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Achillessehne eines Mörders

Die Schlafkrankheit – ein heimtückisches Leiden, das Mensch und Tier in weiten Teilen Afrikas und Südamerikas heimsucht – wird von einem winzigen Parasiten verursacht, den die Tsetse-Fliege überträgt. Im Körper seiner Opfer dringt der Parasit ins Gehirn vor und verursacht die typischen Symptome, die der Krankheit ihren Namen gaben. Bis heute gibt es keinen Impfstoff und nur wenige wirksame Medikamente. Christine Clayton vom Zentrum für Molekulare Biologie der Universität Heidelberg (ZMBH) schildert, wie die Grundlagenforscher vorgehen, um die Biologie des Parasiten zu verstehen. Je besser sie ihn kennen lernen, desto näher kommen sie ihrem Ziel: Sie wollen die "Achillessehne" des tückischen Mörders finden, der seinen Opfern bislang einen nahezu unvermeidlichen, langsamen Tod bereitet.

 

Die Erkrankten hören auf zu essen, sie verlieren dramatisch an Gewicht und fallen immer wieder in einen narkoseähnlichen Schlaf. Die eigentümliche Schläfrigkeit ist das charakteristische Zeichen eines Leidens, das vor allem zu Beginn des 20. Jahrhunderts in weiten Teilen Afrikas wütete und nach seinem klassischen Symptom "Schlafkrankheit" genannt wurde. Auch heute noch werden Mensch und Tier in Afrika und Südamerika von der meist tödlich endenden Infektionskrankheit heimgesucht. Verursacher des tückischen Leidens ist ein kleiner Parasit, Trypanosoma genannt, der von Tsetse-Fliegen übertragen wird. Gelangt der Parasit in das Blut und vermehrt sich dort, macht sich die Erkrankung erstmals mit Fieberschüben bemerkbar. Später, in der chonischen Phase, während der die Parasiten in das Gehirn eindringen, kommt es zu dem klassischen Symptom anhaltender Schläfrigkeit.

Zur Zeit gibt es nur wenige Medikamente, die die frühe Phase der Schlafkrankheit heilen können. Nur ein einziges Medikament – das arsenhaltige Melarsoprol – kann den Parasiten noch angreifen, wenn er das Gehirn befallen hat. Ein zweites Medikament, das im Gehirnstadium effektiv sein kann, ist für die Bevölkerung, die von der Krankheit betroffen ist, viel zu teuer. Fast alle Medikamente, insbesondere Melarsoprol, sind sehr giftig. Auch Resistenzen sind inzwischen nachgewiesen worden, das heißt, dem Parasit ist es gelungen, der Medikamentenwirkung zu widerstehen. Alle Versuche, Impfstoffe gegen die Schlafkrankheit – die "Trypanosomiasis" – zu entwickeln, verliefen bislang erfolglos. Es ist deshalb dringend notwendig, neue Strategien zu entwickeln, die zu besser wirksamen therapeutischen Maßnahmen gegen den tückischen Krankheitserreger führen.

Die afrikanischen Trypanosomen gehören einer Parasitenfamilie an, die auch andere tropische Krankheiten verursacht. Die Verbreitung der afrikanischen Trypanosomiasis und der verwandten amerikanischen Trypanosomiasis (so genannte Chagas-Krankheit) und Leishmaniasis ist groß; in mehreren Dörfern im Sudan und in Angola ist beispielsweise nahezu jeder zweite Bewohner mit Trypanosomen infiziert. Ohne medizinische Versorgung sind die Menschen meist zu einem langsamen Tod verurteilt.

