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Isabella Moll, Max F. Perutz Laboratories der Universität Wien, Hauptautorin der Studie
 
Infektiologie 30. September 2011

Wiener Forschergruppe entdeckt neue Stressreaktion in Bakterien

Bakterien reagieren permanent auf Veränderungen ihrer Lebensbedingungen. Insbesondere jene, die andere Lebewesen infizieren, sind der Reaktion des Immunsystems ihres Wirts – Temperaturschwankungen, unterschiedliche pH-Werte, Antibiotika oder Nährstoffmangel – ausgesetzt. Das verursacht Stress. Um diese "unwirtlichen" Bedingungen zu überleben, haben Bakterien entsprechende Anpassungsstrategien entwickelt.

Molekularbiologin Isabella Moll und ihr Team von den Max F. Perutz Laboratories der Universität Wien haben nun einen neuen Mechanismus zum Überleben der Bakterien entdeckt, der nicht auf dem Ein- bzw. Ausschalten von Genen beruht, sondern auf der gezielten Veränderung der Ribosomen.

Die meisten Stressreaktionen basieren auf Veränderung der Transkription. Bei der Transkription werden die aktiven Gene abgelesen, und es entsteht die mRNA (messenger RNA). Nach dieser Vorlage werden dann von den Ribosomen Proteine zusammengesetzt (Translation). "Die Strategie, die wir entdeckt haben, setzt bei der Translation an und erlaubt den Bakterien eine Art 'Feinjustierung' ihrer Stressantwort", erklärt die Hauptautorin der Studie, Isabella Moll.

"Altruistischer Selbstmord"

Die ForscherInnen haben dazu einen bereits bekannten Mechanismus – das sogenannte Toxin/Antitoxin-System MazEF – am E.-Coli-Bakterium unter die Lupe genommen. Es besteht aus zwei hintereinander liegenden Gensequenzen, die jeweils für ein Gift und ein Gegengift – in diesem Fall MazF und MazE – codieren. Unter normalen Bedingungen halten die beiden ein Gleichgewicht. Steht die Zelle unter Stress, gerät das chemisch instabilere Gegengift MazE ins Hintertreffen, und MazF entfaltet seine toxische Wirkung. Es baut den Großteil der mRNA-Moleküle ab, wodurch die Proteinproduktion der Zelle unterdrückt wird.

Das wirkt auf den ersten Blick absurd, löst aber einen durchaus sinnvollen Prozess aus: Unter ungünstigen Umweltbedingungen, etwa durch Antibiotika oder Nahrungsmangel, begeht ein Teil der Bakterien auf diese Weise sozusagen "altruistischen Selbstmord". Durch den programmierten Zelltod stehen den anderen, überlebenden Zellen wieder vermehrt Nährstoffe zur Verfügung, was insgesamt zum Überleben der Population beiträgt.

Überraschende Doppelfunktion

"Wir haben aber beobachtet, dass nicht die gesamte Proteinproduktion betroffen war. Ein kleiner Teil der Proteine wurde trotzdem erzeugt", erzählt Moll. "Da wollten wir natürlich wissen, warum das so ist, und wie das auf molekularer Ebene funktioniert".

Das Team untersuchte, wie MazF die mRNAs zerstört und konnten zeigen, dass bei bestimmten mRNAs die spezifische "Erkennungssequenz" am Anfang abgeschnitten wird. Die dadurch entstehenden "leaderless" mRNAs werden von den Ribosomen nicht mehr als Proteinvorlage erkannt.

Gleichzeitig entdeckten die Forscher aber auch, dass MazF auch einen Teil der Ribosomen verändert: Das Toxin schneidet einen funktionell wichtigen Teil der ribosomalen RNA ab, wodurch die Spezifität der Ribosomen verändert wird. Diese speziellen "Stress-Ribosomen" erlauben dann nur noch die gezielte Translation der "leaderless" mRNAs und produzieren daher nur noch jene Proteine, die zur Stressantwort gebraucht werden. "MazF hat also keine ausschließlich destruktive Funktion, wie bisher angenommen, sondern spielt vielmehr eine regulierende Rolle bei der Stressreaktion", so Moll.

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Publikation:
Oliver Vesper, Shahar Amitai, Maria Belitsky, Konstantin Byrgazov, Anna Chao Kaberdina, Hanna Engelberg-Kulka and Isabella Moll. Selective Translation of Leaderless mRNAs by Specialized Ribosomes Generated by MazF in Escherichia coli. In: Cell (2011), doi:10.1016/j.cell.2011.07.047

Die Max F. Perutz Laboratories (MFPL) sind ein gemeinsames Forschungs- und Ausbildungszentrum der Universität Wien und der Medizinischen Universität Wien am Campus Vienna Biocenter. An den MFPL sind rund 450 WissenschafterInnen in über 60 Forschungsgruppen mit Grundlagenforschung im Bereich der Molekularbiologie beschäftigt.


Quelle: Universität Wien

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