Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Wenn Bakterien die Grippe bekommen und ihre Messer wetzen

31.03.2011
Neuer Weg zur Aktivierung des bakteriellen Immunsystems entdeckt

Auch Mikroorganismen können durch Viren infiziert werden. Folglich haben sie Abwehrmechanismen entwickelt, um feindliche Angriffe abwehren zu können. Erst kürzlich wurde bei Bakterien und Archaeen der Gen-Protein-Komplex CRISPR/Cas entdeckt, der als Immunsystem fremde Gene unschädlich macht. Das System, das auch als prokaryotische RNA-Interferenz bekannt ist, besteht aus Proteinen und kurzen RNA-Molekülen (crRNAs), die feindliche Gene blockieren.

Ein wichtiger Teil der Aktivierung des mikrobiellen Immunsystems ist die Reifung der crRNAs. Wissenschaftler im schwedischen Umeå haben jetzt in Zusammenarbeit mit Kollegen der Universität Würzburg einen neuen Weg gefunden, der zur Aktivierung der crRNAs führt. Die Ergebnisse werfen neues Licht auf die Übertragung von Virulenz bei Krankenhauskeimen und die Immunität von Bakterienstämmen bei der Herstellung von Milchprodukten (Nature, 31. März 2011).

Mikroorganismen sind ständigen Angriffen durch Viren, Bakteriophagen genannt, oder ringförmigen Nukleinsäuren anderer Bakterien, Plasmiden, ausgesetzt. Diese fremden Gene können das Genom des Wirts zur Selbstzerstörung umprogrammieren oder ihm neue Eigenschaften zur Antibiotika-Resistenz verleihen.

Um sich gegen eine Infektion zu schützen, entwickelten Mikroorganismen ein ausgeklügeltes Abwehrsystem. CRISPRs ist die Abkürzung für die englische Bezeichnung Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats. Dies sind Genabschnitte für ein Protein (Cas) und zusätzlich sogenannten Spacern, Abschnitten, die spezifisch fremde Gene erkennen und deren Zerstörung bestimmen. Zwischen diesen kodierenden Gensequenzen befinden sich wiederholende gleiche Genabschnitte. Das mikrobielle Immunsystem ist sehr komplex und es existieren viele Subtypen, die sich in der Kombination der beteiligten Genabschnitte unterscheiden.

Der CRISPR/CAS Mechanismus ist erst seit wenigen Jahren bekannt und viele Details um seine Regulation und Mechanismen sind noch unklar. Völlig neue Erkenntnisse liefert nun die Forschungsarbeit von Dr. Emmanuelle Charpentier und ihrem Team am Labor für Molekulare Infektionsmedizin (MIMS) im schwedischen Umeå in Zusammenarbeit mit Prof. Dr. Jörg Vogel am Institut für Molekulare Infektionsbiologie (IMIB) der Universität Würzburg, Deutschland.

Wie funktioniert das Immunabwehrsystem CRISPR/Cas in Mikroorganismen? Wenn Bakterien und Archaeen Virus- oder Plasmid-Angriffen ausgesetzt sind, werden kurze Stücke von der feindlichen DNA injiziert und in den CRISPR-Genkomplex eingebaut. Diese Veränderung des Genoms führt zur Umprogrammierung der mikrobiellen Wirtszelle, die die eingebauten Genabschnitte als immunologisches Gedächtnis nutzt und der Zelle Immunität gegen künftige Infektionen mit den gleichen Genen verleiht. Im nachfolgenden Prozess, der crRNA-Reifung, bildet die Wirtszelle RNA-Moleküle, die dem CRISPR-Komplex korrespondieren. Diese RNA-Moleküle werden in spezifische Sequenzen gespalten und im letzten Schritt der Immunreaktion, dem sogenannten Stilllegen der fremden Gene, erkennen diese kurzen crRNA-Stückchen das Fremdgenom wieder und führen es der zellulären Abbaumaschine zur Zerstörung zu.

Bisherige Forschung ging davon aus, dass bei allen Reaktionen des Immunsystems die Beteiligung von Cas-Protein ausreicht. Die neusten Forschungsergebnisse von Charpentier und ihren Kollegen zeigen jetzt, dass zusätzliche Faktoren im Wirtsgenom für die Aktivierung des CRISPR-Mechanismus benötigt werden, die an RNA-Interferenz bei höheren Organismen erinnern.

