Presseinformation der LMU München vom 11.03.2011

Zelluläres Enzym wird vor viraler Freisetzung aktiv

Das Humane Immundefizienz-Virus (HIV) – der Erreger der Immunschwächekrankheit AIDS – dringt in menschliche Immunzellen ein und lässt sie neue Virionen produzieren, die dann selbst neue Zellen befallen. Ein Team um den LMU-Forscher Professor Don C. Lamb und Privatdozentin Barbara Müller vom Universitätsklinikum Heidelberg hat nun die Beteiligung bestimmter zellulärer Komponenten an der Freisetzung der Virionen analysiert und festgestellt, dass das Enzym VPS4A dabei eine aktivere Rolle spielt als bisher angenommen. Dieses Molekül war bisher nur als Akteur nach der Abschnürung der Viruspartikel aufgefallen. Dank hoch entwickelter Mikroskopietechnik konnten die Forscher nun aber nachweisen, dass mehrere Komplexe aus jeweils einem Dutzend VPS4A-Molekülen an der Stelle der Zellmembran aktiv wird, an der kurz darauf ein neu synthetisiertes Virion freigesetzt wird. „Wir können so erstmals im Detail zeigen, wie zelluläre Proteine mit HIV in der Zelle interagieren, damit neue Viren entstehen. Letztendlich ist es unser Ziel, den gesamten Lebenszyklus von HIV zu beleuchten“, sagt Lamb. „Mit unseren Methoden können wir zudem den Effekt von Therapeutika in der Zelle beobachten, um sie möglicherweise zu verbessern oder um neue Wirkstoffe zu entwickeln.“ (Nature Cell Biology online, 10. März 2011)

Viren sind Freibeuter: Sie schleusen ihr Erbgut in Wirtszellen ein und programmieren diese so um, dass der zelluläre Stoffwechsel neue Viren synthetisiert. Für seine Freisetzung aus den befallenen menschlichen Immunzellen benutzt HIV auch zelluläre Komponenten. Der sogenannte ESCRT-Komplex etwa spielt in der Zelle eine wichtige Rolle bei der Beladung und Abschnürung zellulärer Transportvesikel. HIV nutzt ESCRT, um beim Austritt des Virions die Verbindung zwischen Virushülle und Zelloberfläche zu kappen. VPS4A ist Teil der ESCRT-Maschinerie und war bisher für seine Rolle beim Recycling des Komplexes bekannt: das Enzym sorgt dafür, dass Komponenten des ESCRT-Komplexes nach erfolgtem Einsatz wieder freigesetzt und an anderer Stelle verwendet werden können.

Ohne VPS4A kommt es aber gar nicht erst zur Abschnürung, wie sich jetzt zeigte: Die Forscher markierten das Enzym mit dem grün fluoreszierenden Protein GFP. Dieser biologische Marker ist im Mikroskop sichtbar und verrät so auch den Aufenthaltsort des Moleküls, an den er gebunden ist. So zeigten kleine fluoreszierende Lichtblitze an, dass sich mehrere VPS4A-Enzyme zu einem größeren Komplex zusammenschlossen. „In diesem Fall konnten wir sogar zählen, wie viele Enzymmoleküle in einem bestimmten Zeitraum interagieren“, sagt Müller.

Komplexe aus etwa drei VPS4A Dodecameren werden für etwa eine Minute an der Virusknospe aktiv, was sich als fluoreszentes Blitzlichtgewitter im Mikroskop verfolgen ließ. Wo die Enzymkomplexe versammelt waren, trat dann kurz darauf das Virion aus. Weil die Freisetzung nicht unmittelbar auf die enzymatische Aktivität folgt, vermuten die Forscher noch einen weiteren zwischengeschalteten Prozess.

Dieser lässt sich möglicherweise in Nachfolgeprojekten aufklären. „Schließlich erlaubt uns unsere Methodik nun, den Zusammenbau einzelner Virionen zu betrachten. Für die Zukunft arbeiten wir an Methoden, mit denen wir den gesamten Lebenszyklus von HI-Viren aufklären können“, sagt Lamb. „Schon jetzt können wir auf Ebene eines einzelnen Virus einzelne Schritte in der Zelle verfolgen, etwa auch welche Moleküle interagieren und in welcher Geschwindigkeit. Damit steht uns offen, therapeutische Wirkstoffe zu markieren und dann ihre Effekte in der Zelle zu verfolgen: Medikamente könnten auf diesem Weg verbessert oder überhaupt erst entwickelt werden.“

Die Untersuchung entstand im Rahmen der Exzellenzcluster „Center for Integrated Protein Science Munich“ (CIPSM), Nanosystems Initiative Munich (NIM) und „CellNetworks“ Heidelberg. Außerdem wurden die Arbeiten im Rahmen des Schwerpunktprogrammes 1175 „Dynamik von zellulären Membranen und ihre Ausnutzung durch Viren“ von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert. (göd)

Publikation:
„Dynamics of HIC budding site interactions with an ESCRT component visualized in live cells“;
V. Baumgärtel, S. Ivanchenko, A. Dupont, M. Sergeev, P.W. Wiseman, H.-G. Kräusslich, C. Bräuchle, B. Müller, D.C. Lamb;
Nature Cell Biology; doi: 10.1038/ncb2215

Externer Link: www.uni-muenchen.de

Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 16.03.2011

KIT-Wissenschaftler haben zusammen mit Kollegen der University of British Columbia eine biokompatible Schutzschicht für Implantate entwickelt, die das Besiedeln mit Bakterien verhindert.

