidin. Anstelle der Aminopropylgruppe wird im Falle der PNMT die Methylgruppe vom positiv geladenen Schwefel auf
Putrescin übertragen, SAM ist dabei nicht decarboxyliert. Der Austausch einer einzigen
Aminosäure im aktiven Zentrum der SPDS des
Stechapfels ermöglicht nun die Bindung von
SAM statt dcSAM, die Voraussetzung zur Übertragung einer Methylgruppe und Startpunkt für
die Biosynthese des S-Hyoscyamins. Dessen
Racemat, das Atropin, auch bekannt von der
Tollkirsche Atropa belladonna, wird bis heute
als Medikament in der Augenheilkunde und bei
Vergiftungen durch Acetylcholinesterasehemmer genutzt. SPDS und PNMT existieren parallel, haben aber völlig verschiedene Funk-
tionen. Eine SPDS der Modellpflanze Arabidopsis thaliana, die keine Tropanalkaloide besitzt, zeigt bereits eine geringe Fähigkeit zum
Transfer der Methylgruppe. Die Optimierung
dieser Aktivität gelang den Autoren über Mutationen unterschiedlicher Aminosäuren. Der
Weg zu neuen Enzymprodukten ist demnach
flexibel. Diese können in Pflanzen dann modular zu vielfältigen Naturstoffen kombiniert
werden.
Y Die Evolution und Vielfalt pflanzlicher
Metabolite ist faszinierend. Die zitierte Arbeit
zeigt neben den Möglichkeiten moderner Computerchemie und Bioinformatik zur Ermittlung
enzymatischer und evolutiver Mechanismen,
wie einfach eine zufällige Mutation universeller Gene im Erbgut unterschiedlicher Spezies,
unabhängig voneinander, zu neuen Naturstoffen führen kann.
Thomas Vogt ó
BIOspektrum | 06.13 | 19. Jahrgang
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Myeloische Leukämie – genomisch und
epigenomisch
Eine Vielzahl von genetischen Mutationen trägt zur Entwicklung der
Akuten Myeloischen Leukämie
(AML) bei. Die Rolle einzelner genetischer Aberrationen und epigenetischer Veränderungen, welche zur
Leukämieprogression beiträgt, ist
noch weitestgehend ungeklärt. Ein
besseres Verständnis der Treibermutationen und assoziierten Mechanismen, die zum klinischen Bild der
AML führen, ist notwendig, um innovative individuelle Therapieansätze
zu etablieren.
ó Eine im New England Journal of Medicine erschienene Arbeit (Cancer Genome Atlas Research Network, N Engl J
Med (2013) 368:2059–2074) liefert
neue Einblicke in die Muster somatischer Mutationen, welche zur AML bei
Erwachsenen führen. Für die Arbeit wurden 50 Komplettgenome und 150 Transkriptome sequenziert. Diese Untersuchungen wurden von einer Vielzahl von
RNA-, microRNA-Sequenzierungen und
DNA-Methylierungsanalysen von de novo-AML-Patienten begleitet. Insgesamt
wurden über 2.500 Mutationen in Pro-
tein-codierenden Sequenzen gefunden.
Die Mehrzahl der Patienten trug mindestens eine der bekannten genetischen
Aberrationen, die AML verursachend
wirken (FLT3, NPM1, IHD1, IHD2, CEBPA). Interessant war die Häufung von variablen Allelfrequenzen, welche die klonale Evolution während der Krankheitsentwicklung zeigten. Die enorme Vielzahl der in diesem Artikel vorgestellten
genetischen und epigenetischen Veränderungen ermöglichte die Bildung von
funktionellen Genclustern, die in den
AML-Patienten auftraten. Diese zeigten
kooperatives Auftreten sowie wechselseitigen Ausschluss einzelner funktioneller Gruppen. Das kohärente Auftreten von Mutationen deutet auf einen
Crosstalk zwischen verschiedenen genetischen Clustern bei der Leukämieentwicklung hin.
Y Das Ziel dieser Arbeit ist es, eine
umfassende molekulargenetische Klassifikation der AML zu erstellen, welche
die Therapieentscheidungen des einzelnen Patienten steuern soll.
Jörg Müller ó
Prof. Dr. Lothar Jaenicke, Institut f. Biochemie, Universität zu Köln, Zülpicher Straße 47, D-50674 Köln
Prof. Dr. Rüdiger Schade, Charité – Universitätsmedizin Berlin, Dorotheenstraße 94, D-10117 Berlin,
[email protected]
Prof. Dr. Michael Lalk, Universität Greifwald, Institut für Biochemie, Felix-Hausdorff-Straße 4,
D-17487 Greifswald, [email protected]
Prof. Dr. Roland Seifert, Medizinische Hochschule Hannover, Institut für Pharmakologie, Carl-NeubergStraße 1, D-30625 Hannover, [email protected]
Dr. Ruth Stricker, Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung, Inhoffenstraße 7, D-38124 Braunschweig, [email protected]
Prof. Dr. Johannes Herrmann, Universität Kaiserslautern, Zellbiologie, Erwin-Schrödinger-Straße 13,
D-67663 Kaiserslautern, [email protected]
Prof. Dr. Jutta Ludwig-Mueller, Institut für Botanik, Technische Universität Dresden, Zellescher Weg
20b, D-01062 Dresden, [email protected]
Prof. Dr. Jürgen Kreft, Biozentrum der Universität Würzburg, Lehrstuhl für Mikrobiologie, Am Hubland,
D-97074 Würzburg, [email protected]
Prof. Dr. Volkmar Braun, Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie, Spemannstraße 35,
D-72076 Tübingen, [email protected]
Dr. Thomas Vogt, Leibniz-Institut für Pflanzenbiochemie, Weinberg 3, D-06120 Halle/Saale,
[email protected]
PD Dr. Jörg Müller, Universitätsklinikum Jena, Bachstraße 18, D-07743 Jena,
[email protected]
BIOspektrum | 06.13 | 19. Jahrgang