03.02.2012 von PaulWutz.

Pressemeldung der Universität Erlangen-Nürnberg vom 24.01.2012

Infektionsbiologen der FAU entdecken therapeutisches Potenzial von Wurmparasiten

Erlanger Infektionsbiologen haben neue Erkenntnisse darüber gewonnen, wie unser Körper besser vor Allergien und Autoimmunreaktionen geschützt werden kann: Eine Arbeitsgruppe um David Vöhringer, Professor für Infektionsabwehr und Toleranz an der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) und Leiter der Infektionsbiologischen Abteilung am Mikrobiologischen Institut des Universitätsklinikums Erlangen, konnte einen positiven Effekt von Wurmparasiten auf bestimmte Formen von T-Helferzellen nachweisen. Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler vor Kurzem in dem renommierten Journal of Immunology. Ziel der Erlanger Forscher ist es nun herauszufinden, wie die Würmer das Immunsystem beeinflussen, um neue Ansätze zur Entwicklung wirksamer Medikamente zu liefern.

Das Immunsystem schützt uns vor einer Vielzahl von Krankheitserregern. Dabei spielen T-Helferzellen eine zentrale Rolle. Sie sind an der Aktivierung von Fresszellen und Bildung von Antikörpern beteiligt, die in den Körper eindringende Bakterien und Viren bekämpfen. Normalerweise also greifen T-Helferzellen körpereigenes Gewebe nicht an – bei Autoimmun-Erkrankungen wie beispielsweise Multipler Sklerose oder Typ-I-Diabetes liegt allerdings ein Verlust dieser Toleranz vor: Hier entwickeln sich T-Helferzellen des Typs Th1 und Th17, die beide eine starke Entzündungsreaktion auslösen.

Interessanterweise treten Autoimmunkrankheiten in Ländern mit geringen Hygienestandards seltener auf. „Eine Hypothese besagt, dass eine Infektion mit Wurmparasiten, die in diesen Ländern häufig vorkommen, vor ungewollten Reaktionen des Immunsystems wie Allergie und Autoimmunität schützen kann“, erklärt Prof. Vöhringer. Wie das genau geschieht, darüber ist bisher jedoch wenig bekannt.

Die Arbeitsgruppe um Prof. Vöhringer hat nun neue Erkenntnisse für einen möglichen Mechanismus gewonnen. Die Forscher konnten zeigen, dass bei Mäusen, die mit dem Wurmparasiten Nippostrongylus brasiliensis infiziert wurden, die für Autoimmunprozesse verantwortlichen Th1- und Th17-Zellen zu Th2-Zellen umprogrammiert werden können. Th2-Zellen schütten Botenstoffe aus, die einen hemmenden Einfluss auf Th1- oder Th17-vermittelte Immunreaktionen haben. „Damit ist uns erstmals ein konkreter Nachweis dafür gelungen, dass Wurmparasiten einen positiven Effekt auf die Umprogrammierung von T-Zellen und damit auf unser Immunsystem haben“, sagt Prof. Vöhringer.

Die Erlanger Infektionsforscher untersuchen nun, wie diese unerwartete Flexibilität von T-Zellen künftig therapeutisch genutzt werden kann. Dazu ist es zunächst notwendig, die verantwortlichen Komponenten der Parasiten zu isolieren. Mittelfristiges Ziel ist es, die Pharmaindustrie bei der Entwicklung wirksamer Medikamente gegen Autoimmun-Krankheiten zu unterstützen.

Externer Link: www.uni-erlangen.de

Geschrieben in Biotechnologie, Hochschule | Comments Off

30.01.2012 von PaulWutz.

Medienmitteilung der Universität Basel vom 23.01.2012

Forschende des Biozentrums der Universität Basel haben einen über die gesamte biologische Evolution konservierten regulatorischen Mechanismus aufgeklärt, der die bisher weitgehend unerforschte Enzymfamilie der Fic-Proteine in einen inaktiven Grundzustand zwingt. Die Gruppen von Prof. Christoph Dehio und Prof. Tilman Schirmer konnten zeigen, dass durch die Veränderung einer einzigen Aminosäure diese Hemmung der Enzymaktivität aufgehoben wird. Die in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift «Nature» publizierten Ergebnisse erlauben es zukünftig, die potenziell tödliche Funktion der Fic-Proteine in Bakterien und höheren Lebewesen aufzuklären.

