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MELDUNG/672: Nachrichten aus Forschung und Lehre vom 22.03.13 (idw)


Informationsdienst Wissenschaft - idw - Pressemitteilungen

→  Bakterien mit Vuvuzela: Kanalprotein dient Mikroben als Spritze für Giftstoffe
→  Neues Schwerpunktprogramm untersucht Funktion spezialisierter Hirnzellen
→  Neue Forschungsergebnisse zur Evolution von Proteinnetzwerken



Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V. - 20.03.2013

Bakterien mit Vuvuzela

Kanalprotein dient Mikroben als Spritze für Giftstoffe

Das Bakterium Photorhabdus luminescens ist ein unverzichtbarer Begleiter mancher Fadenwürmer. Diese Würmer befallen Insektenlarven und infizieren sie dabei mit den Bakterien. Die Erreger attackieren die Zellen ihrer Opfer mit einem tödlichen Cocktail aus verschiedenen Giftstoffen. Wissenschaftler am Max-Planck Institut für molekulare Physiologie in Dortmund haben zusammen mit Kollegen der Universität Freiburg und der Jacobs Universität Bremen herausgefunden, dass ein wichtiger Giftstoff-Komplex der Bakterien wie eine Spritze funktioniert. Er gelangt in von der Zellmembran abgeschnürten Vesikeln in die Wirtszellen und verändert dort seine Struktur. Durch einen Vuvuzela-ähnlichen Proteinkanal dringt dann ein Teil des Giftstoff-Komplexes durch die Membran des Zellbläschens ins Zellinnere ein und tötet die Zelle.

Wichtige Giftstoffe von Photorhabdus luminescens gehören zu den ABC-Toxinen, die aus den drei Proteinkomponenten TcA, TcB und TcC bestehen. Der Toxin-Komplex dockt zunächst an Rezeptormoleküle auf der Membran der Wirtszellen an und wird in kleinen Membranbläschen, sogenannten Vesikeln, ins Innere der Zelle geschleust. Von dort gelangt die TcC-Komponente in die Zellflüssigkeit und zerstört das Proteinskelett der Zelle. Unklar war bislang jedoch, wie das Protein durch die Vesikelmembran hindurch schlüpfen kann.

Die Wissenschaftler konnten nun erstmals mittels Kryo-Elektronenmikroskopie und Einzelpartikelanalyse die Struktur der ABC-Toxine von Photorhabdus luminescens entschlüsseln. Demnach besteht das TcA-Protein des Bakteriums aus fünf Untereinheiten, die zusammen die Form einer Glocke besitzen. "Im Inneren der Glocke bilden die Untereinheiten einen Kanal. Er hat einen breiten und einem schmalen Durchlass und sieht deshalb aus wie das berühmt-berüchtigte Musikinstrument südafrikanischer Fußballfans", erklärt Stefan Raunser vom Max-Planck-Institut für molekulare Physiologie.

Sobald der pH-Wert in der Umgebung sinkt oder steigt - beispielsweise, wenn die Flüssigkeit in den Vesikeln angesäuert wird - öffnet sich die äußere Hülle des Toxins und gibt den zentralen Kanal frei. "Der Kanal wird nun wie die Kanüle einer Spritze durch die Zellmembran geschoben", sagt Raunser. TcB und TcC werden in den Bereich zwischen Kanal und Hülle gezogen. Dort wird TcC entpackt und verliert seine ursprüngliche Struktur. "Möglicherweise sind ein Spannungsgefälle oder spezielle Entpackungsproteine wie zum Beispiel TcB notwendig, damit TcC aus dem Vesikel ins Innere der Zelle gelangt und dort seine tödliche Wirkung entfalten kann."

Die Ergebnisse zeigen, dass das TcA der Fadenwurm-Bakterien eine ähnliche Form besitzt wie Toxine des Pest-Erregers oder anderer Bakterien. "Mit diesen Ergebnissen können wir also möglicherweise auch die Wirkungsweise von Bakterien verstehen, die Krankheiten beim Menschen hervorrufen", sagt Raunser. Außerdem könnten die Erkenntnisse helfen, schädlingsresistente Nutzpflanzen zu entwickeln.