Medikamente gegen Krankheitserreger – ob Viren, Bakterien oder Parasiten – nutzen immer die Unterschiede, die zwischen den Erregern und ihrem "Wirt" (Mensch oder Tier) bestehen. Dies ist bei Bakterien vergleichsweise einfach, weil sie sich in vielerlei Hinsicht von ihrem Wirt unterscheiden. Trypanosomen aber sind "Eukaryonten", das bedeutet, sie ähneln in ihrem Grundaufbau den menschlichen Zellen. Das genetische Material (DNS) des Parasiten ist beispielsweise wie das menschlicher Zellen von einer Membran (dem Zellkern) umschlossen; viele zelluläre Prozesse in den Trypanosomen sind mit denen in menschlichen Zellen nahezu identisch. Um besser wirksame Medikamente entwickeln zu können, müssen wir die Unterschiede zwischen den Trypanosomenzellen und den menschlichen Zellen genau identifizieren und dann versuchen, spezifische Funktionen des Parasiten gezielt zu hemmen. In unserem Labor in Heidelberg suchen wir deshalb intensiv nach parasiteneigenen Besonderheiten, die alle Trypanosomen und Leishmanien – nicht aber die menschliche Zelle – aufweisen. Wir hoffen, so neue Ziele zu identifizieren, an denen Medikamente (Chemotherapeutika) effektiv ansetzen können.

Wie findet man solche parasitenspezifische, therapeutisch angreifbare Ziele? Die Umgebung des Trypanosoms im Blut ist zwar nährstoffreich und seiner Vermehrung zuträglich – für den Parasiten aber durchaus nicht ungefährlich. Die Gefahr geht vom Immunsystem aus. Da die Trypanosomen frei umher schwimmen und sich im ganzen Körper verteilen, treffen sie häufig auf Zellen des Immunsystems. Ungefähr eine Woche nach der Infektion hat der Wirt eigentlich genügend "Abwehrtruppen" gegen den eingedrungenen Parasiten mobilisiert. Trypanosoma aber hat ein System entwickelt, mit dem es ihm gelingt, den Abwehrzellen und – mechanismen erfolgreich zu entkommen: Der Parasit wechselt im Laufe seiner Vermehrung kurzerhand seinen äußeren "Protein-Mantel", so dass eine völlig andere Oberfläche entsteht. Diesen neuen "Mantel" erkennen die mobilisierten Zellen des Immunsystems nicht mehr. Da die Parasiten fähig sind, sich in etwa 1000 verschiedene Mäntel (= Oberflächenproteine) zu kleiden und Genveränderungen des Parasiten weitere grundsätzliche Veränderungen verursachen, kann das Immunsystem nichts gegen die Bedrohung ausrichten. Ohne Chemotherapie verläuft die Krankheit deshalb immer tödlich.

Raffinierte Genschalter

Die ständige Variation ihres Oberflächenmantels erlaubt es den Trypanosomen, ihre nährstoffreiche Umgebung "ungestört" auszunutzen. Die Blutflüssigkeit beinhaltet Sauerstoff, verschiedene Bausteine des Lebens, vor allem aber viel Glukose. Damit die Energie innerhalb einer Zelle verwertbar wird, muss sie in bestimmten chemischen Formen gespeichert werden; die wichtigste "Energiewährung" der Zelle ist ATP (Adenosin-Tri-Phosphat). Einige menschliche Zellen schaffen es, etwa 20 ATP-Moleküle aus einem Molekül Glukose herzustellen. Die Trypanosomen im Blut dagegen gewinnen gerade einmal zwei ATP-Moleküle pro Glukosemolekül. Und hier findet sich ein bedeutender Unterschied zwischen dem Parasiten und seinem Wirt: Die Enzyme, die diese chemische Umwandlung von Glukose in ATP bewerkstelligen, sind bei Trypanosomen und ihren Verwandten völlig anders organisiert und gesteuert als bei anderen Lebewesen. Diese parasitentypische Besonderheit ist eines unserer wichtigsten Forschungsprojekte.

Die Energiegewinnung wird durch verschiedene Enzyme bewerkstelligt, die alle in kleine Räume (Kompartimente) innerhalb einer Zelle verpackt sind. Die Enzymkette der Trypanosomen ist sehr einfach aufgebaut. Biochemiker und Mathematiker aus Belgien und den Niederlanden waren deshalb in der Lage, den kompletten enzymatischen Prozess mit einem Computermodell zu simulieren. Wir arbeiten mit diesen Kollegen zusammen, um die mathematischen Modelle mit Hilfe der Genetik zu überprüfen.

