Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 20.01.2010

KIT-Wissenschaftler untersucht Rhythmusgen im Zebrafisch

Ein lichtempfindliches Modul in einem Rhythmusgen ermöglicht Wirbeltieren, ihre inneren 24-Stunden-Uhren an den Wechsel von Tag und Nacht anzupassen. Zu diesem Ergebnis kam der KIT-Forscher Nicholas S. Foulkes, der die lichtgesteuerte Genexpression im Zebrafisch untersuchte.
 
Fast alle Lebewesen, vom Einzeller bis zum Säugetier, verfügen über innere Uhren, die wichtige biologische Prozesse rhythmisch steuern. Diese Rhythmen sind genetisch festgelegt, können aber von äußeren Faktoren beeinflusst werden. So nutzen die meisten Tierarten Licht als Signal, um ihre „circadianen“, das heißt etwa 24-stündigen Rhythmen, an den Tag-Nacht-Wechsel ihrer Umwelt anzupassen. Wie genau dies vonstattengeht, haben Wissenschaftler um Professor Nicholas S. Foulkes vom Institut für Toxikologie und Genetik des KIT untersucht. Ihre Ergebnisse sind in der Open-Access-Zeitschrift „PLoS Biology“ publiziert.
 
Um die circadianen Uhren bei Wirbeltieren zu untersuchen, greift Foulkes auf den Zebrafisch als Modellorganismus zurück. Für die Untersuchung werden Gewebezellen des Zebrafisches dem Licht ausgesetzt. Das führt dazu, dass die Zellen ihre inneren Uhren synchronisieren und schließlich alle im selben Takt schlagen. Licht führt in den meisten Zelltypen des Zebrafischs die Expression einer Reihe von Genen herbei; unter ihnen sind bestimmte Uhrengene. Um den Schlüsselvorgang aufzuklären, der Licht und Genexpression verbindet, konzentrierten sich die Forscher um Foulkes auf das Uhrengen „period2“ des Zebrafischs. Innerhalb des genetischen Regulationsbereichs, des so genannten Promoters, identifizierten die Wissenschaftler ein lichtempfindliches Modul (LRM – Light Responsive Module), das allein für die lichtgesteuerte Genexpression erforderlich ist. Interessanterweise ist dieses Modul auch in den period2-Genen weiterer Wirbeltiere, die nur sehr begrenzt über lichtempfindliche Gewebe verfügen, in hohem Maße erhalten. Überdies kann das menschliche LRM das Zebrafisch-LRM ersetzen und dessen Funktion übernehmen.
 
Das LRM enthält Verstärkersequenzen, so genannte Enhancer, die für seine Funktion wesentlich sind. Einer dieser Verstärker ist Ziel der Uhreneinstellung; ein anderer regelt die lichtgesteuerte Gen-expression. Die Erkenntnisse der Forscher um Nicholas S. Foulkes erweitern das Verständnis der lichtgesteuerten Synchronisation innerer Uhren sowie der Entwicklung der lichtgesteuerten Expression von Uhrengenen in Wirbeltieren. (or/rl)

Publikation:
Gad Vatine, Daniela Vallone, Lior Appelbaum, Philipp Mracek, Zohar Ben-Moshe, Kajori Lahiri, Yoav Gothilf, Nicholas S. Foulkes: Light Directs Zebrafish period2 Expression via Conserved D and E Boxes. PLoS Biology, Volume 7, Issue 10, e1000223

Externer Link: www.kit.edu

Pressemitteilung der Universität Regensburg vom 21.01.2010

Wissenschaftler aus Regensburg und München publizieren in der renommierten Zeitschrift „Nature“

Alle lebenden Zellen tragen die fadenförmige Erbsubstanz DNA, die aus Tausenden von Genen besteht. Seit Längerem ist bekannt, wie Gene kopiert werden und dabei Bauanleitungen für Proteine, die Funktionsträger der Zelle, entstehen. Unklar war aber, wie die winzige „Kopiermaschine“ RNA-Polymerase II den Beginn eines Gens findet. Bahnbrechende strukturelle Arbeiten der Arbeitsgruppe von Prof. Patrick Cramer vom Genzentrum in München identifizierten neue Strukturen im so genannten Transkriptionsfaktor B. Ein Transkriptionsfaktor ist in der Molekularbiologie ein Protein, das für den Einsatz der RNA-Polymerase bei der Gen-Transkription von großer Bedeutung ist. In Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe von Prof. Michael Thomm vom Institut für Biochemie, Genetik und Mikrobiologie der Universität Regensburg wurde dann mit Hilfe des einfacheren Transkriptionssystems von Archaeen (einzellige Organismen) entschlüsselt, wie die RNA-Polymerase den Kopiervorgang am Beginn eines Gens mit Hilfe des Transkriptionsfaktors B startet . Aufbauend auf diesen Ergebnissen können nun die molekularen Schalter untersucht werden, die Gene gezielt aktivieren – und so die Entwicklung und den Erhalt eines Organismus steuern.