Fic-Proteine kommen in den meisten Lebensformen vom einfachen Bakterium bis zum Menschen vor. Erst wenige Vertreter dieser Proteinfamilie mit etwa 3000 Mitgliedern wurden bisher untersucht. Es handelt sich dabei um Enzyme, die andere Proteine durch das Anheften einer Adenosinmonophosphat-Gruppe (AMP), Teil des wichtigen Energieträgers ATP, chemisch verändern. Diese als AMPylierung bezeichnete Reaktion modifiziert gezielt die Funktion der Zielproteine.

Am besten untersucht ist die Funktion der Fic-Proteine von krankheitserregenden Bakterien, die in die Wirtszelle eingeschleust werden, um dort zelluläre Signalproteine zum Vorteil des Krankheitserregers zu verändern. Die Mehrheit der Fic-Proteine entfaltet aber vermutlich ihre Wirkung unmittelbar in der Zelle, in der sie produziert werden. Warum aber bisher nur für wenige Vertreter dieser Fic-Proteine eine biochemische Funktion nachgewiesen werden konnte, war bisher unverstanden. Den Grund hierfür haben nun die Forschungsgruppen des Infektionsbiologen Prof. Christoph Dehio und des Strukturbiologen Prof. Tilman Schirmer gefunden.

Das Zentrum der Enzymaktivität von Fic-Proteinen ist blockiert

Die Forscher konnten zeigen, dass ein Aminosäurerest (Glutamat-Finger) in das aktive Zentrum von Fic-Proteinen hineinragt. Dieser verhindert eine produktive Bindung des ATP und erklärt den inaktiven Grundzustand dieser Enzyme. Erstaunlicherweise ist es dabei unerheblich, ob der hemmende Aminosäurerest Teil des Fic-Proteins selbst oder aber Teil eines separaten Proteins (genannt Antitoxin) ist. Erst wenn dieser Glutamat-Finger durch Veränderung des Erbguts zurechtgestutzt wird oder das ganze Antitoxin entfernt wird, erwacht die Aktivität des Enzyms – mit teilweise drastischen Konsequenzen für die betroffenen Zellen. So stellen bakterielle Zellen das Wachstum ein, während menschliche Zellen sogar sterben können.

Interdisziplinärer Forschungserfolg

Dieser Durchbruch gelang den beiden Forschungsgruppen durch die Kombination von Methoden aus der Mikrobiologie, Zellbiologie, Strukturbiologie und Bioinformatik. Atomare räumliche Strukturen von Fic-Proteinen wurden mittels Röntgenkristallografie durch die Schirmer-Gruppe an der Swiss Light Source (Villigen PSI) bestimmt und liessen die detaillierte Geometrie des aktiven Zentrums des Enzyms mit dem hemmenden Glutamat-Finger erkennen. Die Gruppe von Dehio wiederum konnte durch Kombination von Funktionsstudien und Mutagenese die hemmende Rolle dieses Glutamat-Fingers nachweisen und durch umfangreiche Proteinsequenzvergleiche die allgemeine Bedeutung der Entdeckung aufzeigen.

Auf der Basis der gewonnenen Erkenntnisse sind nunmehr die meisten Vertreter der umfangreichen Fic-Proteinfamilie einer funktionellen Untersuchung zugänglich geworden. Weiterhin können Wissenschaftler mit diesem Wissen künftig detailliert den molekularen Mechanismus der Aktivierung von Fic-Proteinen unter natürlichen Bedingungen untersuchen.

Originalbeitrag:
Philipp Engel, Arnaud Goepfert, Frédéric V. Stanger, Alexander Harms, Alexander Schmidt, Tilman Schirmer & Christoph Dehio
Adenylylation control by intra- or intermolecular active-site obstruction in Fic proteins
Nature, published online 22 January 2012 | doi: 10.1038/nature10729

Externer Link: www.unibas.ch

Geschrieben in Biotechnologie, Hochschule | Comments Off

13.01.2012 von PaulWutz.