Infektionen an Implantaten sind gefürchtete Komplikationen bei medizinischen Eingriffen. Rund 2 bis 6 Prozent aller Patienten sind davon betroffen. Wissenschaftlern des KIT-Instituts für Funktionelle Grenzflächen (IFG) ist es gelungen, eine Schutzschicht zu entwickeln. Sie verhindert, dass Bakterien Implantate besiedeln und durch das Entstehen gefährlicher Biofilme schwerwiegende Infektionen auslösen. Im Tierversuch erwies sich die Schutzschicht als hochwirksam und zugleich als zellverträglich. Die Ergebnisse wurden in der Online-Ausgabe von „Biomaterials“ veröffentlicht.

In Zusammenarbeit mit Kollegen der University of British Columbia haben die IFG-Wissenschaftler zunächst in einem Screening-Verfahren Verbindungen darauf getestet, ob sie eine Infektion an einer Oberfläche abwehren können. Sie untersuchten anti-mikrobielle Peptide (AMPs), kleine Eiweiße, die aus einer kurzen Kette von Aminosäuren bestehen. Diese AMPs sind hochinteressant für die Infektionsbekämpfung, weil sie sowohl gramnegative als auch grampositive Bakterien, aber auch Pilze, Viren oder Parasiten abtöten können, also eine Breitbandwirkung haben.

In einem nächsten Schritt wurden Peptide mit antibiotischer Wirkung mittels Polymeren auf Implantat-Oberflächen fixiert. Das Konstrukt, das in der Form an eine Flaschenbürste erinnert, hat mehrere Vorteile: „Durch den Träger und seine besondere Form konnten wir die Konzentration an Peptiden erhöhen. Die Fixierung verhindert zugleich eine Diffusion der anti-mikrobiellen Peptide“, so Projektleiter Dr. Kai Hilpert.

Bereits jetzt gibt es Ansätze, Implantate mit anti-mikrobiellen Stoffen  zu tränken, um eine lokale Infektion zu verhindern. Dieses Verfahren erwies sich jedoch bis jetzt als wenig Erfolg versprechend wenn nicht gar als kontraproduktiv. „Durch die Diffusion der Antibiotika bildet sich ein Konzentrationsgradient, der die Resistenzbildung der Bakterien fördert“, erläutert Hilpert. Auch besteht bei dieser Methode die Gefahr der so genannten adaptiven Resistenz. „Durch den Gradienten können sich Bakterien früh auf den Wirkstoff einstellen und Abwehrstrategien aktivieren. Dadurch überleben sie eine höhere Konzentration des Antibiotikums“, so Hilpert.

Für die Infektionen sind Biofilme an den Implantaten verantwortlich. Sie entstehen, wenn sich Bakterien an dem Implantat festsetzen. „Die Bakterien entlassen bestimmte Substanzen, die ein Gerüst bilden, in dem Bakterien dreidimensional aufwachsen und sich innerhalb dieses Systems spezialisieren können“, so Hilpert. Biofilme sind um ein Vielfaches widerstandsfähiger gegenüber Antibiotika. Um Bakterien in Biofilmen abzutöten, müssen die Antibiotika-Konzentrationen bis um das 1000-fache erhöht werden. „Erstaunlicherweise verhindern in unserem Konstrukt die AMPs auch die Biofilmbildung“, erklärt Hilpert. Wurden beschichtete Implantat-Stücke in eine Nährlösung mit sehr hoher Konzentration von Bakterien gelegt, stellten die Wissenschaftler im Unterschied zu unbeschichteten Implantaten kaum einen Bewuchs mit Bakterien fest. Die Wirksamkeit konnte auch im Tierversuch nachgewiesen werden. Zugleich belegten Versuche in Zellkultur und an Ratten, dass die Schutzschicht biokompatibel, also unschädlich für Körperzellen ist. Bisher wurden die Beschichtungen an Titanoberflächen untersucht, da dieses Material in sehr vielen Implantaten vorkommt. „Das gleiche Prinzip lässt sich aber auch auf anderen Oberflächen anwenden, beispielsweise bei Kathetern aus Kunststoff“, so Hilpert.