Lebende Organismen sind für ihre Entwicklung darauf angewiesen, dass die DNA als Trägerin der Erbinformation für die Biosynthese von Proteinen und RNA – eine dem Erbmolekül verwandte Nukleinsäure – „gelesen“ werden kann. „Die DNA ist nur ein Speichermedium und für sich genommen eher langweilig“, sagt Prof. Cramer. „Die Gene sind eigentlich stumm. Sie müssen zum Sprechen gebracht werden.“ Das ermöglicht ein Kopiervorgang, die Transkription durch RNA-Polymerase II, kurz Pol II. Dieser Enzymkomplex kopiert Gene und übersetzt sie in RNA. Dabei entsteht der Botenstoff mRNA, der die genetische Information aus dem Zellkern trägt, sodass sie in das entsprechende Protein umgesetzt werden kann.

Wie Pol II ein Gen kopiert, ist seit Längerem bekannt. Unklar war aber, wie das Enzym den Beginn eines Gens findet und die Startstelle des Kopiervorgangs festlegt. Dies konnte nun von den beiden Arbeitsgruppen in Regensburg und München arbeitsteilig geklärt werden. Den Forschern am Münchner Genzentrum unter der Leitung von Prof. Cramer gelang es zunächst zu zeigen, wie die dreidimensionale molekulare Struktur der Polymerase in Verbindung mit dem Transkriptionsfaktor B aussieht. Methodische Grundlage der Studien war die extrem aufwändige Röntgenstrukturanalyse. Dabei müssen große Mengen des gesuchten Moleküls oder Molekülkomplexes als Kristall gezüchtet werden. Dessen regelmäßige Gitterstruktur kann intensive Röntgenstrahlung in ein charakteristisches Muster beugen – was rechnergestützt die molekulare Struktur des Moleküls oder des Komplexes ableiten lässt. Diese Methode wurde auch bei den Arbeiten zur Aufklärung der Proteinfabriken eingesetzt, die im letzten Jahr mit dem Nobelpreis für Chemie ausgezeichnet wurden.

Über die Strukturanalysen der Münchner Wissenschaftler konnten neue Elemente im Transkriptionsfaktor B identifiziert werden, die wiederum von den Regensburger Forschern gezielt verändert wurden. Die Regensburger Arbeitsgruppe nutzte dabei für ihre Laboruntersuchungen den archaeellen einzelligen Organismus Pyrococcus furiosus. Die Transkriptionsmaschinerie dieses Organismus ist ein gutes Modell für die komplexeren Vorgänge in höheren Zellen. Ein großer Vorteil von Pyrococcus furiosus ist, dass Prof. Thomm und seine Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter am Archaeenzentrum der Universität Regensburg dessen RNA-Polymerase gewissermaßen vollständig nachbauen konnten. Einzelne Untereinheiten der RNA-Polymerase konnten so verändert oder gar weggelassen werden, wodurch die Regensburger Forscher Rückschlüsse über die Aufgaben einzelner Bereiche der RNA-Polymerase zogen.

Darüber hinaus konnten die Regensburger Wissenschaftler auf diese Weise den neu entdeckten Elementen im Transkriptionsfaktor B bestimmte Aufgaben zuweisen. Ein Teil des Transkriptionsfaktors B hilft demnach bei der Öffnung der DNA-Doppelhelix, was die Startstelle zugänglich macht. Danach wird die geöffnete DNA durch den Polymerase-B-Komplex gescannt, um die Startstelle zu finden und die Transkription zu beginnen. Für das Scannen ist ein weiterer separater Teil des Transkriptionsfaktors B nötig. Dieser liest auf der Suche nach dem Start-Signal den vorbeilaufenden DNA-Faden wie ein Lesekopf in einem Tonbandgerät.

Die Ergebnisse der beiden Arbeitsgruppen in Regensburg und München fügen sich zu einem Modell für den Ablauf der sehr komplizierten Transkriptions-Initiation in sechs Schritten zusammen. Sie liefern aber auch denkbare Szenarien zur Funktion molekularer Schalter, die Gene bei Bedarf aktivieren oder unterdrücken. Gerade die Aussicht, eines Tages zu verstehen, wie Gene angeschaltet werden, wenn Sie im Organismus gebraucht werden, macht die Arbeit zu einem Meilenstein in einem aktuellen Forschungsfeld. Die Laboranalysen sind zudem ein herausragendes Beispiel dafür, dass die archaeelle Transkriptionsmaschinerie als Modell zum besseren Verständnis der molekularen Abläufe in höheren Zellen herangezogen werden kann.