Pressemitteilung der Universität Heidelberg vom 09.01.2012

Heidelberger Forscher entdecken unerwartete Genauigkeit der Wechselwirkung von Membranbausteinen

Biochemiker der Universität Heidelberg haben mit Hilfe eines neu entwickelten Verfahrens Licht in die bisher weitgehend unerforschte Funktionsweise von Membranbausteinen gebracht. Die Wissenschaftler am Biochemie-Zentrum der Universität Heidelberg (BZH) entdeckten in Zusammenarbeit mit Bioinformatikern der Universität Stockholm in der biologischen Membran, die eine Zelle eines Organismus umgibt, eine hochspezifische Erkennung und Wechselwirkung zwischen dem wasserabstoßenden Teil eines Proteins und eines Lipids. Der Lipidbaustein reguliert in der wasserabstoßenden Phase von biologischen Membranen einen intrazellulären Transportprozess. Bisher hatte die Forschung eine derartige Wechselwirkung in Membranen für nicht wahrscheinlich gehalten. Die Forschungsergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „Nature“ veröffentlicht.

„Diese neue und unerwartete Rolle eines Membran-Lipidbausteins ist deshalb aufregend, weil biologische Membranen aus mehr als 1.000 verschiedenen Lipidbausteinen aufgebaut sind, die exakt mit einigen der mehr als 10.000 Membranproteine binden und damit deren Aktivität regulieren können“, erklärt Prof. Dr. Felix Wieland vom BZH, der die Forschergruppe zusammen mit Dr. Britta Brügger leitet. „Mit diesen Befunden ist die Tür offen zur Erforschung eines neuartigen molekularen Mechanismus der Kontrolle zellulärer Aktivitäten.“ Die Heidelberger Wissenschaftler arbeiteten bei ihren Untersuchungen mit den Forschungsgruppen von Prof. Dr. Gunnar von Heijne und Prof. Dr. Erik Lindahl in Stockholm zusammen.

Organismen funktionieren durch eine Vielzahl exakter Bindungen unterschiedlicher biologischer Bausteine miteinander. Wie die Grundprinzipien solcher hochspezifischer Wechselwirkungen im wässrigen Milieu in Zellen funktionieren, ist der Wissenschaft bereits bekannt. „Im Gegensatz dazu stellt man sich den inneren, wasserabstoßenden Raum biologischer Membranen weitgehend wie ein Öl vor, in dem Proteine herumschwimmen“, erläutert Prof. Wieland. „Die Prinzipien der spezifischen Erkennung von Bausteinen in diesem ‚öligen Meer aus Lipiden’ sind bisher wenig bekannt. Das liegt daran, dass die Prinzipien der spezifischen Bindung im Wässrigen nicht auf nicht-wässrige Phasen anwendbar sind, außerdem stehen noch nicht lange empfindliche Methoden zur Bestimmung von Membran-Lipiden zur Verfügung.“

Um zu verstehen, wie der Transport von Membranvesikeln in einer Zelle funktioniert, arbeiteten die Wissenschaftler Methoden aus, mit denen man alle Lipidbausteine einer biologischen Membran mit hoher Empfindlichkeit auch mengenmäßig genau erfassen kann. „Bei der Untersuchung solcher Vesikel fiel uns auf, dass ihre Lipidzusammensetzung sich von den Membranen unterschied, aus denen sie gebildet worden waren“, erläutert Dr. Brügger. „Dieser Unterschied konnte nur erklärt werden, wenn man annahm, dass in der Membran eine hochspezifische Erkennung zwischen den Bausteinen möglich ist.“ Die Forscher entwickelten daher ein Verfahren zur Vermessung solcher Wechselwirkungen in der Lipidphase im Reagenzglas. Damit konnten sie Befunde aus der lebenden Zelle bestätigen und ein Strukturmerkmal im betreffenden Protein charakterisieren, das für die Spezifität der Wechselwirkung verantwortlich ist. „,Transplantiert’ man diesen Strukturteil in ein anderes Protein, welches vorher nicht in der Lage war, den Lipidbaustein zu erkennen, dann erwirbt dieses Protein die Fähigkeit seiner spezifischen Erkennung“, erklärt Prof. Wieland.