Neben den ABC-Toxinen haben die Erreger der Pest zusätzlich ein anderes Transportsystem entwickelt, das auch bei den Erregern der Bakterienruhr und Typhus vorkommt. Dieses als Typ-III-Sekretionssystem bezeichnete Sekretionssystem sieht zwar ebenfalls aus wie eine Spritze, allerdings ist der Spritzenkörper in die Bakterienmembran eingebettet und die Spritzennadel weist nach außen. Mit Hilfe dieser Nano-Spritzen können die Bakterien Stoffe direkt in die Wirtszelle injizieren.

Originalveröffentlichung:
Photorhabdus luminescens toxins use a novel syringe-like injection mechanism for cell entry
Christos Gatsogiannis, Alexander E Lang, Dominic Meusch, Vanda Pfaumann, Oliver Hofnagel, Roland Benz, Klaus Aktories, Stefan Raunser
Nature, 20. März 2013
DOI: 10.1038/nature11987

Kontakt:

Dr. Stefan Raunser
Max-Planck-Institut für molekulare Physiologie
E-mail: stefan.raunser@mpi-dortmund.mpg.de

Dr. Peter Herter
E-mail: peter.herter@mpi-dortmund.mpg.de

Zu dieser Mitteilung finden Sie Bilder unter:

http://idw-online.de/de/image197527
Der Toxin-Komplex besteht aus drei Komponenten: TcA (gelb), TcB und TcC (orange). Der Komplex bindet an einen Rezeptor in der Membran einer Wirtszelle und wird durch Endozytose aufgenommen (links). Eine Änderung des pH-Werts verändert den dreidimensionalen Aufbau: Der zentrale Kanal schiebt sich wie die Kanüle einer Spritze durch die Zellmembran (Mitte). TcB und TcC können so in das Zellinnere gelangen. Dabei wird TcC entpackt und verliert seine ursprüngliche Struktur.

http://idw-online.de/de/image197528
Molekulare Vuvuzela: Der zentrale Kanal des TcA-Proteins (hellgrün) ist wie das südafrikanische Musikinstrument geformt (dunkelgrün: äußere Hülle, schwarz: Zellmembran der Wirtszelle).

Kontaktdaten zum Absender der Pressemitteilung stehen unter:
http://idw-online.de/de/institution207

Quelle: Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V., Dr Harald Rösch, 20.03.2013

Raute

Gemeinsame Pressemitteilung vom 21.03.2013
Universität des Saarlandes
Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf

Neues Schwerpunktprogramm untersucht Funktion spezialisierter Hirnzellen

Wie arbeitet unser Gehirn? Welche Zelle übernimmt welche Funktion? Und wie arbeiten die Zellen zusammen? Diesen Fragen werden Neurowissenschaftler um Professor Frank Kirchhoff von der Saar-Uni und Professorin Christine Rose von der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf in einem neuen Schwerpunktprogramm nachgehen. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) fördert das Vorhaben zunächst mit rund 6 Millionen Euro in den ersten drei von insgesamt sechs Jahren. Die Forscher wollen unter anderem herausfinden, welche Rolle die Gliazellen im Gehirn spielen. Ihre Ergebnisse können helfen, Prozesse im Hirn genauer zu verstehen, um auch bessere Therapien für Krankheiten wie Schlaganfall zu entwickeln.