Publikation:
„RNA polymerase II-TFIIB structure and mechanism of transcription initiation.“
Dirk Kostrewa*, Mirijam Zeller*, Karim-Jean Armache*, Martin Seizl, Kristin Leike, Michael Thomm and Patrick Cramer
*Trugen in gleicher Weise zu der Arbeit bei
Nature (2009) 462, 323-330
Doi:10.1038/nature08548

Externer Link: www.uni-regensburg.de

Presseinformation der LMU München vom 11.01.2010

Genvariante wirkt sich auf Vitamin B6-Stoffwechsel aus

Ein internationales Team von Ärzten und Humangenetikern hat einen neuen genetischen Risikofaktor für Morbus Parkinson identifiziert. Beteiligt waren die Neurologische Klinik der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) München, das Institut für Humangenetik des Helmholtz Zentrums München und der Technischen Universität München und die Mitochondrial Research Group der University of Newcastle upon Tyne, England. „Unsere Studie zeigt das Zusammenspiel von erblichen Faktoren und Umwelteinflüssen wie etwa Nahrungsgewohnheiten bei der Entstehung des Morbus Parkinson,“ erklärt der Erstautor der Studie, Dr. Matthias Elstner von der Neurologischen Klinik der LMU und dem Helmholtz Zentrum. Die genomweite Expressions- und Assoziationsstudie bestätigt zudem, dass Vitamin B6-Status und -Stoffwechsel einen weitreichenden Einfluss sowohl auf das Krankheitsrisiko wie auch die Therapie der Erkrankung haben. (Annals of Neurology, Dezember 2009)

Wissenschaftler der beiden Münchner Universitäten und des Helmholtz Zentrums München haben Nervenzellen im Gehirn daraufhin untersucht, welche Gene sich bei einer Parkinson-Erkrankung in ihrer Aktivität verändern. Die Gruppe fand unter anderem eine erhöhte Aktivität des Pyridoxalkinase-Gens. Anschließend verglichen die Forscher in einer internationalen Kooperation dieses Gen bei über 1.200 Parkinson-Patienten mit der Erbinformation von mehr als 2.800 gesunden Probanden. So konnte eine genetische Variante entdeckt werden, die das Risiko erhöht, an Parkinson zu erkranken. Möglicherweise führt sie zu einer veränderten Menge oder Aktivität des Enzyms Pyridoxalkinase (PDXK) im Gehirn. Dabei ist die verwendete Methode der Expressionsanalyse aus Einzelneuronen richtungweisend und eröffnet in Kombination mit der genetischen Assoziationsanalyse neue Möglichkeiten zur Analyse genetischer Risikofaktoren.

PDXK wandelt Vitamin B6 aus der Nahrung in die im Körper aktive Form um, welche die Voraussetzung zur Produktion des Signalstoffs Dopamin ist. Für die Erkrankung wird das beschleunigte Altern und Absterben von Nervenzellen verantwortlich gemacht, die den Botenstoff Dopamin herstellen. Die verminderte Synthese des Botenstoffs erklärt die meisten Symptome des Morbus Parkinson: Die langsam fortschreitende neurologische Erkrankung geht  mit Muskelstarre (Rigor), Muskelzittern (Tremor) und einer Verlangsamung der Bewegungen (Bradykinese) einher. Neben den Einschränkungen des täglichen Lebens durch diese Symptome kann eine verminderte Stabilität beim Aufrechthalten des Körpers (posturale Instabilität) zu gefährlichen Stürzen führen. Überdies können im Verlauf der Erkrankung Missempfindungen, sogenannte vegetative Störungen (z.B. Blasenstörung) sowie Depressionen und andere psychische Veränderungen auftreten.

„Unsere Studie zeigt das Zusammenspiel von erblichen Faktoren und Umwelteinflüssen wie zum Beispiel Nahrungsgewohnheiten bei der Entstehung des Morbus Parkinson,“ erklärt Elstner. „Obwohl diese Variante nur einen kleinen Beitrag zum Gesamtrisiko einer Parkinson-Erkrankung leistet, könnten unsere Ergebnisse die Entwicklung maßgeschneiderter Therapien unterstützen“ berichtet Dr. Holger Prokisch, Leiter der Arbeitsgruppe für Mitochondriale Erkrankungen am Helmholtz Zentrum München (HHZM) und der TU München.

Publikation:
„Single cell expression profiling of dopaminergic neurons combined with association analysis identifies pyridoxal kinase as Parkinson’s disease gene“
Elstner et.al.
Annals of Neurology, Dezember 2009
DOI: 10.1002/ana.21780

Externer Link: www.uni-muenchen.de