Neuer Signalweg bei Bakterien entdeckt

6. Juni 2009, 17:56
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Nun wird in Wien untersucht, ob Arginin-Kinasen auch beim Menschen vorkommen

Wien - Forscher am Wiener Institut für Molekulare Pathologie (IMP) haben eine Enzymart bei Keimen identifiziert, die Signale auf bisher unbekannte Weise überträgt. Die Entdeckung könnte die Entwicklung neuartiger, gezielt wirkender Antibiotika ermöglichen. Die Studie über Kinase, die in der Stressreaktion von Bakterien eine Rolle spielen könnte, wird in der neuesten Ausgabe der US-Wissenschaftszeitschrift "Science" publiziert.

Hintergrund

Proteine sind Ketten aus Aminosäuren, die sich im Raum zu dreidimensionalen Strukturen falten. Sie werden von einer zelleigenen Maschinerie produziert, die die Anweisungen der DNA in die Reihenfolge der Kettenglieder übersetzt. Die entstandene Aminosäurekette ist jedoch meist nur das Ausgangsprodukt für weitere Verfeinerungen, die im Anschluss an die Synthese stattfinden.

Modifikationen

Wissenschafter entdecken immer neue Modifikationen, mit denen Proteine aufgepeppt werden: durch Anhängen von kleinen Molekülen, Bildung von chemischen Brücken, Abspalten von Aminosäuren oder Anfügen und Durchtrennen von Eiweißketten wird das Funktionsspektrum der entstandenen Proteine um ein Vielfaches erweitert. Möglich wurde der Nachweis dieses Feintunings vor allem durch die immer sensibleren Methoden der Massenspektrometrie.

Phosphorylierung

Eine der häufigsten und wichtigsten Modifikationen ist die Phosphorylierung. Durch Hinzufügen und Abspalten von Phosphatresten kann die Funktion eines Proteins sehr präzise kontrolliert werden. Wie mit einem molekularen Schalter werden auf diese Weise etwa Enzyme ein- und ausgeschaltet. Die Zelle nutzt dieses reversible System unter anderem, um Signale von außen aufzunehmen und weiterzuleiten. Der Mechanismus ist bewährt, er wurde von den einzelligen Bakterien bis zum Menschen beibehalten.

Die Überträger der Phosphatreste, die Kinasen, spielen daher in allen Organismen eine zentrale Rolle im Stoffwechsel. Sie sind auch an der Entstehung von Krankheiten und am Wachstum von Tumoren beteiligt und daher ein wichtiger Angriffspunkt bei der Entwicklung von neuen, selektiv wirkenden Medikamenten.

Entdeckung

Eine IMP-Wissenschaftergruppe mit dem Erstautor Jakob Fuhrmann hat jetzt eine neue Klasse von Kinasen identifiziert. Mit biochemischen und strukturbiologischen Methoden gelang es der Gruppe um Tim Clausen, eine sogenannte Arginin-Kinase zu identifizieren. Die Forscher isolierten das Enzym aus Bacillus stearothermophilus, einem wärmeliebenden Bodenbakterium.

Die neu beschriebene Kinase trägt die Bezeichnung McsB und spielt eine Rolle bei der Stressantwort des Bakteriums. Mit Stress - wie zum Beispiel Hitze - umzugehen, ist für alle Lebewesen eine große Herausforderung. Gerade Mikroorganismen haben dabei oft erstaunliche Strategien entwickelt. Bakterien, die in Zellen eindringen und Krankheiten auslösen, sind zum Beispiel umso krankmachender, je besser sie sich gegen Fieber wappnen können.

B. stearothermophilus selbst ist kein Krankheitserreger, kann aber Lebensmittel verderben. Der Organismus fühlt sich bei Temperaturen um 55 Grad Celsius am wohlsten. Das hat für die Forscher den Vorteil, dass seine Proteine sehr stabil sind und auch gröbere Untersuchungsmethoden überstehen.

Interessante Anbindung

Bei Hitzestress wird das Enzym McsB aktiv. Es überträgt einen Phosphatrest an ein Regulatorprotein namens CtsR, das normalerweise an DNA gebunden ist und dort das Ablesen von Stressgenen blockiert. Mit der Phosphorylierung ändern sich die Ladungsverhältnisse, die Bindung an DNA geht verloren. Was den Vorgang für die Wissenschaft so interessant macht: McsB hängt die Phosphatgruppe an die Aminosäure Arginin an und nicht wie sonst üblich an Serin, Threonin oder Tyrosin.

Zusammenarbeit

Der Nachweis dafür war nicht leicht zu führen, für die Analyse von Phosphoarginin musste eine neue Methode entwickelt werden. Besonders hilfreich dabei war die enge Zusammenarbeit mit der IMP-IMBA Servicegruppe für Massenspektrometrie unter Karl Mechtler. Auch eine Arbeitsgruppe der Max F. Perutz Laboratories war an dem Projekt beteiligt - ein Beispiel für erfolgreiche interdisziplinäre Zusammenarbeit am Campus Vienna Biocenter.

Ausblick

Fuhrmann: "Der neue und seltene Signalweg könnte medizinisch interessant werden, etwa als Angriffsziel für spezifisch wirkende Antibiotika. Es sieht so aus, als könnten wir das Enzym auch in einem anderen Bakterien identifizieren. In höheren Zellen haben wir es bisher nicht gefunden."

Wäre die Kinase ein "exklusiver" Bestandteil des Signalweges von Bakterien, könnte es ein Ziel für neue antibakterielle Medikamente darstellen. Immerhin sind Krankheitserreger wie Staphylokokken und Listerien enge Verwandte des untersuchten Bazillus und besitzen die gleichen Stressgene. In einem nächsten Schritt wollen die IMP-Forscher nun untersuchen, ob Arginin-Kinasen auch beim Menschen vorkommen. (APA)

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