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G-Proteine als regulatorische Komponenten bei Mensch und Pilz

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Für die Entwicklung vielzelliger Organismen sind sowohl die Reaktion auf äußere Reize als auch die Kommunikation der einzelnen Zellen untereinander wichtig. Zu den zentralen Molekülen, die Signale in der Zelle weiterleiten, gehören GTP-bindende Proteine (G-Proteine).

Sie bestehen oft aus mehreren Untereinheiten, und viele Organismen besitzen wiederum mehrere, leicht unterschiedliche Gene für jede Untereinheit. Daher ist es nicht immer einfach herauszufinden, welche Untereinheiten miteinander interagieren und welche Signale sie weiterleiten. RUB-Biologen um Prof. Dr. Ulrich Kück ist es nun zum ersten Mal gelungen, alle Kombinationen von G-alpha-Protein- und Rezeptor-Mutanten in einem Pilz zu untersuchen, um die Funktion der einzelnen Untereinheiten zu überprüfen.

Dabei zeigte sich, dass die G-Proteine während der sexuellen Entwicklung des Pilzes unterschiedliche Aufgaben übernehmen. "Dies ist nicht nur ein wichtiger Schritt in der Aufklärung der Entwicklung vielzelliger Pilze, sondern lässt auch Rückschlüsse auf hochentwickelte Organismen zu", erläutert Prof. Kück. Die Arbeit ist Cover-Story der aktuellen Ausgabe der Zeitschrift Genetics.
Wozu ein Organismus mehrere G-alpha-Proteine braucht

Eine der wichtigsten Gruppen der G-Proteine sind die so genannten heterotrimeren G-Proteine, die aus den Untereinheiten alpha, beta und gamma bestehen. Sie kommen bei allen eukaryotischen (kernhaltigen) Lebewesen vor, d.h. unter anderem bei Tieren, Pilzen und Pflanzen. Die meisten Organismen enthalten allerdings nicht nur ein G-Protein-Gen für jede Untereinheit, sondern gleich mehrere verschiedene Versionen, die theoretisch alle untereinander kombiniert werden können. So finden sich im Genom des Menschen allein 27 verschiedene Gene für G-alpha-Untereinheiten. Vielzellige Pilze haben dagegen meist nur drei G-alpha-Untereinheiten, außerdem lassen sie sich mit molekularbiologischen Methoden bearbeiten.

Dies ermöglichte es den Wissenschaftlern, sämtliche Kombinationen von G-alpha-Protein-Mutanten in dem Pilz Sordaria macrospora zu untersuchen, um die Wirkung der einzelnen Protein-Untereinheiten zu überprüfen. "Wir konnten zeigen, dass die G-alpha-Untereinheit GSA1 die wichtigste Rolle in der Entwicklung der Fruchtkörper, d.h. der sexuellen Strukturen des Pilzes spielt", so Prof. Kück. "Die Untereinheit GSA2 hat dagegen eine Art 'Backup'-Funktion und kann einige, aber nicht alle Funktionen von GSA1 übernehmen". Die dritte Untereinheit ist an einem anderen, parallel geschalteten Signalübertragungsweg beteiligt, der ebenfalls für die sexuelle Entwicklung benötigt wird.

Regulatorische Netzwerke: Viele Wege führen zum Ziel

Die RUB-Forscher haben nicht nur die G-Protein-Untereinheiten, sondern auch die vorgeschalteten Rezeptoren sowie nachgeschaltete Moleküle der Signalweiterleitung untersucht. Dabei konnten sie feststellen, dass es neben den "Hauptwegen" der Signalübermittlung viele Verzweigungen gibt, welche die einzelnen Komponenten miteinander verbinden. Es handelt sich nicht um eine rein lineare Signalweiterleitung, sondern um ein regulatorisches Netzwerk, dessen einzelne Komponenten unterschiedlich stark in verschiedene Signalwege eingebunden sind.

Pilze in allen Lebensräumen

Die Ergebnisse sind ein wichtiger Schritt in der Untersuchung der Entwicklung von Pilzen, über die auf molekularer Ebene noch wenig bekannt ist. Die Analysen sind umso wichtiger, da es ca. 1,5 Millionen Pilz-Spezies gibt und Pilze in allen bisher untersuchten Lebensräumen vorkommen, wo sie eine wichtige Rolle im ökologischen Gleichgewicht spielen. Weiterhin sind Pilze von großer Bedeutung in Landwirtschaft, Medizin und Biotechnologie, so dass das Verständnis ihrer Biologie nicht nur für die Grundlagenforschung, sondern auch für viele Anwendungen relevant ist.

Arbeit im botanischen Sonderforschungsbereich

Die Untersuchungen zu G-Proteinen bei Pilzen sind Teil des Projekts A1 des Sonderforschungsbereichs SFB 480, der durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft gefördert wird. Die Projekte des SFB 480 sind Teil der molekularen Botanik, und beinhalten die Erforschung von Bakterien, Algen, Pilzen und höheren Pflanzen. Die Untersuchung der pilzlichen G-Proteine wurde z. B in der Zeitschrift Genetics veröffentlicht, einer der international renommiertesten genetischen Zeitschriften, die von der amerikanischen Gesellschaft für Genetik herausgegeben wird.

Titelaufnahme

Kamerewerd J., Jansson M., Nowrousian M., Pöggeler S., Kück U. (2008): Three alpha subunits of heterotrimeric G proteins and an adenylyl cyclase have distinct roles in fruiting body development in the homothallic fungus Sordaria macrospora. In: Genetics 180: 191-206, doi:10.1534/genetics.108.091603

Weitere Informationen

Prof. Dr. Ulrich Kück, Lehrstuhl für Allgemeine und Molekulare Botanik, Fakultät für Biologie und Biotechnologie, Ruhr-Universität Bochum, 44780 Bochum, Tel. 0234/32-26212, ulrich.kueck@rub.de, Homepage des SFB 480: http://www.ruhr-uni-bochum.de/sfb480/

Dr. Josef König | Quelle: Informationsdienst Wissenschaft
Weitere Informationen: www.ruhr-uni-bochum.de/sfb480/

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