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Tödliche Parasiten erfinden das Rad neu

26.03.2015

Berner Forschende haben in Trypanosomen, einzelligen Parasiten, eine Art winzige Maschine entdeckt, die den Transport von Proteinen durch die Zelle steuert. Dieser Fund könnte helfen, eine der wichtigsten Fragen der Evolutionsbiologie zu beantworten: Wie entstanden komplexe Zellen?

Trypanosomen sind die Exoten unter den Einzellern: Sie haben sich über Hunderte von Jahrmillionen isoliert von anderen Organismen entwickelt und unterscheiden sich daher stark von diesen. Für Evolutionsbiologen sind die Parasiten interessant, weil sie Einblicke in die Frühphase komplexer Lebensformen bieten.


Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme zweier Trypanosomen (blau), die im Blut schwimmen. Bei der runden Struktur handelt es sich um ein rotes Blutkörperchen.

Christopher Jackson

«Wie sich komplexe Zellen entwickelten, ist eine der wichtigsten Fragen der Evolutionsbiologie», sagt André Schneider vom Departement für Chemie und Biochemie der Universität Bern. Er und sein Team sind der Antwort nun einen Schritt näher gekommen: Sie haben in den Trypanosomen eine Art Nano-Maschine entdeckt, die Rückschlüsse zulässt, wann diese und andere Lebensformen einst separate evolutionäre Entwicklungswege einschlugen.

Die Nano-Maschine steuert den Transport von Proteinen – quasi den zellulären Bausteinen – in das Mitochondrium der Zelle, welches für die Energieproduktion zuständig ist. Vor mehr als zwei Milliarden Jahren waren Mitochondrien noch freilebende Bakterien, die dann vom Vorfahren aller komplexen Zellen einverleibt wurden. «Anstatt wie üblich das Bakterium zu verspeisen, hat dieser es quasi als Haustier behalten», erläutert Schneider. Während das Mitochondrium Energie erzeugte, erhielt es im Gegenzug von seiner Wirtszelle Nahrung.

Rohrpost statt Förderband

Ohne dieses Zellkraftwerk hätten sich komplexe Zellen nie entwickelt und damit auch der Mensch nicht. Dass auch Trypanosomen über ein Mitochondrium mit einer Transportmaschine verfügen, war insofern zu erwarten, wie André Schneider sagt. «Ihr Aufbau ist jedoch sehr ungewöhnlich.»

Denn obwohl sie die gleiche Aufgabe erfüllen, unterscheiden sich die einzelnen Bestandteile der Trypanosomen-Maschine stark von denen anderer Lebensformen. Schneider drückt es so aus: «Wir haben ein Förderband erwartet, aber eine Rohrpost vorgefunden.» Das sei erstaunlich. In der Natur werde das Rad nämlich «nur selten neu erfunden», sondern die Evolution nutze in der Regel – wie im Fall der Zellkraftwerke – schon vorhandene Strukturen und entwickle diese weiter.

Wie lassen sich also die grossen Unterschiede zwischen den funktionell identischen Transportmaschinen verschiedener Organismen erklären? «Eine simple Version davon gab es sicher schon in der ersten komplexen Zelle», sagt Schneider dazu.

«Doch die zusätzlichen Teile der heutigen Nano-Maschinen sind offensichtlich erst entstanden, nachdem sich die komplexen Zellen bereits in Gruppen aufgespalten hatten, aus denen sich dann zum Beispiel Tiere oder eben Trypanosomen entwickelten.» Es habe in den verschiedenen Gruppen somit keine gemeinsamen Strukturen gegeben, aus denen die Maschinenteile hätten abgeleitet werden können. Sie mussten jeweils von Grund auf in jeder Gruppe neu entwickelt werden.

Fein verästelter Stammbaum

Diese einfache Erklärung, warum funktionell identische Teile in verschiedenen Spezies völlig unterschiedlich aussehen, hat laut Schneider für das Verständnis der Evolution komplexer Zellen grosse Bedeutung. «Ihr Stammbaum weist in seiner Krone Tausende feiner Verästelungen auf, deren Verlauf wir recht genau kennen. Die Antwort auf die viel wichtigere Frage, wie viele Hauptäste es im unteren Bereich des Stammbaums gibt und wo diese beginnen, ist allerdings noch unklar.» In dem man die urtümlichen Transportmaschinen mit jenen anderer Spezies vergleicht, erhält man Einblick in die frühen Verzweigungen des Stammbaums.

Neue Ansätze im Kampf gegen die Schlafkrankheit

Trypanosomen sind für die tödliche Schlafkrankheit verantwortlich, die von der Tsetsefliege übertragen wird. «Wegen unzureichenden Medikamenten ist ihre Behandlung bis heute aber oft ein Problem», sagt Schneider. Seine Erkenntnisse könnten auch für die klinische Forschung relevant sein. «Obwohl die Transportmaschinen der Trypanosomen-Mitochondrien ganz anders aussehen als die des Menschen, sind sie für das Überleben der Parasiten genauso wichtig.» Sie stellten daher interessante neue Zielstrukturen für die medikamentöse Behandlung der Schlafkrankheit dar.

Quellenangabe:

Mani J., Desy D., Niemann M., Chanfon A., Oeljeklaus S., Pusnik M., Schmidt O., Gerbeth C., Meisinger C., Warscheid B. and Schneider A. Novel mitochondrial protein import receptors in Kinetoplastids reveal convergent evolution over large phylogenetic distances, Nature Communications, 2015 (in press). DOI: 10.1038/ncomms7646

Weitere Informationen:

http://www.medienmitteilungen.unibe.ch

Nathalie Matter | Universität Bern
Weitere Informationen:
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