Wenn es hart auf hart kommt, beginnen Schleimpilze mit der Synthese

16. August 2006

Wenn es hart auf hart kommt, beginnen Schleimpilze mit der Synthese

16. August 2006

La Jolla, CA – In Zeiten des Überflusses, die einzellige Schleimpilz Dictyostelium discoideum führt ein einsames Leben und knabbert an Bakterien, die den Waldboden bedecken. Aber diese einfachen Kreaturen können heroische Entwicklungsakte vollbringen: Wenn die Nahrungsversorgung mit Bakterien versiegt, Dictyostelium Amöben schließen sich mit ihren Nachbarn zusammen und bilden einen mehrzelligen Turm, der dazu dient, die Kinder zu retten.

In einer demnächst erscheinenden Studie in Nature Chemical Biology, Ermittler des Salk Institute for Biological Studies und des Medical Research Council of Molecular Biology (MRC) in Cambridge, England, verwenden traditionelle und computergestützte Methoden, um zu zeigen, wie Dictyostelium synthetisiert das chemische Signal DIF-1, kurz für Differenzierungsinduzierender Faktor, das für diese Entwicklungstransformation notwendig ist.

Die Zusammenarbeit, erklärt Co-Seniorautor Joe Noel, “zeigt die Kraft eines kombinierten Ansatzes aus Bioinformatik, Enzymologie, Strukturbiologie und Genetik, um den Kern dessen zu erfassen, warum Organismen natürliche Chemikalien nutzen, um in herausfordernden Ökosystemen zu überleben und zu gedeihen.”

Wenn Schleimpilze hungern, bilden sie kollektiv ein vielzelliges schleimartiges Wesen, das sich in Masse zu einem warmen Ort bewegt. Dort, als Reaktion auf das DIF-1-Signal, richten sich die Schleime buchstäblich auf und ihre Zellen metamorphosieren entweder zu einer Säule aus Stielzellen oder zu Sporenzellen der nächsten Generation, die oben auf der Säule thronen und auf die Wiederherstellung der Nahrungsversorgung warten.

Noel und Michael Austin, Ph.D., ein Postdoktorand in Noels Labor und Co-Leitautor der Studie, haben ein fortwährendes Interesse an der Biosynthese verschiedener pflanzlicher und mikrobieller Polyketide durch Enzyme, die als Typ-III-PKSs bekannt sind. Pflanzen produzieren Polyketid-Naturstoffe wie Flavonoide und Stilbene zur Verwendung als Sonnenschutzmittel, Antibiotika, Blütenpigmente und Antioxidantien. Austin erklärt: “Pflanzliche Polyketide werden zunehmend auch als gesundheitsfördernde Bestandteile von grünem Tee, Rotwein und Sojabohnen für die menschliche Ernährung erkannt.”

Es stellt sich heraus, dass DIF-1 zur selben Gruppe gehört. “Beim Lesen eines Übersichtsartikels über die Vielfalt natürlich vorkommender Polyketide erkannten wir, dass die chemische Kernstruktur von DIF-1, einem wichtigen Entwicklungssignal in Dictyostelium, ähnelt natürlichen Produkten, die von pflanzlichen PKS vom Typ III hergestellt werden”, erinnert sich Austin.

Zu der Zeit, Dictyostelium während seines Genoms sequenziert wurde und die Fragmente roher DNA-Sequenzierungsdaten in öffentlich zugänglichen Datenbanken hinterlegt wurden. Austin erinnerte sich: “Eines Nachts führte ich eine bioinformatische Suche durch, um nach genetischen Beweisen zu suchen, die auf die Existenz eines Typ-III-PKS hindeuten würden. Dictyostelium. Mithilfe verschiedener Computerprogramme zum Finden, Zusammenstellen und Übersetzen in silico die relevanten rohen DNA-Sequenzierungsfragmente zuerst in Gene und dann in die von diesen Genen kodierten Proteine, rekonstruierte Austin zwei Typ-III-PKS-ähnliche Gensequenzen und fand auch eine Überraschung.

Unerwarteterweise zeigten diese abgeleiteten genetischen Baupläne für Typ-III-PKSs jeden Dictyostelium Typ-III-PKS, die an andere enzymatisch aktive Proteindomänen angehängt werden können. Diese noch nie dagewesene Hybridanordnung funktioniert wie eine sehr effiziente Eimerkette, die Polyketidmoleküle in Schleimpilzzellen synthetisiert.

“Die Natur hat den Weg geebnet, diese neuartige Domänenanordnung zur Bioingenieurtechnik effizienterer Methoden zur Herstellung modifizierter Polyketide für menschliche Zwecke zu nutzen”, sagte Austin.