"Lange Zeit ging die Forschung davon aus, dass im Gehirn nur die Nervenzellen an der Informationsübertragung beteiligt sind", berichtet Frank Kirchhoff, Professor für Molekulare Physiologie am Universitätsklinikum in Homburg und Koordinator des neuen Schwerpunktprogramms. "Die Gliazellen sah man lediglich als Stützzellen an." Neueste Forschungsergebnisse kommen allerdings zu einem anderen Schluss: Kirchhoff und sein Team konnten beispielsweise kürzlich erstmals nachweisen, dass die sogenannten Bergmann Gliazellen an physiologischen Verarbeitungsprozessen im Kleinhirn beteiligt sind. Zudem haben Wissenschaftler in anderen Studien belegt, dass es verschiedene Typen der Gliazellen gibt. Diese unterscheiden sich zum Beispiel darin, dass sie verschiedene Proteine herstellen und andere Formen der Signalübertragung und des Molekültransports nutzen. "Das legt natürlich den Schluss nahe, dass die Zellen spezifische Funktionen entwickelt haben, um in den unterschiedlichen Hirnarealen jeweils andere Aufgaben erfüllen zu können", kommentiert der Wissenschaftler diese Ergebnisse.

In dem neuen Schwerpunktbereich "Functional Specializations of Neuroglia as Critical Determinants of Brain Activity" möchten die Forscher in den kommenden sechs Jahren klären, welche genaue Rolle den unterschiedlichen Gliazellen in unserem Gehirn zukommt. "Wir möchten verstehen, wie sich Gliazellen entwickeln, wie sie sich differenzieren und wie sie mit Nervenzellen zusammenarbeiten", erklärt Neurobiologie-Professorin Christine Rose von der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf und Co-Koordinatorin des Projekts. "Dabei nehmen wir an, dass Gliazellen in unterschiedlichen Teilen des Gehirns unterschiedliche Eigenschaften haben, und dadurch die Funktion dieser Hirngebiete mitbestimmen. Die Erforschung dieser neu entdeckten Komplexität wird uns nur im interdisziplinären Verbund gelingen." Daher forschen hierfür Biochemiker, Chemiker, Genetiker, Molekularbiologen, Neurobiologen, Physiker und Physiologen aus ganz Deutschland eng verzahnt in kleineren Teilprojekten zusammen. Die Erkenntnisse der Wissenschaftler könnten in Zukunft helfen, grundlegende Prozesse im Gehirn besser zu verstehen und so auch dazu beitragen, neue Therapien gegen neurodegenerative Krankheiten wie Demenz zu entwickeln.

Frank Kirchhoff und sein Team untersuchen unter anderem molekulare und zelluläre Mechanismen der Gliazellen. In dem neuen Forschungsprojekt wollen sie die unterschiedliche Verteilung von Transmitterrezeptoren auf Gliazellen untersuchen. Sie gehen davon aus, dass ähnlich wie Menschen in verschiedenen Teilen der Welt ihre eigenen Sprachen nutzen, auch Gliazellen sich verschiedener Kommunikationswege mit den benachbarten Nervenzellen bedienen. Das Team von Christine Rose möchte mit Hilfe von hochauflösenden bildgebenden Techniken intrazellulären Ionenveränderungen in Gliazellen erforschen. Diese Ionensignale sind zum Beispiel entscheidend, um die Hirndurchblutung an den Bedarf der Nervenzellen anzupassen. Sie stellen somit ein entscheidendes Element in der Versorgung der Neurone mit Sauerstoff und Nährstoffen dar. Die Forscher erhoffen sich dadurch auch besser zu verstehen, wie Erkrankungen des Gehirns, zum Beispiel Schlaganfälle, Hirntumore oder Multiple Sklerose, entstehen.

Die DFG unterstützt das Vorhaben mit rund sechs Millionen Euro zunächst für drei Jahre. Nach dieser ersten Phase kann die DFG das Vorhaben weitere drei Jahre fördern. Das Projekt startet Anfang 2014. Neben der Universität des Saarlandes und der Heinrich-Heine-Universität in Düsseldorf sind zwölf weitere deutsche Universitäten sowie renommierte Forschungseinrichtungen wie das Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin in Berlin, das Helmholtz-Zentrum München oder das Max-Planck-Institut für Experimentelle Medizin in Göttingen an diesem Projekt beteiligt.

