Neues Protein für die Weitergabe von Erbmaterial entdeckt

Nahezu sämtliches Erbmaterial ist im Zellkern zu finden. Nur ein kleiner, aber lebenswichtiger Teil befindet sich auch in den Mitochondrien, den «Kraftwerken» der Zelle. Diese sind Relikte aus Urzeiten: Ursprünglich waren Mitochondrien nämlich freilebende Bakterien, die wie alle Bakterien eigene Erbinformation besassen. Vor etwa zwei Milliarden Jahren hat dann eine Zelle ein solches Bakterium in sich aufgenommen. «Aber anstatt wie üblich das Bakterium zu verspeisen, hat sie es als Haustier behalten», erklärt Prof. André Schneider vom Departement für Chemie und Biochemie der Universität Bern. Der Grund dafür war, dass das Bakterium aus den im Zellinneren vorhandenen Nährstoffen auf sehr effiziente Weise Energie gewinnen konnte, die auch für die Wirtszelle nützlich war.

Im Laufe der Zeit hat das Bakterium dann seine Eigenständigkeit aufgegeben und sich langsam in das Mitochondrium verwandelt. Vieles deutet zudem darauf hin, dass die Fähigkeit dieser «Zellorgane», effizient Energie zu produzieren, eine Voraussetzung für die Entwicklung des Zellkerns war. «Die Bildung des Mitochondriums ist deshalb, neben der Entstehung der ersten Zelle überhaupt, das wohl wichtigste Ereignis in der Geschichte des Lebens», sagt Schneider. Denn komplexe Zellen, aus denen alle von blossem Auge sichtbaren Lebensformen bestehen, besitzen immer ein Mitochondrium und einen Zellkern.

Nun hat die Forschergruppe um André Schneider ein Protein entdeckt, das eine zentrale Rolle bei der Vererbung der Mitochondrien-DNA spielt. Dabei handelt es sich um einen grundlegenden zellbiologischen Prozess, der für alle Zellen, die einen Zellkern haben, von Bedeutung ist. Die Studie wurde jetzt in den «Proceedings of the National Academy of Sciences» (PNAS) veröffentlicht.

Parasiten als Studienobjekte

Warum das Mitochondrium einen kleinen Rest von DNA für sich zurückbehielt, anstatt es vollständig an seine Wirtszelle abzugeben, ist ungeklärt. Dieser ursprünglich vom «Haustier», dem urzeitlichen Bakterium, stammende DNA-Rest ist jedoch für das Überleben der Wirtszelle essenziell. Dies schafft ein Problem, denn die Zelle muss sicherstellen, dass bei jeder Teilung sowohl das Erbmaterial der Mitochondrien als auch ihr eigenes Erbmaterial im Zellkern an die Tochterzellen weitergegeben werden. Ein Protein, das bei diesem Prozess eine zentrale Rolle spielt, wurde nun von der Forschergruppe um André Schneider entdeckt. Dazu wurde die mitochondrielle Vererbung in Trypanosomen untersucht.

Trypanosomen sind tropische parasitäre Einzeller, die für die tödliche Schlafkrankheit im südlichen Afrika und für eine Reihe von Tierseuchen verantwortlich sind. Sie sind jedoch nicht nur gefährliche Krankheitserreger, sondern auch sehr ursprüngliche Organismen, die sich sehr früh in der Evolution von praktisch allen anderen aus komplexen Zellen aufgebauten Organismen abgespalten haben. Sie besitzen im Unterschied zu diesen nur ein einziges Mitochondrium, dessen DNA konzentriert in einem kleinen Klumpen an einer genau definierten Stelle zu finden ist. Aus diesem Grund lässt sich die Mitochondrien-DNA von Trypanosomen besonderes gut im Mikroskop beobachten.

Ansatzpunkt für neue Therapien gegen tödliche Krankheit

Der DNA-Klumpen ist durch die beiden mitochondriellen Membrane hindurch mit der Geissel verbunden, welche den Trypanosomen die Fortbewegung erlaubt. Das neu entdeckte Protein befindet sich auf der Aussenhülle des Mitochondriums – und zwar genau zwischen der Mitochondrien-DNA und der Basis der Geissel. Wird das Protein durch genetische Tricks entfernt, so führt dies zu einem Unterbruch der Verbindung zwischen dem Erbmaterial und der Geissel. Die Aufteilung der Mitochondrien-DNA ist aber mit derjenigen der Geissel gekoppelt. Fehlt nun das Protein, funktioniert der Aufteilungsprozess nicht mehr und die Zellen sterben ab. Zudem entdeckte die Forschergruppe, dass das Protein zur selben Familie gehört wie Proteine, die auch in anderen Organismen mit der Vererbung der Mitochondrien-DNA in Verbindung gebracht werden.

Anhand der exotischen Trypanosomen wurden hier also Prinzipien der mitochondriellen Vererbung entdeckt, die generelle Gültigkeit haben. «Da die Trypanosomen zudem für die schwierig zu behandelnde Afrikanische Schlafkrankheit verantwortlich sind, könnte das entdeckte Protein durchaus auch für neue Therapieansätze in Betracht gezogen werden», sagt Schneider.

Angaben zur Publikation:

Felix Schnarwiler, Moritz Niemann, Nicholas Doiron, Anke Harsman, Sandro Käser, Jan Mani, Astrid Chanfon, Caroline E. Dewar, Silke Oeljeklaus, Christopher B. Jackson, Mascha Pusnik, Oliver Schmidt, Chris Meisinger, Sebastian Hiller, Bettina Warscheid, Achim C. Schnaufer, Torsten Ochsenreiter, André Schneider: Trypanosomal TAC40 constitutes a novel subclass of mitochondrial β-barrel proteins specialized in mitochondrial genome inheritance, Proceedings of the National Academy of Sciences, Mai 2014, DOI: 10.1073/pnas.1404854111