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Schutz vor Strychninvergiftung entwickelte sich zweimal unabhängig voneinander

14.01.2013
Wie eine Kooperationsarbeit zwischen deutschen und israelischen Wissenschaftlern nun zeigt, nimmt der Mensch giftiges Strychnin mithilfe zweier Bittergeschmacksrezeptor-Typen wahr, deren Fähigkeit Strychnin zu erkennen, sich im Verlauf der Evolution unabhängig voneinander entwickelt hat.
Diese Entdeckung ist neu und gibt einen tiefen Einblick in die Evolution des menschlichen Bittergeschmacks. Das Forscherteam um Wolfgang Meyerhof und Maik Behrens vom Deutschen Institut für Ernährungsforschung, zu dem auch Wissenschaftler der israelischen Hebrew University of Jerusalem zählen, veröffentlichte seine Ergebnisse nun in der Fachzeitschrift The Journal of Neuroscience (Born et al., 2013)*.

Strychnin ist ein sehr bitteres und giftiges pflanzliches Alkaloid. Es kommt natürlicherweise in den Samen der Brechnuss (Strychnos nux-vomica) vor und wurde früher als Rattengift eingesetzt. Eine Menge von 100-140 mg – also etwa eine Messerspitze voll – kann bereits einen 70 Kilogramm schweren Menschen töten.

Blick auf die Bindungstasche des Bitterrezeptors hTAS2R46 mit seinem angekoppelten Bitterstoff Strychnin. Der Rezeptor ist ohne extra- und intrazelluläre Schleifen dargestellt, wobei die Transmembranregionen als Zylinder erscheinen und die Transmembranregion V zur besseren Übersichtlichkeit ausgeblendet wurde.

DIfE (Abteilung Molekulare Genetik)

Der Mensch besitzt zwei Bitterrezeptor-Typen, den TAS2R10 und den TAS2R46, die empfindlich auf Strychnin reagieren. Beide Rezeptoren erkennen neben Strychnin auch ein breites Spektrum unterschiedlicher Bitterstoffe.

Um mehr über den funktionellen Aufbau und die Entwicklungsgeschichte der beiden Bitterrezeptoren zu erfahren, untersuchten die Wissenschaftler die Struktur und Funktion der Rezeptor-Innenarchitektur, die für die Bindung von Strychnin und die Entstehung des Bittersignals entscheidend ist.

„Wie unsere Untersuchungen erstmals zeigen, sind je nach Rezeptortyp andere Aminosäurereste** für die Strychnin-Bindung und die Signalauslösung wichtig. Beide Rezeptoren binden Strychnin also auf unterschiedliche Weise“, sagt Stephan Born, Erstautor der Studie. „Das bedeutet, dass sich die Fähigkeit beider Bitterrezeptoren, Strychnin zu erkennen, während der Evolution unabhängig voneinander entwickelt haben muß“, erklärt Studienleiter Maik Behrens.

Darüber hinaus wiesen die Wissenschaftler am Beispiel des TAS2R10 nach, dass die Eigenschaft, viele Bitterstoffe gleichsam erkennen zu können, auf Kosten einer höheren Empfindlichkeit gegenüber einzelnen Bitterstoffen geht. „Diese Breitbandwahrnehmung von Bitterstoffen muss aus evolutionärer Sicht für den Menschen von Vorteil gewesen sein. Hierfür spricht auch, dass sich diese Eigenschaft beim TAS2R10 und TAS2R46 unabhängig voneinander entwickelt hat“, sagt Wolfgang Meyerhof, Leiter der Abteilung Molekulare Genetik am DIfE.
„Die Entstehung zweier unterschiedlich arbeitender Strychninrezeptoren könnte mit der kürzlich entdeckten Existenz natürlicher Bitterrezeptorblocker*** im Zusammenhang stehen. Selbst wenn einer der beiden Rezeptoren durch einen Bitterblocker in seiner Funktion beeinträchtigt würde, wäre der andere aufgrund der unterschiedlichen Erkennungsmechanismen immer noch funktionstüchtig. Eine gleichzeitige Blockade beider Rezeptoren und eine damit verbundene, fatale Fehlerkennung, die zur Vergiftung führt, wäre so unwahrscheinlich“, vermutet Maik Behrens. Dies könne ein eindeutiger Selektionsvorteil gewesen sein.