„Die Ergebnisse von Dr. Hilpert und seinen Kollegen eröffnen eine neue und attraktive Option für die Beschichtung von Implantaten. Momentan werden am IFG die zugrundeliegenden Wirkungsmechanismen intensiv erforscht und die technologischen Grundlagen für eine schnelle Umsetzung entwickelt, damit baldmöglichst mit klinischen Studien begonnen werden kann“, zeichnet IFG-Direktor Prof. Dr. Christof Wöll die weiteren Perspektiven auf. (rl)

Externer Link: www.kit.edu

Medienmitteilung der Universität Basel vom 04.03.2011

Der Proteinkomplex mTORC2 (Target of Rapamycin Complex) in Säugetieren hat eine zentrale Kontrollfunktion für das Zellwachstum und wird durch direkte Interaktion mit einem Ribosom aktiviert. Die Hauptfunktion der Ribosomen in der Zelle ist die Proteinbiosythese, kurz die Herstellung von Proteinen. Dass Ribosomen durch eine Aktivierung des Proteinkomplexes mTORC2 auch eine zentrale Rolle in Signalwegen des Zellwachstums und damit bei der Entstehung von Krebs spielen, hat die Forschungsgruppe von Prof. Mike Hall am Biozentrum der Universität Basel nun erstmals nachgewiesen. Die Ergebnisse sind jetzt im US-Journal Cell veröffentlicht.

TOR (Target of Rapamycin) ist ein zentrales Steuerungselement für das Zellwachstum und spielt damit eine entscheidende Rolle für die Entwicklung und Alterung eines Lebewesens. TOR kommt in allen Eukaryonten – von der Hefe bis zum Menschen – vor. Es ist in der Zelle Bestandteil von zwei grösseren Proteinkomplexen, TORC1 und TORC2 (mTORC1 und mTORC2 in Säugetieren), die sich in ihrer Struktur und Funktion unterscheiden. Aktivierte Komplexe mTORC1 und mTORC2 führen zu Zellwachstum, in der Regel von gesunden, manchmal jedoch auch von Krebszellen.

Man wusste bereits, dass der Proteinkomplex mTORC1 durch verschiedene Wachstumsfaktoren, Nährstoffe sowie den Energiestatus der Zelle aktiviert wird und kannte die zugehörigen Mechanismen. Über die Regulierung von mTORC2 hingegen konnte man bisher nur sagen, dass die Aktivierung des Komplexes ausschliesslich über Wachstumsfaktoren erfolgt. Wie das genau geschieht, war nicht bekannt. Die Erforschung des Mechanismus zur Aktivierung des mTORC2-Signalweges in gesunden oder Krebszellen ist daher eine zentrale Fragestellung für Halls Forschungsgruppe.

Ribosomen aktivieren mTORC2

Das Ribosom als Bestandteil aller Zellen in jedem Lebewesen ist bekannt als „Maschine“ zur Herstellung von Proteinen. Nun sind Ribosomen von Halls Forschungsgruppe als Aktivatoren von mTORC2 identifiziert worden: Die direkte Interaktion zwischen Ribosom und mTORC2 in einer Zelle führt zur Aktivierung des Proteinkomplexes und damit zu Zellwachstum, in gesunden oder auch in Krebszellen. Diese Interaktion wird durch den Botenstoff PI3K stimuliert. Da die Ribosomenkonzentration die Rate der Proteinbiosynthese und damit die Wachstumsfähigkeit einer Zelle bestimmt, wird mTORC2 nur in wachstumsfähigen Zellen aktiviert. So ist im Umkehrschluss sichergestellt, dass bei geringer Ribosomenkonzentration mTORC2 inaktiv bleibt und nicht in der Lage ist, zu einem ungeeigneten Zeitpunkt das Zellwachstum anzuregen. Auf diese Weise wird mTORC2 durch die Wachstumsfähigkeit der Zelle reguliert.

Halls Forschungsgruppe hat diesen Regulationsprozess im Zuge eines genetischen Screenings bei Hefezellen entdeckt und kann die neuen Erkenntnisse auch in Säugetierzellen nachweisen. Dies ist nur möglich, weil TOR und seine Regulierung in Laufe der Evolution stark konserviert worden sind, da sie bei allen Eukaryonten eine lebenswichtige Rolle spielen.

TOR-Signalwege wichtig für Therapie von Krebs

Da die Entwicklung verschiedener Krankheiten wie Krebs, Herz-Kreislauf-Erkrankungen, Diabetes oder Adipositas mit Störungen des TOR-Signalweges in Verbindung stehen, sind Halls Forschungsergebnisse von grosser medizinischer Bedeutung. Für zukünftige Therapieansätze könnte ein medikamentöser Eingriff in die TORC2-Ribosomen-Interaktion ein vielversprechender Ansatzpunkt für die Behandlung dieser Krankheiten sein.

Prof. Hall entdeckte in den 1990er Jahren mit seiner Forschungsgruppe das Protein TOR und beschrieb dessen Rolle als zentrales Kontrollelement für das Zellwachstum. 2002 entdeckte er zudem die beiden TOR-Proteinkomplexe. Halls Gruppe erforscht derzeit, wie genau die Interaktion zwischen Ribosom und TORC2 in der Zelle abläuft und welche Rolle TORC1 und TORC2 bei der Entstehung schwerwiegender Krankheiten spielen.

Originalbeitrag:
Vittoria Zinzalla, Daniele Stracka, Wolfgang Oppliger, and Michael N. Hall
Activation of mTORC2 by Association with the Ribosome
CELL, Journal, Volume 144, Issue 5, DOI: 10.1016/; PII

Externer Link: www.unibas.ch