“Wir haben die CRISPR/Cas-Immunreaktion in unserem Modellorganismus, Streptococcus pyogenes, einem humanpathogenen Bakterium untersucht“, erklärt Dr. Emmanuelle Charpentier, die die Studie leitete und ehemals an den Max F. Perutz Laboratories in Wien, Österreich, tätig war. „Völlig überraschend entdeckten wir einen neuen Reaktionsweg zur Aktivierung von CRISPR, bei dem - bisher völlig unbekannt - drei neue Faktoren an der Reifung der crRNA beteiligt sind: (1) kurze RNA-Stücke (small RNA), (2) ein Protein des Wirts, Endoribonuklease III genannt, und (3) ein bisher unbekanntes Protein Csn1.“

“Das Zusammenspiel dieser Faktoren führt zu einem besonders exakten Abwehrmechanismus“, erklärt Charpentier. „Das kleine Erkennungs-RNA –Molekül bindet jeweils an der sich wiederholenden Stelle der CRISPRs-Vorläufer RNA. Dieser Komplex wird dann von der bakterieneigenen Endoribonuklease III erkannt und spaltet unter Mithilfe von Csn1 die RNA in die kurzen crRNA-Stückchen. Diese können die fremden Gene in Zukunft korrekt erkennen und beseitigen.“ Bei Eukaryoten sind es die Enzyme Dicer und Drosha, die mit den Endoribonukleasen III zusammenwirken und zur Bildung von kleinen interferierenden RNA-Molekülen führen.

„So gesehen, haben wir nun gezeigt, dass der bakterielle Mechanismus zur Reifung von crRNA unter Beteiligung von Endoribonuklease III während der Evolution zu Eukaryonten konserviert blieb“, erklärt Charpentier. “Dies zeigt, dass das CRISPR/Cas System in vielen Varianten in unterschiedlichen Organismen vorkommen kann. Zusätzlich stellt sich nun die Frage, ob vielleicht noch weitere Faktoren der bakteriellen Wirtszelle bei Immunabwehr benötigt werden könnten. Dies werden künftige Forschungsprojekte zeigen.“

“Der neue Reaktionsweg schützt die Bakterien davor, von Phagen abgetötet zu werden“, fährt Charpentier fort. “Wir konnten zeigen, dass dieser Mechanismus die Bakterien vor der Übertragung weiterer Krankheitsfaktoren durch Viren schützt. Bei Erregern, die wir in Krankenhäusern isolierten, verhinderte das CRISPR-System die Übertragung von Virulenzfaktoren. Damit könnte CRISPR auch einen alternativen Ansatz zur Bekämpfung von resistenten Krankheitserregern in Kliniken eröffnen.“

“Alternativ kann die besondere Förderung des neuen Signalweges bei nützlichen Bakterienstämmen dazu führen, dass Nutzorganismen gegen zerstörerische Viren-Angriffe resistent bleiben und nicht verändert werden. Dies könnte beispielsweise zu höherer mikrobieller Stabilität in der Produktion von Molkereiprodukten führen. “

Anfragen bitte an:

Dr. Emmanuelle Charpentier
The Laboratory for Molecular Infection Medicine Sweden (MIMS) and the
Umeå Centre for Microbial Research UCMR
Umeå University
90187 Umeå Sweden
emmanuelle.charpentier@mims.umu.se
http://www.mims.umu.se http://www.ucmr.umu.se
Originalpublikation:
Elitza Deltcheva, Krzysztof Chylinski, Cynthia M. Sharma, Karine Gonzales, Yanjie Chao, Zaid A. Pirzada, Maria R. Eckert, Jörg Vogel & Emmanuelle Charpentier; CRISPR RNA maturation by trans-encoded small RNA and host factor RNase III. Nature 31 March 2011 (doi:10.1038/nature09886).

Die schwedisch-deutsche Forschungs-Zusammenarbeit wurde durch den schwedischen Forschungsrat, die Deutsche Forschungsgemeinschaft, das deutsche Bundesministerium für Bildung und Forschung und die Europäische Union finanziert.

Das Labor für Molekulare Infektionsmedizin Schweden, MIMS, ist der schwedische Teil der nordischen EMBL-Partnerschaft für Molekulare Medizin. Die Erforschung der molekularen Mechanismen von Infektionen und die Entwicklung neuer antimikrobieller Strategien stehen im Fokus der Forschung. MIMS ist Teil des Forschungskonsortiums „Umeå Centre for Microbial Research UCMR. Weitere Information zum Labor: http://www.mims.umu.se.

