August 16, 2006
La Jolla, CA – In Zeiten des Überflusses der einzellige Schleimpilz Dictyostelium discoideum führt ein Einzelleben und frisst Bakterien, die den Waldboden verunreinigen. Aber diese einfachen Lebewesen können heldenhafte Entwicklungstaten vollbringen: Wenn der bakterielle Nahrungsvorrat versiegt, Dictyostelium Amöben schließen sich mit ihren Nachbarn zusammen und bilden einen vielzelligen Turm, der die Kinder retten soll.
Wenn der Nahrungsvorrat versiegt, versammeln sich einzelne Dictyostelium discoideum-Zellen und verschmelzen zu einem sporenproduzierenden Turm. Ein neu entdecktes Hybridenzym namens Steely2 (dargestellt in Cartoon-Form) schmiedet die Grundstruktur des chemischen Signals (DIF-1, hier als Stabmodell gezeigt), das diesen wichtigen Schritt im Lebenszyklus von Dictyostelium orchestriert: die Transformation allmächtiger Zellen in spezielle Sporen- oder Stielzellen. (Bild von Mike Austin unter Verwendung eines Fotos von Rob Kay.)
In einer bevorstehenden Studie in Naturchemische Biologie, Forscher am Salk Institute for Biological Studies und am Medical Research Council of Molecular Biology (MRC) in Cambridge, England, nutzen traditionelle und computergestützte Methoden, um zu zeigen, wie das geht Dictyostelium synthetisiert das chemische Signal namens DIF-1, kurz für Differentiation Inducing Factor, das für diese Entwicklungstransformation erforderlich ist.
Die Zusammenarbeit, erklärt Co-Senior-Autor Joe Noël, Ph.D., Forscher am Howard Hughes Medical Institute in Salk, „zeigt die Leistungsfähigkeit eines kombinierten Ansatzes aus Bioinformatik, Enzymologie, Strukturbiologie und Genetik, um herauszufinden, warum Organismen natürliche Chemikalien nutzen, um in anspruchsvollen Ökosystemen zu überleben und zu gedeihen.“ ”
Wenn Schleimpilze verhungern, bilden sie gemeinsam ein vielzelliges, schneckenartiges Geschöpf, das sich massenhaft an einen warmen Ort bewegt. Dort stehen Schnecken als Reaktion auf das DIF-1-Signal buchstäblich auf und ihre Zellen verwandeln sich entweder in eine Säule aus Stielzellen oder in Sporenzellen der nächsten Generation, die oben auf der Säule sitzen und darauf warten, dass die Nahrungsversorgung wiederhergestellt wird.
Noel und Michael Austin, Ph.D., ein Postdoktorand in Noels Labor und Co-Hauptautor der Studie, haben ein anhaltendes Interesse an der Biosynthese verschiedener pflanzlicher und mikrobieller Polyketide durch Enzyme, die als Typ-III-PKSs bekannt sind. Pflanzen stellen natürliche Polyketidprodukte wie Flavonoide und Stilbene her, die als Sonnenschutzmittel, Antibiotika, Blütenpigmente und Antioxidantien verwendet werden. Austin erklärt: „Pflanzliche Polyketide werden zunehmend als gesundheitsfördernde Bestandteile von grünem Tee, Rotwein und Sojabohnen für die menschliche Ernährung anerkannt.“
Es stellte sich heraus, dass DIF-1 zur gleichen Gruppe gehört. „Als wir einen Übersichtsartikel über die Vielfalt natürlich vorkommender Polyketide lasen, stellten wir fest, dass die chemische Kernstruktur von DIF-1, ein wichtiges Entwicklungssignal in Dictyostelium„ist ähnlich wie Naturprodukte, die durch Pflanzentyp-III-PKS hergestellt werden“, erinnert sich Austin.
Damals, Dictyostelium war gerade dabei, sein Genom zu sequenzieren, und die Teile der rohen DNA-Sequenzierungsdaten wurden in öffentlich zugänglichen Datenbanken hinterlegt. Austin erinnerte sich: „Eines Abends führte ich eine bioinformatische Suche durch, um nach genetischen Beweisen zu suchen, die auf die Existenz einer Typ-III-PKS hinweisen würden Dictyostelium.“ Verwendung verschiedener Computerprogramme zum Suchen, Zusammenstellen und Übersetzen in silico Nachdem Austin die relevanten Roh-DNA-Fragmente zunächst in Gene und dann in die Proteine, die diese Gene kodieren, sequenzierte, rekonstruierte er zwei Typ-III-PKS-ähnliche Gensequenzen und fand auch eine Überraschung.
Unerwarteterweise enthüllten diese abgeleiteten genetischen Baupläne für Typ-III-PKSs beides Dictyostelium Typ-III-PKS zur Fusion mit anderen enzymatisch aktiven Proteindomänen. Diese noch nie dagewesene Hybridanordnung funktioniert wie eine sehr effiziente Eimerbrigade, die Polyketidmoleküle in Schleimpilzzellen synthetisiert.
„Die Natur hat den Weg geebnet, diese neuartige Domänenanordnung zu nutzen, um biotechnisch effizientere Wege zur Herstellung modifizierter Polyketide für den menschlichen Gebrauch zu entwickeln“, sagte Austin.
