Medienmitteilung der Universität Basel vom 11.02.2011

Organismen mit besonderer Anpassungsfähigkeit an ihre Umwelt können unter bestimmten Voraussetzungen eine explosionsartig verlaufende Artbildung in Gang setzen. Dieser für die Biodiversität entscheidende Prozess der «adaptiven Radiation» wurde erstmals von Charles Darwin für die vielgestaltigen Finken der Galápagos-Inseln (Darwin-Finken) beschrieben und seither auch bei der Artbildung einer Vielzahl anderer Tiere und Pflanzen beobachtet. Dass auch Bakterien durch den Erwerb neuer Eigenschaften eine adaptive Radiation auslösen können, wurde nun erstmals von einem internationalen Forscherteam unter Leitung von Prof. Christoph Dehio am Biozentrum der Universität Basel nachgewiesen. Am Beispiel des Krankheitserregers Bartonella konnten die Forscher zeigen, dass sich Bakterien durch den Erwerb einer molekularen Injektionsnadel zum Einspritzen bakterieller Proteine in Wirtszellen sehr viel effizienter an neue Wirtsorganismen wie den Menschen anpassen können. Die gewonnenen Erkenntnisse sind von grundlegender Bedeutung für das Verständnis der Evolution neuartiger Krankheitserreger des Menschen. Die Forschungsergebnisse sind in der aktuellen Ausgabe des US-Fachmagazin PLoS Genetics publiziert.

Der Begriff «adaptive Radiation» beschreibt die rasche Entstehung einer Vielzahl von Arten aus einer Gründerpopulation als Folge der spezifischen Anpassung an verschiedene ökologische Nischen. Dieser fundamentale Prozess der Evolution trägt entscheidend zur Entstehung von Biodiversität bei. Adaptive Radiationen erfolgen immer dann, wenn ein Organismus entweder ein adaptives Merkmal («evolutionary key innovation») neu erwirbt, mit dessen Hilfe er sich schnell an neuartige Nischen anpassen kann, oder wenn ein Organismus mit bestehendem adaptivem Merkmal auf eine fremde Umwelt mit unbesetzten Nischen trifft («ecological opportunity»).

Darwin-Finken: Paradigma der adaptiven Radiation

Das Lehrbuchbeispiel einer solchen explosiv verlaufenden Artbildung sind die Darwin-Finken auf den Galápagos-Inseln. Durch mannigfaltige Anpassung der Schnabelform haben sich bislang 14 bekannte Arten entwickelt, die so unterschiedlichste Nahrungsquellen nutzen können. Weitere Beispiele für adaptive Radiationen finden sich bei den Reptilien, Fischen, Insekten und Pflanzen. Allerdings weiss man bislang vergleichsweise wenig über diesen grundlegenden Artbildungsprozess bei den allgegenwärtigen Bakterien.

Adaptive Raditionen auch in Bakterien

An der Universität Basel haben nun Forschende um den Infektionsbiologen Prof. Dr. Christoph Dehio vom Biozentrum in Zusammenarbeit mit dem Evolutionsbiologen Prof. Dr. Walter Salzburger vom Zoologischen Institut und weiteren internationalen Kollaborationspartnern erstmals ein gut belegtes Beispiel einer adaptiven Radiation bei Bakterien beschrieben und dessen molekulare Grundlage entschlüsselt. Untersucht wurde die Artbildung des bakteriellen Krankheitserregers Bartonella, bei dem jede seiner vielen nah verwandten Spezies jeweils spezifisch an einen bestimmten Säugerwirt und damit an eine ökologische Nische angepasst ist.

Parallele Evolution ermöglicht neue Erkenntnisse zur Entstehung neuer Krankheitserreger

Die detaillierte Untersuchung der Verwandtschaftsverhältnisse der Bartonella-Spezies führte überraschenderweise zum Nachweis von zwei parallel verlaufenden adaptiven Radiationen, wobei sich Abkömmlinge jeweils beider Radiationen an denselben Säugerwirt angepasst haben. Beispiele paralleler Evolution erleichtern die Untersuchung molekularer Evolutionsmechanismen. Die parallel verlaufenden adaptiven Radiationen der Bartonellen konnten auf den unabhängigen Erwerb desselben adaptiven Merkmals zur Wirtsanpassung zurückgeführt werden. Bei diesem Merkmal handelt es sich um eine molekulare Injektionsnadel («Typ-IV-Sekretionssystem»), die einen auf den entsprechenden Säugerwirt angepassten Cocktail aus bakteriellen Wirkproteinen in die infizierten Wirtszellen einspritzt. Da sich Bartonellen auch mehrfach spezifisch an den Menschen als Wirtsorganismus angepasst haben, sind die Forschungsergebnisse in zweifacher Hinsicht von grosser Bedeutung: Einerseits für das grundlegende Verständnis der Evolution neuartiger Krankheitserreger des Menschen, andererseits im Hinblick auf die Erforschung neuer Ansätze zur Bekämpfung dieses Krankheitserregers.