Für diese Untersuchungen benutzen wir ein besonderes genetisches Verfahren, das wir eigens dafür entwickelt haben. Es erlaubt uns, Gene ein- und auszuschalten, um deren Funktion zu bestimmen. Die Ergebnisse sollen helfen, Enzyme zu identifizieren, die eine besonders wichtige Rolle bei der Steuerung der Geschwindigkeit des Glukoseabbaus spielen. Diese Enzyme wären ein mögliches Ziel für eine neue medikamentöse Therapie der Trypanosomiasis.

Wie fast alle eukaryontischen Zellen besitzen auch Trypanosomen jeweils zwei Kopien von ihren Erbanlagen. Wir verändern die Trypanosomen so, dass sie von einem bestimmten Gen nur noch eine Kopie enthalten. Diese einzelne Kopie wird mit unserem Verfahren so verändert, dass das Gen in Abwesenheit eines klassischen Antibiotikums (Tetrazyklin) völlig "ausgeschaltet" bleibt. Gibt man jedoch kleine Mengen von Tetrazyklin hinzu, kann der regulatorische Schalter ein bisschen aktiviert und das Gen ein bisschen abgelesen werden. Mit größeren Mengen Tetrazyklin kann man das Gen vollständig aktivieren. Ein besonderer Vorteil dieser Methode ist, dass wir die Funktion bestimmter Genprodukte (= bestimmte Proteine) des Parasiten bei Versuchstieren (Mäusen) bestimmen können: Die Tiere werden zunächst mit genetisch veränderten Trypanosomen infiziert und Tetrazyklin anschließend mit dem Trinkwasser verabreicht, um so den Genschalter, wie beschrieben, zu aktivieren und die Funktion des Gens zu bestimmen.

Auffällige Verschwendung

Eine andere parasitenspezifische Besonderheit betrifft den "Umgang", den Trypanosomen mit den Proteinen pflegen, die nach der Anleitung ihrer Gene hergestellt werden. Weil Trypanosomen sich im Körper ihres Wirts an viele veränderte Umgebungsbedingungen anpassen müssen, müssen sie auch viele neue Proteine synthetisieren, während andere – in einer anderen Umgebung wichtige Proteine – nicht mehr benötigt werden. Um diesen Bedingungen gerecht zu werden, haben die Parasiten ein besonders verschwenderisches System entwickelt. Bei fast allen Organismen der Erde – sowohl beim Menschen als auch bei Bakterien – werden Gene, deren Produkte nicht mehr benötigt werden, ausgeschaltet. Erst wenn das entsprechende Genprodukt wieder benötigt wird, wird auch das Gen wieder eingeschaltet.

Nicht so bei den Trypanosomen. Sie synthetisieren alle ihre RNS gleichzeitig und werfen dann weg, was sie nicht mehr brauchen. Es ist, als ob ein Koch im Restaurant jeden Tag alle Gerichte, die auf der Speisekarte stehen, gleichzeitig zubereitet und dann die Speisen, die nicht bestellt werden, einfach wegwirft. Auch diese RNS-Verschwendung ist ein bedeutender Unterschied zwischen Parasit und Wirtszelle, die wir im Labor zu verstehen versuchen.

Proteine sind Ketten, die aus 20 verschiedenen Bausteinen, den Aminosäuren, bestehen. Die Länge der Kette und ihre Zusammensetzung aus bestimmten Aminosäuren bestimmt die Eigenschaften des Proteins. Die Gene, die über den Aufbau der Proteine aus bestimmten Aminosäuren entscheiden, bestehen aus vier verschiedenen Nukleotiden, die mit den Buchstaben A, G, C und T bezeichnet werden. Verschiedene 3er-Kombinationen dieser Nukleotide, etwa AGC oder AGT, kodieren für je eine Aminosäure. Damit ein Protein aus den Aminosäuren zusammengefügt werden kann, werden die dafür zuständigen Gene in eine so genannte "Boten-RNS" umkopiert. Die Boten-RNS hat den Vorteil, dass sie den Kern durch spezialisierte Poren verlassen kann. Außerhalb des Zellkerns, im Zellplasma, wird sie dazu benutzt, Proteine mit einer definierten Reihenfolge von Aminosäuren zusammenzusetzen.