Das Institut für Molekulare Infektionsbiologie (IMIB) ist eine interdisziplinäre Einrichtung der Medizinischen Fakultät der Universität Würzburg. Die Forschung konzentriert sich auf die Erreger von Infektionskrankheiten. Die Forschungsschwerpunkte liegen auf der Analyse molekularer Mechanismen der Genregulation in krankheitserregenden Bakterien, Parasiten und Pilzen, sowie Abwehrreaktionen von Wirten. http://www.infektionsforschung.uni-wuerzburg.de

Eva-Maria Diehl | idw
Weitere Informationen:
http://www.infektionsforschung.uni-wuerzburg.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht 'Fix Me Another Marguerite!'
23.06.2017 | Universität Regensburg

nachricht Schimpansen belohnen Gefälligkeiten
23.06.2017 | Max-Planck-Institut für Mathematik in den Naturwissenschaften (MPIMIS)

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Can we see monkeys from space? Emerging technologies to map biodiversity

An international team of scientists has proposed a new multi-disciplinary approach in which an array of new technologies will allow us to map biodiversity and the risks that wildlife is facing at the scale of whole landscapes. The findings are published in Nature Ecology and Evolution. This international research is led by the Kunming Institute of Zoology from China, University of East Anglia, University of Leicester and the Leibniz Institute for Zoo and Wildlife Research.

Using a combination of satellite and ground data, the team proposes that it is now possible to map biodiversity with an accuracy that has not been previously...

Im Focus: Klima-Satellit: Mit robuster Lasertechnik Methan auf der Spur

Hitzewellen in der Arktis, längere Vegetationsperioden in Europa, schwere Überschwemmungen in Westafrika – mit Hilfe des deutsch-französischen Satelliten MERLIN wollen Wissenschaftler ab 2021 die Emissionen des Treibhausgases Methan auf der Erde erforschen. Möglich macht das ein neues robustes Lasersystem des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnologie ILT in Aachen, das eine bisher unerreichte Messgenauigkeit erzielt.

Methan entsteht unter anderem bei Fäulnisprozessen. Es ist 25-mal wirksamer als das klimaschädliche Kohlendioxid, kommt in der Erdatmosphäre aber lange nicht...

Im Focus: Climate satellite: Tracking methane with robust laser technology

Heatwaves in the Arctic, longer periods of vegetation in Europe, severe floods in West Africa – starting in 2021, scientists want to explore the emissions of the greenhouse gas methane with the German-French satellite MERLIN. This is made possible by a new robust laser system of the Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT in Aachen, which achieves unprecedented measurement accuracy.

Methane is primarily the result of the decomposition of organic matter. The gas has a 25 times greater warming potential than carbon dioxide, but is not as...

Im Focus: How protons move through a fuel cell

Hydrogen is regarded as the energy source of the future: It is produced with solar power and can be used to generate heat and electricity in fuel cells. Empa researchers have now succeeded in decoding the movement of hydrogen ions in crystals – a key step towards more efficient energy conversion in the hydrogen industry of tomorrow.

As charge carriers, electrons and ions play the leading role in electrochemical energy storage devices and converters such as batteries and fuel cells. Proton...

Im Focus: Die Schweiz in Pole-Position in der neuen ESA-Mission

Die Europäische Weltraumagentur ESA gab heute grünes Licht für die industrielle Produktion von PLATO, der grössten europäischen wissenschaftlichen Mission zu Exoplaneten. Partner dieser Mission sind die Universitäten Bern und Genf.

Die Europäische Weltraumagentur ESA lanciert heute PLATO (PLAnetary Transits and Oscillation of stars), die grösste europäische wissenschaftliche Mission zur...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Von Batterieforschung bis Optoelektronik

23.06.2017 | Veranstaltungen

10. HDT-Tagung: Elektrische Antriebstechnologie für Hybrid- und Elektrofahrzeuge

22.06.2017 | Veranstaltungen

„Fit für die Industrie 4.0“ – Tagung von Hochschule Darmstadt und Schader-Stiftung am 27. Juni

22.06.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Radioaktive Elemente in Cassiopeia A liefern Hinweise auf Neutrinos als Ursache der Supernova-Explosion

23.06.2017 | Physik Astronomie

Dünenökosysteme modellieren

23.06.2017 | Ökologie Umwelt- Naturschutz

Makro-Mikrowelle macht Leichtbau für Luft- und Raumfahrt effizienter

23.06.2017 | Materialwissenschaften