Originalpublikation:
Philipp Engel, Walter Salzburger, Marius Liesch, Chao-Chin Chang, Soichi Maruyama, Christa Lanz, Alexandra Calteau, Aurélie Lajus, Claudine Médigue, Stephan C. Schuster & Christoph Dehio
Parallel evolution of a type IV secretion system in radiating lineages of the host-restricted bacterial pathogen Bartonella.
PLoS Genetics. PLoS Genet 7(2): e1001296. doi:10.1371/journal.pgen.1001296

Externer Link: www.unibas.ch

Presseinformation der Ruhr-Universität Bochum vom 08.02.2011

Zuckerreste regulieren Wachstum und Überleben von Nervenzellen

RUB-Forscher untersuchen Interaktion von Zellen und extrazellulärer Matrix

Bochumer Forscher haben herausgefunden, dass bestimmte Zuckerreste im Rückenmark das Wachstum und Überleben von Nervenzellen steuern, die die Bewegung von Muskeln kontrollieren. „Wir hoffen, dass diese Erkenntnisse die regenerative Behandlung bei Nervenverletzungen verbessern können“, erklärt Prof. Dr. Stefan Wiese aus der Arbeitsgruppe für Molekulare Zellbiologie (Fakultät für Biologie und Biotechnologie). Über diese Zuckerreste in der Umgebung der Zellen, die extrazelluläre Matrix genannt wird, berichten die Forscher im Journal of Neuroscience Research.

Nerven heilen als Vision

Gehirn und Rückenmark bestehen aus mehr als nur aus Nervenzellen. Die extrazelluläre Matrix, ein komplexes Gerüst aus Eiweißen mit Zuckerresten, umgibt die Zellen und beeinflusst deren Wohlergehen. Das Team von Prof. Wiese interessiert sich für die Interaktion der Matrix mit einer bestimmten Art von Nervenzellen, die Signale vom Gehirn an Muskeln weiterleiten (Motoneurone). Verletzte Motoneurone führen zu Lähmungen, so dass Ärzte großes Interesse daran haben, das Wachstum dieser Zellen beeinflussen zu können. „Wenn wir die Möglichkeit hätten, die extrazelluläre Matrix über Medikamente so zu verändern, dass sie das Wachstum und Überleben von Nervenzellen begünstigt, dann wäre das ein großer Schritt bei der Behandlung von Nervenverletzungen nach Unfällen oder auch für die Behandlung von Krankheiten wie etwa Multiple Sklerose“, so Prof. Wiese.

Muskelsteuernde Nervenzellen wachsen lassen

In Zusammenarbeit mit Prof. Dr. Andreas Faissner (Lehrstuhl für Zellmorphologie & Molekulare Neurobiologie, Fakultät für Biologie und Biotechnologie) kultivierte Dr. Alice Klausmeyer aus dem Team von Prof. Wiese Motoneurone aus dem Rückenmark von Mäusen auf verschiedenen Arten der extrazellulären Matrix, von denen die Forscher experimentell bestimmte Zuckerreste (Chondroitinsulfate) entfernten. Durch einen Vergleich der Zellkulturen mit und ohne Zuckerreste konnten sie zeigen, dass diese das Wachstum und Überleben der Motoneurone steuern.

Färben, zählen und messen

Um das Wachstum der Zellen in greifbaren Zahlen auszudrücken, zählten die Bochumer Zellbiologen unter dem Mikroskop, wie viele Fortsätze die Motoneurone gebildet hatten, und maßen den längsten Fortsatz. Mit Hilfe der Fortsätze kommunizieren die Zellen und leiten Signale über große Strecken weiter. Einige der untersuchten Chondroitinsulfat-Zuckerreste wirkten sich positiv auf Länge und Anzahl der Fortsätze aus, andere hatten einen hemmenden Einfluss. Ob das Wachstum der Nervenzellen gefördert oder gehemmt wurde, hing außerdem davon ab, mit welcher Art von extrazellulärer Matrix ein bestimmter Zuckerrest kombiniert war. Des Weiteren färbten die Forscher ein Enzym in den Motoneuronen an, das ein Marker für das Absterben von Zellen ist. Aus dieser Analyse ergab sich, dass die untersuchten Chondroitinsulfat-Zuckerreste nicht nur das Wachstum der Motoneurone regulieren, sondern auch deren Leben verlängern. Die Experimente von Dr. Klausmeyer und ihren Kollegen wurden unter anderem vom RUB-Rektoratsprogramm zur Anschubfinanzierung von Forschungsprojekten des wissenschaftlichen Nachwuchses unterstützt. (Julia Weiler)

Titelaufnahme:
Klausmeyer, A., Conrad, R., Faissner, A., Wiese, S.: Influence of glial-derived matrix molecules, especially chondroitin sulfates, on neurite growth and survival of cultured mouse embryonic motoneurons. In: J. Neurosci. Res. 89:127-41 (2011). DOI: 10.1002/jnr.22531