Wenn unser imaginärer Koch sein Buffet ständig mit vollen, aber unbestellten Tellern bestückt, ist die Nachfrage sehr von der Anzahl der interessierten Kunden und deren Hunger abhängig. Mit der RNS-Menge in der Zelle verhält es sich ähnlich. Obwohl die Menge an Boten-RNS normalerweise von der Geschwindigkeit ihrer Herstellung abhängt, kann auch ihr Abbau für die in einer Zelle vorhandene RNS-Menge wichtig werden – und muss deshalb, ebenso wie die Herstellung, gesteuert werden. Beim Menschen ist dieser regulierte Abbau von RNS besonders wichtig, um das Wachstum von Zellen unter Kontrolle zu halten: Viele RNS-Moleküle, die wachstumssteuernde Proteine kodieren, sind sehr instabil und nur kurzlebig. Wenn sie aber auf Grund fehlender Kontrolle langlebig werden, kann eine Krebszelle entstehen.

Wir und andere Forscherkollegen haben die Kontrolle der Genexpression (des Ablesens und der nachfolgenden Übersetzung der im Gen enhaltenen – kodierten – Information für ein Protein) in Trypanosomen intensiv studiert. Wir haben dabei entdeckt, dass viele Gene nacheinander in lange RNS-Moleküle umkopiert werden und erst danach in Einzelkomponenten zerschnitten werden. Erst nach diesem Prozess haben Trypanosomen ähnliche RNS-Moleküle wie andere kernhaltige Zellen. Die Menge der in der Zelle enthaltenen RNS kann bei den Trypanosomen aber nur durch einen regulierten Abbau bestimmt werden – die Herstellung unterliegt überhaupt keiner Kontrolle.

Der Anfang einer Boten-RNS wird normalerweise so modifiziert (protektive = schützende Modifizierung), dass er einem Abbau durch die dafür zuständigen Enzyme ziemlich lange widersteht. An ihrem entgegengesetzten Ende haben die RNS-Moleküle kernhaltiger Zellen stets einen charakteristischen "Schwanz", der aus ungefähr 200 Wiederholungen der Base "A" besteht. An diesem "A-Schwanz" werden die meisten Boten-RNS-Moleküle von einem bestimmten Enzym angegriffen. Erst dann, wenn der A-Schwanz nur noch sehr kurz ist, wird die RNS auch an ihrem Anfang von Enzymen angegriffen und verdaut. Ein anderes spezifisches Enzym entfernt am Anfang des Moleküls zunächst die protektive Modifizierung, worauf die RNS für einen weiteren enzymatischen Abbau zugänglich und sehr rasch völlig zerstört wird. Damit die Lebensdauer einer solchen Boten-RNS derart steuerbar wird, muss zuerst die Sequenz der gesamten RNS von einem spezifischen Protein erkannt werden. Solche Proteine stimulieren oder hemmen dann diejenigen Enzyme, die den ersten Auflösungschritt und in der Folge den sukzessiven Abbau des A-Schwanzes bewirken.

Eine zweite Strategie des Abbaus beginnt mit einem Angriff inmitten des Boten-RNS-Moleküls. Ein spezifisches Enzym erkennt die RNS und spaltet sie in der Mitte, worauf die Verdauung des Moleküls von beiden Enden her folgt. Diesen Weg des Abbaus steuert ein zweites Protein: Es erkennt die Spaltstelle, bindet daran und schützt die RNS so vor dem Abbau durch die Enyzme.

