Reaktivierung ohne Risiko

Presseinformation der LMU München vom 01.12.2017

Chemische Modifikationen der DNA steuern, wann welches Gen aktiv ist. LMU-Wissenschaftler haben einen neuen Weg entschlüsselt, wie die Zelle stillgelegte Gene wieder aktivieren kann, ohne die DNA zu beschädigen.

Jede Zelle enthält alle in den Genen festgelegten Erbinformationen. Allerdings werden nur die Informationen abgelesen und umgesetzt, die von der Zelle benötigt werden – auf diese Weise können unterschiedliche Zelltypen mit spezifischen Funktionen entstehen. Welche Gene aktiv sind und welche abgeschaltet werden, wird auf der Ebene der DNA durch kleine chemische Modifikationen reguliert. Damit die Zelle die Genaktivität regulieren kann, müssen die Aktivierung oder Inaktivierung von Genen reversibel sein, damit sie die Modifikationen also auch wieder rückgängigmachen kann. LMU-Wissenschaftler um Professor Thomas Carell haben nun einen neuen Mechanismus zur Reaktivierung stillgelegter Gene identifiziert, der im Gegensatz zum bisher bekannten Weg ohne potenziell schädliche Zwischenstufen auskommt. Über ihre Ergebnisse berichten die Wissenschaftler im Fachmagazin Nature Chemical Biology.

Für die Regulation der Genaktivität spielt die Methylierung bestimmter DNA-Bausteine – der Cytidine – eine wichtige Rolle. Durch die Übertragung einer Methylgruppe auf unmethyliertes Cytidin entsteht das sogenannte 5-Methylcytidin, von dem bekannt ist, dass es die Genaktivität hemmt. „Eine zentrale Frage ist nun, wie die Zelle den Ausgangszustand wieder herstellen kann, wenn sie also die Inaktivierung aufheben will“, sagt Carell. Um das Gen zu reaktivieren, muss die Methylgruppe entfernt werden. Bisher ging man davon aus, dass das methylierte Cytidin dazu komplett aus der DNA herausgeschnitten und durch eine unmethylierte Form ersetzt wird. Während dieses Prozesses können allerdings Brüche in einem oder sogar beiden DNA-Strängen entstehen, die unrepariert schwerwiegende Folgen für die Zelle haben.

„Wir konnten in embryonalen Stammzellen der Maus nun zeigen, dass es auch einen anderen Weg gibt, der ohne ein Zerschneiden der DNA auskommt“, sagt Carell. Bei diesem Weg wird die Methylgruppe oxidert, wodurch das sogenannte 5-Formylcytidin entsteht, das Carells Team bereits 2011 in Stammzellen der Maus entdeckt hat. Im 5-Formylcytidin fällt die oxidierte Methylgruppe dann ab, übrig bleibt wieder unmethyliertes Cytidin. „Dieser neue Mechanismus macht es möglich, die Genaktivität zu regulieren, ohne dass die DNA selbst beschädigt wird“, erklärt Carell. Nach Ansicht der Wissenschaftler ist dieser Prozess auch medizinisch interessant, denn mit seiner Hilfe könnten möglicherweise Zellen gezielt umprogrammiert und so neue Chancen in der regenerativen Medizin eröffnet werden.

Publikation:
Nature Chemical Biology 2017

Externer Link: www.uni-muenchen.de

Akrobatik-Duo in der Zelle

Medienmitteilung der Universität Basel vom 08.12.2017

Wie ein Akrobaten-Duo verleihen sich auch einige Proteine gegenseitig Stabilität. Forscher vom Biozentrum der Universität Basel haben herausgefunden, dass das Protein «Trigger Faktor» seinen Partner anhand von instabilen, beweglichen Abschnitten erkennt und zusammen mit ihm ein stabiles Protein-Duo bildet. Die Studie ist in der aktuellen Ausgabe von «Nature Communications» erschienen.

Falsch gefaltete Proteine sind funktionsuntüchtig und schädigen die Zelle. Um dies zu verhindern, gibt es ein ganzes Arsenal von Proteinen – Chaperone genannt –, die als Faltungshelfer und Qualitätskontrolleuren agieren. Im Bakterium Escherichia coli schützt das Chaperon «Trigger Faktor» (TF) neu hergestellte Proteine vor einer Fehlfaltung. Die Forschungsgruppe von Prof. Sebastian Hiller vom Biozentrum der Universität Basel konnte nun erstmals zeigen, dass sich TFs auch gegenseitig erkennen und stabilisieren. So wie der einzelne Akrobat eines Duos, stehen TF-Chaperone allein auf ziemlich wackeligen Füssen. Erst als Paar finden sie eine stabile Position.