Externer Link: www.ruhr-uni-bochum.de

Presseinformation der LMU München vom 04.02.2011

Das „ökologisch-responsive“ Genom von Daphnia ist entschlüsselt

Wasserflöhe sind Anpassungskünstler, die schnell auf veränderte Umweltbedingungen reagieren können. Eine im internationalen Daphnia Genomics Consortium zusammengeschlossene Gruppe von Wissenschaftlern, der auch der LMU-Biologe Professor Christian Laforsch sowie die LMU-Biochemiker Dr. Georg J. Arnold und Dr. Thomas Fröhlich, Genzentrum-LAFUGA, angehören, hat nun das Genom des Wasserflohs Daphnia pulex vollständig entschlüsselt. Dabei zeigte sich, dass Wasserflöhe mehr Gene besitzen als alle anderen Tiere, deren Genom bisher sequenziert wurde. Während etwa auch der Mensch nur auf ungefähr 23.000 Gene kommt, verfügt Daphnia pulex über etwa 31.000 Gene. Diese hohe Zahl erklärt sich daraus, dass während der Evolution der Wasserflöhe deren Gene häufiger dupliziert wurden als bei anderen Wirbellosen. Unter bestimmten Umweltbedingungen standen sie dann für die Entwicklung neuer Funktionen zur Verfügung und verleihen den Tieren auch ihre außergewöhnliche Anpassungsfähigkeit. Immerhin ein Drittel der Gene erwies sich als komplett neu und – wie die Untersuchungen der LMU-Forscher zeigten – als besonders aktiv bei ökologischem Stress. (Science online, 4. Februar 2011)

Für die nun vorliegende Entschlüsselung des Daphnia-Genoms unter der Leitung von Dr. John Colbourne, Indiana University Bloomington, USA, untersuchten die LMU-Wissenschaftler Professor Christian Laforsch vom Department Biologie II sowie Dr. Georg J. Arnold und Dr. Thomas Fröhlich vom Laboratorium für funktionale Genomanalyse (LAFUGA) am Genzentrum der LMU die genetische Aktivität von Daphnia pulex.

Mit Hilfe fortgeschrittener massenspektrometrischer Verfahren der Proteinanalyse konnten sie die Produkte aktiver Gene nachweisen und identifizieren. Sogenannte Transkriptionsanalysen, die unter Mitwirkung von Laforsch durchgeführt wurden, wiesen dann nach, dass die neuen Gene besonders aktiv sind, wenn die Wasserflöhe umweltbedingtem Stress ausgesetzt sind: Sie spielen also vermutlich eine wichtige Funktion bei der Anpassung an wechselnde Umweltbedingungen.

„Als zentraler Baustein der Nahrungskette ist der Wasserfloh eine Schlüsselspezies in Süßwasserökosystemen“, sagt Laforsch. „Er reagiert aber auch so sensitiv auf Giftstoffe in der Umwelt, dass er als Indikator für Auswirkungen von Umweltveränderungen gilt. Da zudem über Wasserflöhe eine Fülle von ökologischen und evolutionsbiologischen Erkenntnissen vorliegen, bietet sich Daphnia als idealer Modellorganismus an, um die genetischen Grundlagen der Anpassung an diverse Umweltfaktoren zu analysieren.“

In dieser Funktion könnte sich der Wasserfloh in den gesamten Lebenswissenschaften etablieren, weil das Genom dank der Entschlüsselung nun der Wissenschaft für detaillierte Untersuchungen zur Verfügung steht. So kann unter anderem analysiert werden, welche Genfunktionen mit welchen Merkmalen verbunden sind und welche Rolle die Gene bei der Anpassung an wechselnde Umweltbedingungen – etwa den Klimawandel – spielen. (göd)

Publikation:
The Ecoresponsive Genome of Daphnia pulex;
Colbourne, J.K., M.E. Pfrender, D. Gilbert, W.K. Thomas, A. Tucker, T.H. Oakley, S. Tokishita, A. Aerts, G.J. Arnold, M. Kumar Basu, D.J. Bauer, C.E. Cáceres, L. Carmel, C. Casola, J.-H. Choi, C. Detter, Q. Dong, S. Dusheyko, B.D. Eads, T. Fröhlich, K.A. Geiler-Samerotte, D. Gerlach, P. Hatcher, S. Jogdeo, J. Krijgsveld, E.V. Kriventseva, D. Kültz, C. Laforsch, E. Lindquist, J. Lopez, J.R. Manak, J. Muller, J. Pangilinan, R.P. Patwardhan, S. Pitluck, E.J. Pritham, A. Rechtsteiner, M. Rho, I.B. Rogozin, O. Sakarya, A. Salamov, S. Schaack, H. Shapiro, Y. Shiga, C. Skalitzky, Z. Smith, A. Souvorov, W. Sung, Z. Tang, D. Tsuchiya, H. Tu, H. Vos, M. Wang, Y.I. Wolf, H. Yamagata, T. Yamada, Y. Ye, J.R. Shaw, J. Andrews, T.J. Crease, H. Tang, S.M. Lucas, H.M. Robertson, P. Bork, E.V. Koonin, E.M. Zdobnov, I. Grigoriev, M. Lynch and J.L. Boore;
Science online, 4. Februar 2011

Externer Link: www.uni-muenchen.de