Die Forscher erkannten auch eine Funktion dieser exakten Wechselwirkung: Durch seine Bindung stimuliert das Lipid sein Protein dazu, sich mit einem identischen Protein zusammenzuschließen. Nur das daraus resultierende „Doppelprotein” kann zur Bildung eines Transportvesikels beitragen. „Der Lipidbaustein übernimmt also die Rolle eines ‚Kofaktors’ und reguliert damit einen zellulären Prozess“, erklärt Prof. Wieland. Bisher haben die Wissenschaftler in Heidelberg und Stockholm bereits rund 50 Membranprotein-Kandidaten identifiziert, die allein mit den verschiedenen Mitgliedern einer Membranbausteinfamilie ähnlich spezifische Wechselwirkungen eingehen könnten.

Originalpublikation:
F-X. Contreras, A.M. Ernst, P. Haberkant, P. Björkholm, E. Lindahl, B. Gönen, C. Tischer, A. Elofsson, G. von Heijne, C. Thiele, R. Pepperkok, F. Wieland, B. Brügger: Molecular recognition of a single sphingolipid species by a protein’s transmembrane domain. Nature (8. Januar 2012), doi: 10.1038/nature10742

Externer Link: www.uni-heidelberg.de

Geschrieben in Biotechnologie, Hochschule | Comments Off

14.12.2011 von PaulWutz.

Medienmitteilung der Universität Basel vom 12.12.2011

Kleinste Antikörperfragmente, sogenannt Nanobodies, lassen sich in der Forschung erfolgversprechend einsetzen. Die Forschungsgruppe von Prof. Markus Affolter am Biozentrum der Universität Basel hat erstmals eine Methode entwickelt, mit der sich Nanobodies zur gezielten Beeinflussung und Steuerung von Proteinfunktionen im Körper einsetzen lassen. Die Forschungsergebnisse, die nun in der US-Zeitschrift Nature Structural and Molecular Biology veröffentlicht werden, können auch neue Möglichkeiten zur Behandlung schwerer Krankheiten liefern.

Während der Einsatz von Antikörpern in Forschung und Wissenschaft sowie im Rahmen medikamentöser Therapien bereits zur Routine geworden ist, finden sogenannte Nanobodies, kleinste Antikörperfragmente aus Kamelen, bislang in der Wissenschaft nur wenig Anwendung. Der Forschungsgruppe von Markus Affolter am Biozentrum der Universität Basel ist es nun gelungen, einen Nanobody, der gegen GFP (Green Fluorecent Protein) gerichtet ist, so zu funktionalisieren, dass er erfolgreich in der Grundlagenforschungsarbeit eingesetzt werden kann.

Dank dessen Eigenschaft, GFP Fusionsproteine abzubauen, konnten die Forschenden den Einfluss des Nanobodies auf die Proteinfunktion im lebenden Organismus verfolgen. Als Modell zur Untersuchung ihrer Methode diente die Fruchtfliege Drosophila. Die Forschungsergebnisse sind insofern von Bedeutung, als sich zukünftig mithilfe von Nanobodies Proteinfunktionen im lebenden Organismus schneller und gezielter untersuchen und steuern lassen als mit herkömmlichen Methoden.

Nanobody vs. Antikörper

Proteine im Zellinneren künstlich durch Antikörper zu inaktivieren, ist normalerweise nicht möglich, da Antikörper aus einer Kette von tausend Aminosäuren bestehen und in Zellen weder eintreten noch darin funktionieren. Nanobodies haben lediglich eine Grösse von etwa 100 Aminosäuren. Diese stark reduzierte Grösse und ihre Eigenschaft, sich im Zellinneren zu funktionsfähigen Proteinen zu falten, machen Nanobodies für die Grundlagenforschung so interessant.

Obwohl sie sich ebenso wie Antikörper zur Blockierung von Proteinfunktionen einsetzen lassen, fanden Nanobodies in der Wissenschaft bislang keine grosse Beachtung. Durch ein genetisch gesteuertes Verfahren hat Emmanuel Caussinus aus Affolters Forschungsgruppe nun eine Methode entwickelt, mit deren Hilfe sich Nanobodies an andere Funktionen koppeln lassen, die es erlauben, Proteine in lebendigen Lebewesen durch die künstlich hergestellten GFP-Nanobodies gezielt zu steuern und zu regulieren. Nanobodies könnten nun für die Forschung, aber auch zu Therapiezwecken immer mehr an Bedeutung gewinnen.