Chaperone als Faltungshelfer für andere Proteine

In einer einzigen Bakterienzelle produzieren mehr als 10’000 Ribosomen Proteine am laufenden Band. Diese Fabriken verbinden die einzelnen Bestandteile eines Proteins zu einer langen Kette und schleusen diese durch einen engen Gang nach aussen. Das Chaperon TF, welches am Ausgang des Ribosoms hängt, nimmt die frisch produzierte Peptidkette in Empfang, schirmt sie von der Umgebung ab und hilft ihr dabei, sich korrekt zu falten. Hat das Protein seine richtige räumliche Struktur gefunden, wird es vom Chaperon entlassen und kann sich seinen Aufgaben in der Zelle widmen.

Ob Akrobat oder Chaperon – nur im Duo stabil

In der Zelle sind deutlich mehr TF-Proteine als Ribosomen vorhanden. Nur so kann sichergestellt werden, dass die abertausenden von Ribosomen vollständig besetzt sind und alle neugebildeten Proteine sofort abgefangen werden. Die überzähligen TF-Proteine sind jedoch keine Einzelgänger, sondern bilden wie zwei Akrobaten ein stabiles Duo mit einem Partner. Diesen finden sie dabei ganz von selbst.

«Bei den ungebundenen TF-Proteinen ist der Bereich, der sonst an das Ribosom bindet, lokal ungünstig gefaltet und daher energetisch instabil», erklärt Hiller. «Auf der Suche nach einer energetisch günstigen, stabilen Struktur, orientiert sich dieser labile Abschnitt permanent um. Die TFs sind in der Lage, solche dynamischen Bereiche eines Proteins aufzuspüren, auch untereinander.» Indem sich zwei instabile TF-Proteine zusammentun und wie Akrobaten an den kritischen Stellen verbinden, bilden sie ein stabiles räumliches Arrangement.

Chaperone erkennen dynamische Proteinabschnitte

«Die neuen Erkenntnisse über die Dynamik und die Bildung von stabilen TF-Duos erlauben wichtige Rückschlüsse auf die Funktionsweise von Chaperonen. Sie erkennen und binden nicht einzelne feste Protein-Strukturen, sondern ein dynamisches Ensemble von unterschiedlichen räumlichen Anordnungen», sagt Hiller. «Es zeichnet sich langsam ab, dass diese Funktionsweise ein allgemein gültiges Muster bei Chaperonen ist.» Diese Wirkungsweise der Faltungshelfer aufzuklären und auf atomarer Ebene zu verstehen, ist weltweit ein grosses Anliegen der Forschergemeinschaft. Denn Probleme bei der Faltung von Proteinen stehen auch in Verbindung mit verschiedenen Erkrankungen wie zum Beispiel der Stoffwechselkrankheit Zystische Fibrose, Krebs oder Alzheimer.

Originalbeitrag:
Leonor Morgado, Björn M. Burmann, Timothy Sharpe, Adam Mazur, Sebastian Hiller
The dynamic dimer structure of the chaperone Trigger Factor
Nature Communications (2017), doi: 10.1038/s41467-017-02196-7

Externer Link: www.unibas.ch

technologiewerte.de – MOOCblick Dezember 2017

Spannende Themen, herausragende Dozenten und flexible Lernmöglichkeiten tragen zum wachsenden Erfolg der Massively Open Online Courses (MOOCs) bei – offene, internetgestützte Kurse mit einer Vielzahl an Teilnehmern rund um den Globus.

Folgender Kurs – zu finden auf der MOOC-Plattform edX – sollte einen Blick wert sein:

Analyze your Genome!
Pavel Pevzner (The University of California, San Diego) et al.
Start: 15.12.2017 / Arbeitsaufwand: 16-40 Stunden

Externer Link: www.edx.org

Mit Kugeln optimal messen

Presseinformation (Forschung Kompakt) der Fraunhofer-Gesellschaft vom 01.12.2017

Bioreaktoren sind die Kochtöpfe der Biochemiker und Biotechnologen, in denen Arzneiwirkstoffe, Enzyme oder Fadenwürmer zur biologischen Schädlingsbekämpfung hergestellt werden. Man nehme eine Nährlösung, gegebenenfalls Wärme, Sauerstoff, Säure oder Lauge zur Regulierung des pH-Wertes und es entsteht das gewünschte Produkt. Je optimaler die Bedingungen, desto größer der Ertrag. Fraunhofer Forscher haben jetzt Messsonden in Kugelform entwickelt, mit denen sich der Herstellungsprozess besser überwachen und effizienter gestalten lässt.