Fragen beantworten:

Prof. Dr. Frank Kirchhoff
Molekulare Physiologie
Universität des Saarlandes
E-Mail: frank.kirchhoff(at)uks.eu

Prof. Dr. Christine R. Rose
Institut für Neurobiologie
Heinrich Heine Universität Düsseldorf
E-Mail: rose(at)uni-duesseldorf.de

Zu dieser Mitteilung finden Sie Bilder unter:

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Zu den Gliazellen gehören auch die Astrozyten. Diese Astrozyten des limbischen Systems helfen uns beim Lernen und Erinnern.

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Auch die Oligodendrozyten zählen zu den Gliazellen. Die Abbildung zeigt einen einzelnen Oligodendrozyt (grün markiert) der weißen Substanz (einem Teil des Nervensystems) im engen Dialog mit benachbarten Astrozyten (rot markiert).

Kontaktdaten zum Absender der Pressemitteilung stehen unter:
http://idw-online.de/de/institution8

Quelle: Universität des Saarlandes, Melanie Löw, 21.03.2013

Raute

Universität Wien - 21.03.2013

Neue Forschungsergebnisse zur Evolution von Proteinnetzwerken

Organismen werden erst durch die systemweite Vernetzung der Proteine lebensfähig. Funktion und Evolution dieser Proteinnetzwerke zählen derzeit zu den spannendsten Fragen in der Biologie. Der Bioinformatiker Thomas Rattei, Universität Wien, und der Physiker Hernan Makse, City University New York (CUNY), verglichen rekonstruierte Proteinnetzwerke. Die Ergebnisse sind sowohl für die Evolutionsforschung als auch für die Interpretation von Genomsequenzdaten interessant. Aktuell publizieren sie dazu in der renommierten Fachzeitschrift PLOS ONE.

Die Zellen aller Lebewesen bestehen maßgeblich aus Proteinen, die in einem komplexen Miteinander verschiedenste Funktionen ermöglichen. Diese reichen vom Stoffwechsel über den Erhalt und die Steuerung der Zelle bis zum Austausch von Signalen mit anderen Zellen und der Umwelt. Kaum ein Protein wirkt dabei für sich allein - deren systemweite Vernetzung macht die Organismen erst lebensfähig. "Das Wissen um Funktion und Evolution dieser Proteinnetzwerke ist aktuell eine der spannendsten Fragen in der Biologie und z.B. auch in der Krebsforschung bedeutsam", erklärt Thomas Rattei, Leiter des Departments für Computational Systems Biology am Universitätszentrum Althanstraße, sein Forschungsgebiet.

Auf der Suche nach dem Bauplan für Proteinnetzwerke

Durch die Kombination von 20 verschiedenen Bausteinen - den Aminosäuren - ergibt sich eine enorme Vielfalt theoretisch möglicher Proteinvarianten; viel mehr als die geschätzte Anzahl aller Sterne im Universum. Die zufällige Ausbildung einer Wechselwirkung zwischen Proteinen erscheint daher extrem unwahrscheinlich. Wie sich dennoch so komplexe und vielfältige Proteinnetzwerke in den heutigen Lebensformen ausbilden konnten, untersuchten Thomas Rattei, Professor für "In Silico Genomics" an der Universität Wien, und Hernan Makse, Professor für Physik an der City University New York (CUNY), mit ihren jeweiligen Arbeitsgruppen.

Ausgangspunkt des gemeinsamen Forschungsprojekts war eine Hypothese, in welcher der Vervielfältigung von Proteinen im Laufe der Evolution besondere Bedeutung zukommt. Wird das Erbgut eines Proteins im Genom dupliziert, was evolutionär recht oft vorkommt, dann wechselwirken Kopie und Original mit denselben Partnern im Proteinnetzwerk. Verändern sich danach Original und Kopie, können neuartige Proteine mit individuellen Funktionen und eigenen Partnern im Netzwerk entstehen. Somit würden Interaktionen im Netzwerk nicht neu geschaffen, sondern durch Vervielfältigung und Veränderung aus einfacheren Vorläufern entstehen.

