Was die Abwehr der Zellen zum Bröckeln bringt – Umweltchemikalien können die Giftsstoffbarriere von Muscheln knacken

Diese Proteine sind Teil einer aktiven, physiologischen Barriere in den Muschelkiemen, die vor Umweltgiften schützt, schreiben Wissenschaftler des Helmholtz-Zentrums für Umweltforschung (UFZ) und der Kalifornischen Stanford University im Fachblatt „American Journal of Physiology – Regulatory, Integrative and Comparative Physiology“.

Muscheln wie die Kalifornische Miesmuschel (Mytilus californianus) können über 20 Liter Wasser pro Stunde durch ihre Kiemen pumpen. Die aktive Barriere schützt den Organismus vor schädlichen Substanzen im Wasser. Es gab vorher bereits Hinweise auf die Anwesenheit solcher Proteine in Muschelkiemen, eine genaue Zuordnung ist aber erst jetzt möglich. Die Funktion dieser Proteine kann durch vom Menschen in die Umwelt eingebrachte Chemikalien, wie z.B. dem in Hygiene- und Pflegemitteln enthaltenen Duftstoff Galaxolid gehemmt werden. Solche Substanzen wirken so in Zellen als Türöffner für andere Chemikalien. Auch nach konventionellen Maßstäben ungiftige Stoffe können durch diesen Effekt die toxische Wirkung von Substanzen verstärken. Über die globalen Auswirkungen von diesen so genannten Chemosensitizern auf Umwelt und Mensch ist bisher wenig bekannt.

Zellen besitzen Mechanismen, die es ihnen ermöglichen, mit schädlichen Substanzen umzugehen und zu überleben. Ein solcher Schutzmechanismus wird zum Beispiel durch Transportproteine gebildet, die in der Zellmembran sitzen und als molekulare „Pumpen“ verhindern, dass sich toxische Verbindungen in der Zelle anreichern. Dieser Abwehrmechanismus gegen giftige Chemikalien wird in der englischen Fachliteratur multixenobiotic resistance (MXR) genannt. Substanzen, die den MXR-Mechanismus hemmen, werden als Chemosensitizer bezeichnet.

Die beiden neu entdeckten Proteine gehören zu den so genannten ABC-Transportern. Diese Klasse von Membranproteinen ist nach einem gemeinsamen Strukturelement benannt: der ATP-bindenden Kassette (von englisch: ATP binding cassette, ABC). ABC-Transporter sind eine der größten bekannten Proteinfamilien, die in Organismen vom Bakterium bis hin zu Säugetieren vorkommen. Beim Menschen sind ähnliche Proteine an der Blut-Hirn-Schranke beteiligt. Hier verhindern sie das Eindringen schädlicher Stoffe ins empfindliche Nervengewebe. Bei Muscheln und anderen Wasserorganismen trennt diese Barriere nicht verschiedene Teile eines Organismus, sondern ist nach außen gerichtet. Sie bildet sozusagen eine „Umwelt-Gewebe-Schranke“. „Die Proteine sitzen in der Zellmembran und sorgen dafür, dass Stoffe, die nicht in die Zelle hineingehören, wieder heraustransportiert werden – ähnlich wie bei einer Pumpe, die eindringendes Wasser aus einem Schiff abpumpt“, erklärt Dr. Till Luckenbach vom UFZ.

Mögliche Effekte von Umweltchemikalien auf das MXR-System wurden erstmalig vor fast 20 Jahren beschrieben. Aber erst in den letzten Jahren begann die Wissenschaft, solche Wirkungen intensiver zu untersuchen. „Wir wollen das System verstehen, um herauszufinden, wie Chemikalien mit diesen Transportern interagieren“, sagt Luckenbach, der in Kalifornien an der Hopkins Marine Station der Stanford University mit Untersuchungen an Miesmuscheln begann und seine Arbeiten in Leipzig am Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung an Fisch- und Säugerzellen fortsetzt.