Austin und die Laborleiterin Marianne Bowman setzten sich auf die Bank und isolierten Dictyostelium Die DNA, welche die Typ-III-PKS-Domänen kodiert, bestimmte nicht nur deren Aufbau, der tatsächlich einer pflanzlichen PKS ähnelte, sondern zeigte auch, dass eine davon, Steely2 genannt, im Reagenzglas die chemische Grundstruktur von DIF-1 herstellte. Alles, was noch zu beweisen war, war, dass Schleimpilze selbst das neu entdeckte Enzym zur Herstellung von DIF-1 nutzten.

dam Noel und Austin sich an den Co-Seniorautor Robert Kay, Ph.D., wandten, einen Dictyostelium Experte für zelluläre Differenzierung und Gruppenleiter am MRC. “Wir haben eine Arbeit geschrieben und eine Version an Rob Kay geschickt und sagten: ‘Sie kennen uns nicht, aber hier ist, was wir tun. Biochemisch haben wir die Maschinerie identifiziert, die den essentiellen Vorläufer für das bioaktive DIF-1-Molekül herstellt.’“

Kay antwortete, dass er und die Co-Autorin Tamao Saito, PhD., eine Wissenschaftlerin in seinem Labor, die sich auf Sabbatical befand, sich ebenfalls auf diese ungewöhnlichen Typ III PKS-Gene konzentriert hätten, nachdem die vollständige Zusammenstellung und Annotation des gesamten Genoms kürzlich abgeschlossen war. Dictyostelium Genom, welches durch eine weltweite Zusammenarbeit vieler Wissenschaftler, einschließlich der Kay-Gruppe, durchgeführt wurde.

Saito und Kay hatten eigenständig die Dictyostelium Gen für Steely2. Durch das Fehlen von Steely2 konnten die Schleimpilze folglich nicht nur kein DIF-1 mehr herstellen, sondern auch den Rettungsturm nicht mehr bauen, was genau die biologische Bestätigung war, die das Noel-Labor hören wollte. Die beiden Labors bündelten ihre Daten und veröffentlichen nun ihre Arbeit gemeinsam als eine sehr vollständige Geschichte, während sie weiterhin an der chemischen Vielfalt dieses faszinierenden Organismus zusammenarbeiten, der über den Waldboden kriecht.

“Das ist ein wunderbares Beispiel dafür, wo Egos zurückgestellt werden, wer was gemacht hat, und stattdessen als wissenschaftliche Gemeinschaft Gruppen zusammenkommen, um eine grundlegende Frage der Biologie zu beantworten. Im Prozess haben wir gemeinsam eine effiziente chemische Fabrik in entdeckt.“ Dicytostelium Zellen, die uns darüber informieren, wie man ähnliche Systeme in anderen Organismen modifizieren kann, um wichtige Medikamente aus der Natur zu produzieren.”

Für Noel besteht das Problem darin, Biokomplexität auf einer Ebene zu verstehen, die traditionell ignoriert wird – der Fülle natürlicher Chemikalien, die in der Natur vorkommen. Organismen nutzen Chemikalien als Mittel zur Interaktion mit ihrer Umwelt, und die Menschheit hat diese Tatsache genutzt, um die überwiegende Mehrheit der heute zur Behandlung von Krankheiten eingesetzten Pharmazeutika zu entdecken. “Die grundlegende Hauptfrage in unserem Fall ist, warum Organismen Chemikalien herstellen, welche Rolle diese Moleküle in der Natur spielen und wie sich die Zellmaschinerie, die zur Herstellung dieser Moleküle verwendet wird, über Millionen von Jahren entwickelt, um dem Wirtsorganismus neue Wege zum Überleben und Gedeihen zu eröffnen. Das Verständnis der Vielfalt natürlicher Chemikalien und der sie produzierenden Maschinerie gibt uns ein Fenster, um in die Vergangenheit zu blicken und zu verstehen, wie sich Organismen auf molekularer Ebene entwickeln.”

Ebenfalls trugen zu der Studie bei: Steven Haydock, MD, der mit Kay zusammenarbeitete, Atsushi Kato, der zusammen mit Saito jetzt an der Hokkaido Universität in Sapporo, Japan, lehrt, 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 Lebenswissenschaften, der Verbesserung der menschlichen Gesundheit und der Ausbildung zukünftiger Forschergenerationen widmet. Jonas Salk, M.D., dessen Polio-Impfstoff die lähmende Krankheit Poliomyelitis im Jahr 1955 fast ausgerottet hat, eröffnete das Institut 1965 mit einem Grundstück geschenk der Stadt San Diego und der finanziellen Unterstützung des March of Dimes.