Therapiemöglichkeiten durch Nanobodies

Proteine sind ein Hauptbestandteil aller Lebewesen und halten sämtliche Lebensfunktion im Körper aufrecht. Fehlerhafte Proteine können zu Krankheiten führen. Als Immunantwort setzt der Organismus seine im Körper hergestellten Antiköper ein, um solch pathogene Eindringlinge zu bekämpfen. Sie sind zentraler Bestandteil des Immunsystems und können die fehlerhaften Proteine nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip gezielt ausschalten.

In der Medizin werden vielfach auch synthetisch hergestellte Antikörper eingesetzt, um so Krankheiten wie Asthma, Rheuma oder Krebs zu behandeln. Die Herstellung solcher Antikörper ist jedoch ein höchst aufwendiges und teures Verfahren. Nanobodies könnten den Einsatz solch synthetisch hergestellter Antikörper zukünftig nicht nur in der Forschung, sondern auch bei der Therapie von Krankheiten langfristig ablösen. Ihr Einsatz könnte zudem Therapien ermöglichen, die auf die Regulierung von zellinternen Proteinen abzielen, eine Anwendung, die mit konventionellen Antikörpern nicht möglich ist.

Originalbeitrag:
Emmanuel Caussinus, Oguz Kanca & Markus Affolter
Fluorescent fusion protein knockout mediated by anti-GFP nanobody
Nature Structural & Molecular Biology, Published online 11 December 2011 | doi: 10.1038/nsmb.2180

Externer Link: www.unibas.ch

Geschrieben in Biotechnologie, Hochschule | Comments Off

25.11.2011 von PaulWutz.

Pressemitteilung der Universität Bonn vom 18.11.2011

Forscher unter Beteiligung der Universität Bonn entschlüsseln das Genom des Schneckenklees

Der Schneckenklee ernährt sich im wahrsten Sinn des Wortes von Luft: Er holt sich mit Hilfe von Bakterien den Stickstoffdünger aus der Atmosphäre. Ein internationales Forscherteam unter Beteiligung der Universität Bonn und des Max-Planck-Instituts für Pflanzenzüchtungsforschung in Köln hat das Genom dieser Pflanze sequenziert, um die Gene zu finden, die für ihre besondere Fähigkeit verantwortlich sind. Eine Verdopplung des Genoms vor etwa 58 Millionen Jahren scheint entscheidend für die Ausprägung dieser nützlichen Eigenschaft gewesen zu sein. Die Wissenschaftler veröffentlichen ihre Ergebnisse nun in der aktuellen Ausgabe des renommierten Fachmagazins „Nature“.

Der Schneckenklee Medicago truncatula hat wie andere Hülsenfrüchtler eine ganz besondere Fähigkeit: Er holt sich den Stickstoffdünger, den er braucht, aus der Luft. Dabei helfen ihm Bakterien (Rhizobien), die in speziellen Knöllchen an der Pflanzenwurzel leben. „Diese Mikroorganismen haben die Fähigkeit, den Luftstickstoff zu binden und für den Schneckenklee verfügbar zu machen“, sagt Prof. Dr. Heiko Schoof vom Institut für Nutzpflanzenwissenschaften und Ressourcenschutz der Universität Bonn. Der Schneckenklee und die Rhizobien profitieren beide von der Lebensgemeinschaft: Die Pflanze erhält den begehrten Stickstoffdünger und kann dadurch auch auf nährstoffarmen Standorten gedeihen, die Bakterien werden durch Ausscheidungen der Kleewurzel angelockt und ernährt.

Warum „düngen“ sich Pflanzen selbst, während andere darben?