Die richtige Temperatur entscheidet darüber, wie gut sich Mikroorganismen oder Zellen in einem Bioreaktor kultivieren lassen. Obwohl sich die Wärme im Reaktor unterschiedlich verteilt, ist die Temperatur bisher nur punktuell mit Stabsonden messbar, die durch vordefinierte Löcher gesteckt werden. »Mit unseren mobilen, etwa erbsengroßen Sensorkugeln können wir die Temperatur an vielen Orten gleichzeitig erfassen. Dadurch ist es möglich, die Wärmezufuhr exakt so zu regulieren, dass sie für den Herstellungsprozess optimal ist«, sagt Tobias Lüke, der die neuen Sens-o-Spheres-Messkugeln am Fraunhofer-Institut für Elektronische Nanosysteme ENAS in Kooperation mit Wissenschaftlern der Technischen Universität Dresden und Projektpartnern aus der Industrie entwickelt hat. »Bei einem Liter sind die Temperaturunterschiede innerhalb eines Reaktors noch nicht so groß. Bei mehreren tausend Litern wächst der Fehler jedoch erheblich. Mit unserer präzisen Messtechnik gibt es weniger Probleme beim Upscaling der Volumina, also der Umstellung von kleinen Test-Reaktoren im Labor auf große in der Produktionshalle.«

Keine Beschränkungen

Ein weiterer Vorteil der Sens-o-Spheres: Während Stabsonden durch Kabel gebunden sind, sind die Kugeln mit einer aufladbaren Batterie ausgestattet. »Der Installationsaufwand ist daher gering. Die Sens-o-Spheres schwimmen einfach im Medium, so stören sie beispielsweise auch nicht beim Umrühren. Außerdem können sie sowohl problemlos in kilometerlangen Röhrenreaktoren und anderen innovativen Reaktortypen als auch in klassischen Kleinkultivierungsgefäßen wie dem Schüttelkolben eingesetzt werden. Gängige Messsysteme stoßen hier an ihre Grenzen«, erklärt Lüke.

Die erfassten Daten werden per Funk live an eine Basisstation übertragen. Dabei ist jeder Messwert einer bestimmten Kugel zugeordnet, denn jede verfügt über eine eigene ID. Je mehr Kugeln, desto höher die Messgenauigkeit. Eine Faustformel dafür, wie viele Kugeln notwendig sind, gebe es jedoch nicht. Es gelte: So viele Kugeln wie nötig, so wenige wie möglich.

Problemlos wiederverwertbar

Nach ihrem Einsatz können die Kugeln problemlos im sogenannten Autoklaven sterilisiert werden, denn die Elektronik ist robust und zudem sicher von einer Kapsel aus Polypropylen umschlossen – weder Feuchtigkeit noch hohe Temperaturen von rund 120 Grad Celsius und mehr, wie sie beim Autoklavieren üblich sind, können ihr etwas anhaben. Die Kugeln können daher steril gehalten, mit Hilfe eines speziell entwickelten induktiven Batterieladesystems aufgeladen und wiederverwendet werden.

Bald sollen die Messkugeln nicht nur die Temperatur, sondern auch den Sauerstoffgehalt und den pH-Wert erfassen können. »Außerdem wollen wir die Basisstation mit dem Gesamtsystem verbinden. Dann könnte der Herstellungsprozess aufgrund der gemessenen Werte automatisch geregelt werden. Die Kugeln sollen zudem geortet werden können, so dass man genau weiß, wo der Messwert erfasst wurde.«

Die Messkugeln sind nicht nur für die mikrobiologische Kultur- und Prozessentwicklung im Labor ideal, sondern könnten auch in der Arzneimittelherstellung, der Umweltmesstechnik oder beim Screening in der Medizin zum Einsatz kommen.

Externer Link: www.fraunhofer.de