„Bisher sind vergleichsweise wenige umweltrelevante Substanzen bekannt, die über die Blockierung des MXR-Systems diese Sensibilisierung für Chemikalien auslösen. Allerdings gehören die bekannten Substanzen zu chemisch sehr unterschiedlichen Gruppen. Das könnte ein Hinweis darauf sein, dass Interaktionen von Umweltsubstanzen mit dem System recht weit verbreitet sind.“

Bisher werden Chemikalien bei der Zulassung auf ihre Gefahren wie Giftigkeit, erbgutverändernde oder krebserzeugende Wirkungen untersucht. Die Sensibilisierungswirkung von bestimmten Stoffen für andere Chemikalien – von den Wissenschaftlern Chemosensitizer genannt – spielt in der aktuellen Gesetzgebung momentan keine Rolle. Till Luckenbach und seine Kollegen sind jedoch überzeugt, dass diese Stoffe großen Einfluss auf die Umwelt haben und es wichtig ist, mehr über diese Prozesse herauszufinden.

Publikationen:
Luckenbach, T., Epel, D., (2008):
ABCB and ABCC type transporters confer multixenobiotic resistance and form an environment-tissue barrier in bivalve gills. American Journal of Physiology – Regulatory, Integrative and Comparative Physiology, 294(6):R1919-29.
doi:10.1152/ajpregu.00563.2007
http://ajpregu.physiology.org/cgi/content/abstract/294/6/R1919
Die Untersuchungen wurden von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG), dem National Sea Grant College Program des US Department of Commerce (National Oceanic and Atmospheric Administration) und der California State Resources Agency gefördert.
Epel D., Luckenbach T., Stevenson C.N., MacManus-Spencer L.A., Hamdoun A., Smital T., (2008):
Efflux transporters: newly appreciated roles in protection against pollutants. Environmental Science & Technology, 42(11):3914-3920.
http://pubs.acs.org/subscribe/journals/esthag/42/i11/html/
060108feature_epel.html
Die Untersuchungen wurden der National Science Foundation (NSF) und der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert.

Weitere fachliche Informationen über:

Dr. Till Luckenbach
Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung (UFZ)
Telefon: +49-341-235-1514
http://www.ufz.de/index.php?de=15560
und
Prof. David Epel
Hopkins Marine Station, Stanford University
Tel. +1-(831) 655-6226
http://www-marine.stanford.edu/epel.htm
oder über
Tilo Arnhold (UFZ-Pressestelle)
Telefon: 0341-235-1269
E-mail: presse@ufz.de
Weiterführende Links:
Zelltoxilkologie am UFZ:
http://www.ufz.de/index.php?de=2821
Hopkins Marine Station of Stanford University
http://www-marine.stanford.edu/
http://www.stanford.edu/~depel/
Im Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung (UFZ) erforschen Wissenschaftler die Ursachen und Folgen der weit reichenden Veränderungen der Umwelt. Sie befassen sich mit Wasserressourcen, biologischer Vielfalt, den Folgen des Klimawandels und Anpassungsmöglichkeiten, Umwelt- und Biotechnologien, Bioenergie, dem Verhalten von Chemikalien in der Umwelt, ihrer Wirkung auf die Gesundheit, Modellierung und sozialwissenschaftlichen Fragestellungen. Ihr Leitmotiv: Unsere Forschung dient der nachhaltigen Nutzung natürlicher Ressourcen und hilft, diese Lebensgrundlagen unter dem Einfluss des globalen Wandels langfristig zu sichern. Das UFZ beschäftigt an den Standorten Leipzig, Halle und Magdeburg 900 Mitarbeiter. Es wird vom Bund sowie von Sachsen und Sachsen-Anhalt finanziert.

Die Helmholtz-Gemeinschaft leistet Beiträge zur Lösung großer und drängender Fragen von Gesellschaft, Wissenschaft und Wirtschaft durch wissenschaftliche Spitzenleistungen in sechs Forschungsbereichen: Energie, Erde und Umwelt, Gesundheit, Schlüsseltechnologien, Struktur der Materie, Verkehr und Weltraum. Die Helmholtz-Gemeinschaft ist mit 25.700 Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern in 15 Forschungszentren und einem Jahresbudget von rund 2,3 Milliarden Euro die größte Wissenschaftsorganisation Deutschlands. Ihre Arbeit steht in der Tradition des großen Naturforschers Hermann von Helmholtz (1821-1894).