Signalmolekül gibt grünes Licht für Zellteilung: Wie das auf molekularer Ebene geschieht, beschreiben Schweizer Wissenschaftler in der aktuellen Ausgabe von «Nature».
Evolutionäre Ziel aller Lebewesen ist es, Nachkommen zu zeugen. Der Zellzyklus koordiniert dabei die Reproduktion einzelner Zellen. Im Jahr 2001 wurde für die Entdeckung, wie dieser Vorgang in Eukaryoten – unter dem Begriff werden alle Lebewesen zusammengefasst, deren Zellen einen Zellkern besitzen – gesteuert wird, der Nobelpreis vergeben. Die Forschungsgruppe von Prof. Urs Jenal vom Biozentrum der Universität Basel hat nun den zentralen Schalter für die Zellvermehrung in Bakterien gefunden.
c-di-GMP kontrolliert bei Bakterien den Zellzyklus
Der Botenstoff c-di-GMP ist nur ein winziges, aber für nahezu alle Bakterien überlebenswichtiges Molekül. Denn das kleine Signalmolekül für Zellteilung bestimmt, wie sich eine Bakterienzelle verhält und spielt eine entscheidende Rolle bei der Vermehrung von Bakterien. Die Forschergruppe um Prof. Jenal hat entdeckt, dass oszillierende Konzentrationen des Botenstoffs die Aktivität nachfolgender Proteine beeinflusst und so den Zellzyklus und die Reproduktion der Bakterien steuern.
Signalmolekül für Zellteilung stellt Ampel an Kontrollpunkten
Wenn sich eine Zelle teilt, entstehen aus einer Mutterzelle zwei Tochterzellen. Zuvor muss die Zelle verschiedene Phasen vom Wachstum über die Verdoppelung der Erbinformation bis zur eigentlichen Zellteilung durchlaufen. Dieser Kreislauf wird auch als Zellzyklus bezeichnet. In der aktuellen Studie konnten die Schweizer Infektionsbiologen nun zeigen, dass der Signalbotenstoff c-di-GMP ähnlich wie eine Ampel den Zellzyklus im Modellbakterium Caulobacter crescentus kontrolliert. Fehlt c-di-GMP in der Zelle, so steht die Ampel auf Rot – die Zelle verbleibt dadurch in der ersten Phase des Zellzyklus. Steigt der c-di-GMP-Spiegel, springt die Ampel auf Grün und die Zelle tritt in die nächste Phase ein.
Signalmolekül c-di-GMP steuert ein Enzym mit zwei Wirkungsweisen
Die Rolle der Ampel übernimmt dabei ein Enzym, das auf zweierlei Weisen wirkt. „Wenn kein c-di-GMP vorhanden ist, dann blockiert es den Vorgang, der zur Vermehrung der bakteriellen Erbinformation führt“, erklärt Prof Jenal. „Sobald jedoch c-di-GMP produziert wird, dockt es an das Enzym an und verändert dadurch dessen Struktur und Wirkungsweise. Das Enzym hebt nun die Blockade auf und das Bakterienchromosom kann kopiert werden.“
Der Forschergruppe von Prof. Jenal ist es somit gelungen, eine Verbindung zwischen zwei grossen regulatorischen Netzwerken von Bakterienzellen – den kleinen Signalbotenstoffen und den Enzymen – herzustellen. Dies ist eine wichtige Grundlage, um die wesentlich komplizierteren c-di-GMP-Netzwerke von Krankheitserregern zu untersuchen. Auch die gefährlichen Erreger von Cholera und Lungenentzündung nutzen dieses c-di-GMP-Signalsystem. Ob das Signalmolekül dort genauso agiert wie im Modellbakterium C. crescentus, soll in weiteren Studien herausgefunden werden.
Bild: Proteine, die das Signalmolekül c-di-GMP herstellen (gelb), kontrollieren den Zellzyklus von Caulobacter. © Universität Basel, Biozentrum
Quelle: Lori C, Ozaki S, Steiner S, Böhm R, Abel S, Dubey BN, Schirmer T, Hiller S, and Jenal U. Cyclic di-GMP acts as a cell cycle oscillator to drive chromosome replication.
Nature; published online 6th May 2015
http://www.biozentrum.unibas.ch/de/news/news-details/article/small-signaling-molecule-gives-green-light-for-cell-division/