Hintergrundinformation:

*Stephan Born, Anat Levit, Masha Y. Niv, Wolfgang Meyerhof, and Maik Behrens: The Human Bitter Taste Receptor TAS2R10 Is Tailored to Accommodate Numerous Diverse Ligands. The Journal of Neuroscience 2013, 33(1):201-213; doi:10.1523/JNEUROSCI.3248-12.2013

**Aminosäurereste: Bittergeschmacksrezeptoren sind Eiweißmoleküle. Sämtliche Eiweißmoleküle sind aus Eiweißbausteinen (Aminosäuren) aufgebaut, wobei sich durch die dreidimensionale Faltung der Aminosäurekette eine Bindungstasche ausbildet. In diese Tasche ragen Seitenreste der Aminosäuren hinein, die mit Bitterstoffen in Wechselwirkung treten können.

***Wissenschaftler des Deutschen Instituts für Ernährungsforschung (DIfE) haben in Zusammenarbeit mit italienischen Forschern der Universität Piemont erstmals zwei natürliche Substanzen aus Wermutgewächsen isoliert, die natürliche Bitterblocker sind (Brockhoff, A. et al. 2011; DOI:10.1523/JNEUROSCI.2923-11.2011).

Das DIfE ist Mitglied der Leibniz-Gemeinschaft. Es erforscht die Ursachen ernährungsbedingter Erkrankungen, um neue Strategien für Prävention, Therapie und Ernährungsempfehlungen zu entwickeln. Forschungsschwerpunkte sind dabei Adipositas (Fettsucht), Diabetes, Herz-Kreislauf-Erkrankungen und Krebs. Das DIfE ist zudem ein Partner des 2009 vom BMBF geförderten Deutschen Zentrums für Diabetesforschung (http://www.dzd-ev.de).

Die Leibniz-Gemeinschaft verbindet 86 selbständige Forschungseinrichtungen. Deren Ausrichtung reicht von den Natur-, Ingenieur- und Umweltwissenschaften über die Wirtschafts-, Raum- und Sozialwissenschaften bis zu den Geisteswissenschaften. Leibniz-Institute bearbeiten gesellschaftlich, ökonomisch und ökologisch relevante Fragestellungen. Sie betreiben erkenntnis- und anwendungsorientierte Grundlagenforschung. Sie unterhalten wissenschaftliche Infrastrukturen und bieten forschungsbasierte Dienstleistungen an. Die Leibniz-Gemeinschaft setzt Schwerpunkte im Wissenstransfer in Richtung Politik, Wissenschaft, Wirtschaft und Öffentlichkeit. Leibniz-Institute pflegen intensive Kooperationen mit den Hochschulen, mit der Industrie und anderen Partnern im In- und Ausland. Sie unterliegen einem maßstabsetzenden transparenten und unabhängigen Begutachtungsverfahren. Aufgrund ihrer gesamtstaatlichen Bedeutung fördern Bund und Länder die Institute der Leibniz-Gemeinschaft gemeinsam. Die Leibniz-Institute beschäftigen rund 16.500 Personen, darunter 7.700 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler. Der Gesamtetat der Institute liegt bei 1,4 Milliarden Euro. Näheres unter http://www.leibniz-gemeinschaft.de.
Kontakt:

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Deutsches Institut für Ernährungsforschung
Potsdam-Rehbrücke (DIfE)
Abteilung Molekulare Genetik
Arthur-Scheunert-Allee 114-116
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Tel: +49(0)33200 88 2282/2556
E-Mail: meyerhof@dife.de
Dr. Maik Behrens
Deutsches Institut für Ernährungsforschung
Potsdam-Rehbrücke (DIfE)
Abteilung Molekulare Genetik
Arthur-Scheunert-Allee 114-116
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Deutsches Institut für Ernährungsforschung
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Dr. Gisela Olias | idw
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