Montag, 21.10.2013

Forschung

Schnelle Antwort auf bakterielle Toxine

Exzellenzforschung: Wesentlich dynamischere biologische Strukturen in der Zellkommunikation

Benachbarte Zellen kommunizieren über besondere Strukturen miteinander. Wie schnell diese interzellulären Kommunikationskanäle (Gap Junctions) auf Krankheitserreger reagieren, haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Exzellenzclusters Entzündungsforschung und der Universität zu Lübeck zusammen mit internationalen Arbeitsgruppen jetzt erstmals beschrieben. Die Ergebnisse der Studie wurden jetzt im renommierten Fachjournal "Proceedings of the National Academy of Sciences USA" (PNAS) veröffentlicht.

Benachbarte Zellen sind über kleine Kanäle, die Gap Junctions, miteinander verbunden. Über die Kanäle tauschen sie chemische und elektrische Signale aus und können so im lebenden Gewebe miteinander kommunizieren. Jeweils sechs einzelne Protein-Untereinheiten (Connexine) bilden einen Halbkanal. Zwei Halbkanäle zweier benachbarter Zellen verbinden sich zu einer durchgehenden Pore, über die die Zellen Ionen und kleine Moleküle austauschen. Tausende dieser Poren lagern sich innerhalb der beiden Oberflächenmembranen der Zellen zu einem Gap Junction Plaque zusammen. Diese spielen vor allem in der Herzmuskulatur und als „elektrische Synapsen“ im Gehirn eine wichtige Rolle. Genetische Mutationen in Connexinen sind ursächlich für eine Vielzahl menschlicher Krankheiten wie nicht-syndromische Taubheit.

Bislang dachte man, dass diese zellulären Strukturen relativ fest und langlebig, also über viele Stunden stabil seien. „Wir konnten jetzt zeigen, dass von Bakterien produzierte Gifte innerhalb von wenigen Sekunden dramatische strukturelle Veränderungen in den Gap Junction Plaques auslösen“, sagt Professor Rainer Duden vom Institut für Biologie der Universität zu Lübeck und Mitglied im Exzellenzcluster Entzündungsforschung. Die in der Studie verwendeten Gifte werden von human-pathogenen Bakterien, die Cholera oder Darmruhr auslösen, während einer Infektion ausgeschieden.

Mit Hilfe hochaufgelöster schneller Fluoreszenz-Mikroskopieverfahren erzeugten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler um Duden dreidimensionale Bilder von Gap Junction Plaques. In ihren Experimenten gaben sie fluoreszent markiertes bakterielles Toxin auf Zellen mit Gap Junction Plaques, die sie ebenfalls farblich sichtbar gemacht haben, und verfolgten, wie diese reagieren. „Die durch Toxine innerhalb kürzester Zeit ausgelösten Struktur-Veränderungen innerhalb der Gap Junctions sind reversibel“, sagt Duden. Die Zelle reagiere also aktiv auf den durch das Toxin verursachten Stress und repariere die Gap Junction Plaques, erklärt der Wissenschaftler. Diese Ergebnisse zeigen, dass Gap Junctions wesentlich dynamischere biologische Strukturen sind, als bisher angenommen wurde.

Originalpublikation:
Fast structural responses of gap junction membrane domains to AB5 toxins; Majoul I, Gao L, Betzig E, Onichtchouk D, Butkevich E, Kozlov Y, Bukauskas F, Bennett MLV, Lippincott-Schwartz J, Duden R. Proceedings of the National Academy of Sciences USA (PNAS), 2013
doi: 10.1073/pnas.1315850110

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