Gemeinsam mit anderen Forschern haben wir nachweisen können, dass die Trypanosomen den RNS-Abbau und die Umwandlung in Proteine sehr effektiv kontrollieren. RNS-Moleküle, die Trypanosomen brauchen, um sich innerhalb der Tsetse-Fliege zu vermehren, werden nur schlecht in Protein übersetzt und sehr rasch abgebaut. Blutstromspezifische RNS hingegen bleibt stabil und wird sehr effizient für die Protein-Herstellung benutzt. Zur Zeit untersuchen wir, welche Proteine am RNS-Abbau und seiner Steuerung beteiligt sind, weil diese Proteine offensichtlich wichtige Angriffspunkte für eine wirksame medikamentöse Bekämpfung der Parasiten sind. Zu unseren Entdeckungen zählt noch eine weitere Besonderheit, die Trypanosomen von ihrem Wirt unterscheidet. Sie betrifft ein kleines Zellkompartiment, das die Enzyme des Glukoseabbaus enthält. Es heißt "Glykosom". Dabei handelt es sich um ein rundes, von einer Membran umgebenes "Organ" der Zelle, ein Organell. Obwohl diese Anordnung einzigartig ist – bei Bakterien, Hefen und menschlichen Zellen schwimmen die Enzyme, die Glukose abbauen, frei in der Zelle umher – hat die Mehrheit der kernhaltigen Zellen Organellen, die dem Glykosom im Grundriss ähneln: Sie haben immer nur eine Membran, enthalten nie DNS und werden "Microbodies" genannt. (Im Gegensatz dazu haben kompliziertere Organellen wie etwa die energiegewinnenden Mitochondrien zwei Membranen und eigene DNS.)

Bei Menschen und auch bei Hefen werden die Microbodies "Peroxisomen" genannt. Peroxisomen schützen die Zellen vor giftigen Sauerstoff-Derivaten und spielen eine Rolle bei dem Abbau von Fettsäuren. In einigen Hefen sind sie auch für das Wachstum auf Methanol unerlässlich, in anderen für das Wachstum auf Nährmedien mit langkettigen Fettsäuren. Der Inhalt der Microbodies – die Enzyme, die in ihnen verpackt sind – kann deswegen in den verschiedenen Organismen sehr unterschiedlich sein. Wenn man aber die Proteine und die Prozesse vergleicht, die am Aufbau von Peroxisomen und Glykosomen beteiligt sind, wird die Verwandtschaft zwischen den beiden offenkundig. Proteine, die sich im menschlichen Peroxisom befinden, besitzen spezifische Erkennungssignale. Genau diese Signale führen dazu, dass entsprechende Proteine in das Glykosom importiert werden. Peroxisome vermehren sich durch Wachstum (Import von Proteinen und Wachstum der Membran) und durch Teilung. Dabei spielen die Proteine, die sich in der peroxisomalen Membran befinden, eine besonders wichtige Rolle. Es zeigt sich, dass einige der Proteine der glykosomalen Membran mit Proteinen in der Membran von Peroxisomen verwandt sind. Wir haben beispielsweise entdeckt, dass ein Hauptprotein der glykosomalen Membran – das so genannte "PEX11"-Protein – bei der Teilung der Glykosomen unerlässlich ist. PEX11 bei der Hefe spielt genau dieselbe Rolle; und das Trypanosomen-PEX11-Protein kann die Funktion von PEX11 in Hefen übernehmen.

Unsere Arbeiten mit Trypanosomen sind zur Zeit reine Grundlagenforschung. Wir hoffen, dass die Methoden, die wir entwickelt haben, um die komplexe Biologie der Trypanosomen zu verstehen, und die damit erzielten Ergebnisse dazu beitragen werden, die tropische Schlafkrankheit sowie die Leishmaniasis und die Chagaskrankheit in Zukunft erfolgreicher zu bekämpfen.

Autorin:
Prof. Dr. Christine Clayton
Zentrum für Molekulare Biologie der Universität Heidelberg (ZMBH), Im Neuenheimer Feld 282, 69120 Heidelberg,
Telefon (0 62 21) 54 68 76, Fax (0 62 21) 54 58 94, e-mail: cclayton@zmbh.uni-heidelberg.de

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