Schon seit langem fragt sich die Wissenschaft, warum die meisten Hülsenfrüchtler (Fabaceae) über Stickstoff bindende Wurzelknöllchen verfügen, während die meisten anderen Pflanzenfamilien allein auf die Nährstoffe im Boden angewiesen sind. Ein internationales Team aus 30 Wissenschaftlern unter Beteiligung der Universität Bonn und des Max-Planck-Instituts (MPI) für Pflanzenzüchtungsforschung in Köln hat deshalb nun das Erbgut des Schneckenklees genauer untersucht. „Bei der Sequenzierung der Gene von Medicago truncatula entdeckten wir etliche Erbgutabschnitte, die sich sehr ähnlich sind und gleich zweifach vorliegen“, sagt der Bioinformatiker Prof. Schoof von der Universität Bonn, der als Gastforscher auch am MPI in Köln arbeitet. „Wir haben klare Hinweise darauf, dass sich vor etwa 58 Millionen Jahren das Erbgut der Pflanze verdoppelt hat.“ Solche Dopplungen konnten etwa bereits auch bei der Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) festgestellt werden. Im Schneckenklee, wie die Forscher nun fanden, stehen aber besonders viele doppelt vorliegende Gene im Zusammenhang mit den Stickstoff bindenden Wurzelbakterien.

Was wie ein „Unfall“ klingt, hat klare Vorteile

Solche Genomduplikationen werden - nicht nur in Pflanzen - häufiger beobachtet. Wie sie genau entstehen, ist noch nicht geklärt. „Was zunächst wie ein Unfall klingt, hat für den Schneckenklee aber klare Vorteile“, sagt der Bioinformatiker. Ein Erbgutsatz steht dann der Evolution zur Verfügung und kann durch Veränderung neue Anpassungen an die Umwelt hervorbringen. Der zweite erfüllt dann quasi die Funktion einer Sicherungskopie. Falls die Veränderung eines Proteins seine ursprüngliche Funktion zerstört, kann diese von der „Sicherungskopie“ weiter erfüllt werden. Das veränderte Protein bleibt dann erhalten, falls seine neue Funktion vorteilhaft ist.

Bonner und Kölner Team sagte die Funktion von Genen vorher

Das Team des Bioinformatikers der Universität Bonn, der zuvor am Max-Planck-Institut für Pflanzenzüchtungsforschung eine Nachwuchsgruppe leitete, prognostizierte insbesondere die Funktionen der einzelnen Gene. „Wir vergleichen die Gensequenzen mit bekannten Proteinen“, berichtet Schoof. Diese Proteine kommen aus verschiedenen Organismen und wurden auf ihre Funktion untersucht. „Ein solches Protein kann zum Beispiel ein Enzym sein, das im Organismus einen ganz bestimmten Stoff umwandelt“, sagt der Bioinformatiker. Mit seiner Gruppe arbeitet er an Methoden, um solche bekannten Proteinfunktionen auf unbekannte Sequenzen zu übertragen.

Nur bestimmte doppelte Gene blieben übrig

„Im Lauf der Evolution verschwinden viele duplizierte Gene relativ schnell, sie sind nicht notwendig für das Überleben der Pflanze“, berichtet Prof. Schoof. „Hauptsächlich Duplikate, die eine neue Funktion oder Rolle entwickeln, bleiben erhalten.“ Die Wissenschaftler fragten sich anhand der vorhergesagten Proteinfunktionen, ob im Schneckenklee bestimmte Proteine bevorzugt verdoppelt vorliegen. Dies kann Hinweise geben, welche Funktionen eine nützliche Anpassung darstellten – so wie beim Schneckenklee die Fähigkeit, Stickstoff bindende Bakterien einzubauen. „Die Studie gibt uns tiefe Einblicke, wie Pflanzen solche besonderen Eigenschaften erwerben“, sagt der Bioinformatiker. Noch handelt es sich um Grundlagenforschung. „Stickstoff ist von Anfang an ein entscheidender Faktor in der landwirtschaftlichen Nutzung von Pflanzen gewesen“, sagt Schoof. „Für die Steigerung von Erträgen und die Nachhaltigkeit, beispielsweise die Entstehung von klimaschädlichen Gasen, kann die Verbesserung der Effizienz der Stickstofffixierung einen wesentlichen Beitrag leisten.“ Das Erbgut des Schneckenklees stellt dabei eine entscheidende Referenz dar, welche die Forschung in verschiedenen, vor allem auch landwirtschaftlich bedeutenden Hülsenfrüchtlern erleichtert. (Johannes Seiler)
 
Publikation:
The Medicago genome provides insight into the evolution of rhizobial symbiosis, Fachmagazin „Nature“, DOI:10.1038/nature10625

Externer Link: www.uni-bonn.de

Geschrieben in Biotechnologie, Hochschule | Comments Off