Proteinnetzwerke ausgestorbener evolutionärer Vorläufer rekonstruiert

In einem aufwändigen Computerexperiment haben die beiden Arbeitsgruppen um Bioinformatiker Thomas Rattei und Physiker Hernan Makse diese Hypothese überprüft und verfeinert. Hierfür wurde eine neuartige Methode entwickelt, mit der sich aus den Genomen und Proteinnetzwerken heute lebender Organismen die Netzwerke längst ausgestorbener evolutionärer Vorläufer rekonstruieren lassen. Verwendet wurden Daten von sieben Arten aus den verschiedensten Bereichen des Lebens: von Bakterien über Pilze, Pflanzen, Tiere bis hin zum Menschen.

Heutige Netzwerke - komplexe Strukturen durch einfache Mechanismen

Der Vergleich der so rekonstruierten frühen Proteinnetzwerke lieferte ein überraschend eindeutiges Ergebnis: die heutigen Netzwerke lassen sich fast vollständig durch den Mechanismus von Vervielfältigung und Veränderung erklären. Neuartige Wechselwirkungen zwischen bestehenden Proteinen entstehen hingegen extrem selten. Dieses Prinzip scheint in der Evolution universell zu wirken, denn es wurde durch Daten aller untersuchten Organismen bestätigt. Dieser Wachstumsmechanismus könnte auch für andere Typen biologischer Netzwerke wirken, und er erklärt auf einfache Weise besondere Eigenschaften, wie beispielsweise die Selbstähnlichkeit (Fraktalität) in Proteinnetzwerken.

Hilfreich für Interpretation von Genomsequenzdaten und Evolutionsforschung

Die Ergebnisse des gemeinsamen Forschungsprojekts der Universität Wien und der CUNY werden nicht nur für die Evolutionsforschung Bedeutung haben. Sie unterstützen insbesondere die Interpretation von Genomsequenzdaten, die in den letzten Jahren in vielen Bereichen der Biologie und Medizin zur etablierten Methode geworden ist. Diese Zielstellung haben auch zahlreiche aktuelle Projekte des Departments für Computational Systems Biology, das mit systemweiten Forschungsansätzen Krankheitserreger, mikrobielle Gemeinschaften und molekulare Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Organismen analysiert.

Publikation in PLOS ONE:
The evolutionary dynamics of protein-protein interaction networks inferred from the reconstruction of ancient networks.
Yuliang Jin, Dmitrij Turaev, Thomas Weinmaier, Thomas Rattei, Hernan Makse.
In: PLOS ONE, 2013.

Wissenschaftlicher Kontakt
Univ.-Prof. Mag. Dr. Thomas Rattei
Department für Computational
Systems Biology
Universität Wien
1090 Wien, Althanstraße 14 (UZA I)
thomas.rattei@univie.ac.at

Rückfragehinweis
Mag. Veronika Schallhart
Pressebüro der Universität Wien
Forschung und Lehre
1010 Wien, Universitätsring 1
veronika.schallhart@univie.ac.at

Weitere Informationen finden Sie unter
http://dx.plos.org/10.1371/journal.pone.0058134
(Artikel in PLOS ONE)
http://compsysbio.univie.ac.at/personen/rattei/
(Website von Thomas Rattei)

Zu dieser Mitteilung finden Sie Bilder unter:

http://idw-online.de/de/image197827
V.l.n.r.: Thomas Weinmaier, Thomas Rattei, Dmitrij Turaev vom Department für Computational Systems Biology der Universität Wien

http://idw-online.de/de/image197828
Ausschnitt eines Proteinnetzwerks

Kontaktdaten zum Absender der Pressemitteilung stehen unter:
http://idw-online.de/de/institution84

Quelle: Universität Wien, Veronika Schallhart, 21.03.2013

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Quelle:
Informationsdienst Wissenschaft - idw - Pressemitteilung
WWW: http://idw-online.de
E-Mail: service@idw-online.de


veröffentlicht im Schattenblick zum 23. März 2013