Marianne Bowman, die Laborleiterin von Austin und Noel, ging auf die Bank und isolierte sich Dictyostelium DNA, die für die Typ-III-PKS-Domänen kodiert, bestimmte nicht nur deren Struktur, die tatsächlich einer pflanzlichen PKS ähnelte, sondern zeigte auch, dass eine von ihnen, Steely2 genannt, im Reagenzglas das chemische Gerüst von DIF-1 bildete. Es musste nur noch bewiesen werden, dass Schleimpilze selbst das neu entdeckte Enzym zur Herstellung von DIF-1 verwendeten.
Dafür wandten sich Noel und Austin an den Co-Senior-Autor Robert Kay, Ph.D., a Dictyostelium Experte für Zelldifferenzierung und Gruppenleiter am MRC. „Wir haben einen Aufsatz geschrieben und eine Version an Rob Kay geschickt und gesagt: ‚Sie kennen uns nicht, aber hier ist, was wir tun.‘ „Biochemisch haben wir die Maschinerie identifiziert, die den wesentlichen Vorläufer für das bioaktive DIF-1-Molekül herstellt.“ „
Kay antwortete, dass er und der Co-Hauptautor Tamao Saito, PhD., ein Wissenschaftler im Forschungsurlaub in seinem Labor, sich ebenfalls auf diese ungewöhnlichen Typ-III-PKS-Gene konzentriert hätten, nachdem die endgültige Zusammenstellung und Kommentierung des Ganzen kürzlich abgeschlossen worden sei Dictyostelium Genom, das in einer weltweiten Zusammenarbeit vieler Wissenschaftler, darunter der Kay-Gruppe, durchgeführt wurde.
Saito und Kay arbeiteten unabhängig voneinander und hatten das gelöscht Dictyostelium Gen für Steely2. Die resultierenden „defizitären“ Schleimpilze konnten nicht nur kein DIF-1 herstellen, sie konnten auch den Rettungsturm nicht bauen, was genau die biologische Bestätigung war, die das Noel-Labor hören wollte. Die beiden Labore haben Daten gebündelt und veröffentlichen ihre Arbeit nun als eine sehr vollständige Geschichte, während sie gleichzeitig weiterhin an der chemischen Vielfalt dieses faszinierenden Organismus zusammenarbeiten, der auf dem Waldboden herumkriecht.
Noel, Professor am Jack H. Skirball Center for Chemical Biology and Proteomics in Salk, sagt: „Dies ist ein wunderbares Beispiel dafür, dass Egos darüber, wer was getan hat, beiseite geschoben werden und stattdessen als wissenschaftliche Gemeinschaft Gruppen zusammenkommen, um etwas zu erreichen.“ Befassen Sie sich mit einer grundlegenden Frage der Biologie. Dabei entdeckten wir gemeinsam eine effiziente Chemiefabrik in Dicytostelium Zellen, die uns darüber informieren, wie wir ähnliche Systeme, die in anderen Organismen verwendet werden, modifizieren können, um wichtige Medikamente aus der Natur herzustellen.“
Für Noel besteht das Problem darin, die Biokomplexität auf einer Ebene zu verstehen, die traditionell ignoriert wird – der Fülle natürlicher Chemikalien, die in der gesamten Natur vorkommen. Organismen nutzen Chemikalien, um mit ihrer Umgebung zu interagieren, und die Menschheit hat diese Tatsache ausgenutzt, um die überwiegende Mehrheit der Arzneimittel zu entdecken, die heute zur Behandlung von Krankheiten eingesetzt werden. „Die wichtigste grundlegende Frage in unserem Fall ist, warum Organismen Chemikalien herstellen, welche Rolle diese Moleküle in der Natur spielen und wie sich die zelluläre Maschinerie, mit der sie hergestellt werden, über Millionen von Jahren weiterentwickelt, um den Wirtsorganismen neue Möglichkeiten zum Überleben und Gedeihen zu bieten.“ . Das Verständnis der Vielfalt natürlicher Chemikalien und der Maschinerie, die sie produziert, gibt uns die Möglichkeit, in die Vergangenheit zu blicken und zu verstehen, wie sich Organismen auf molekularer Ebene entwickeln.“
An der Studie beteiligten sich auch Steven Haydock, MD, der mit Kay zusammenarbeitete, Atsushi Kato, der zusammen mit Saito jetzt an der Hokkaido-Universität in Sapporo, Japan, studiert, und Bradley Moore, PhD., am Scripps Institute of Oceanography,
Das Salk Institute for Biological Studies in La Jolla, Kalifornien, ist eine unabhängige gemeinnützige Organisation, die sich grundlegenden Entdeckungen in den Biowissenschaften, der Verbesserung der menschlichen Gesundheit und der Ausbildung zukünftiger Forschergenerationen widmet. Jonas Salk, MD, dessen Polio-Impfung 1955 die lähmende Krankheit Poliomyelitis nahezu ausgerottet hatte, eröffnete das Institut 1965 mit einer Landspende der Stadt San Diego und der finanziellen Unterstützung des March of Dimes.
Büro für Kommunikation
Tel: (858) 453-4100
press@salk.edu
