Warum hellbraune Fliegen fehlsichtig sind

Hellbraune Fliegen mit Sehfehler

Enzym beeinflusst Reizwahrnehmung und Pigmentierung
RUB-Biochemiker berichten in PLoS

Warum Taufliegen mit einer bestimmten Pigmentierungsstörung nicht nur ungewöhnlich hellbraun sind, sondern auch Lichtreize nur eingeschränkt wahrnehmen können, fanden Biochemiker der Ruhr-Universität um Prof. Dr. Bernhard Hovemann (AG Molekulare Zellbiochemie) mit einem internationalen Forscherteam heraus: Den Tieren fehlt das Enyzm Tan. Es ist zum einen an der Bildung des Farbstoffs Melanin beteiligt, aber ermöglicht zum anderen auch das „Recycling“ des Botenstoffs Histamin, der für die Weiterleitung optischer Reize von Bedeutung ist. Die Forscher konnten das Enzym identifizieren und charakterisieren und seine verschiedenen Rollen beschreiben. Darüber berichten sie in der aktuellen Ausgabe von PLoS Genetics.

Fliegen ohne Tan-Enzym: Hellbraun und fehlsichtig

Die Mutante „tan“ der Taufliege (Drosophila melanogaster), der das Enzym Tan fehlt, wurde bereits Anfang des 20. Jahrhunderts entdeckt. Auffällig ist die hellbraune und somit namensgebende Färbung der Tiere. Fliegen mit dieser Pigmentierungsstörung zeigen gleichzeitig aber auch eine eingeschränkte Reaktion auf Lichtreize: „Normale Fliegen orientieren sich in der Natur immer zum Licht hin, während Tiere ohne Tan-Enzym in dieser Funktion eingeschränkt sind“, erklärt Prof. Hovemann. Die genauen Zusammenhänge zwischen dem Enzym, der Körperpigmentierung und der Wahrnehmung von Lichtreizen konnten die Bochumer Forscher erstmals direkt nachweisen.

Vorstufe des Farbstoffs Melanin …

Tan spielt in unterschiedlichen Vorgängen verschiedene Rollen: In der Kutikula der sich entwickelnden Körperhülle der Fliege reguliert das Protein die Dopamin-Konzentration. Dopamin wiederum wird zu dem dunklen Farbstoff Melanin umgewandelt, welcher an der Ausbildung der für normale Fliegen typischen dunklen Pigmentbereiche beteiligt ist. Die Mutante „tan“, der das Enzym fehlt, ist deswegen heller als ihre Artgenossen.

… und Grundlage des Botenstoffs Histamin

Im Facettenauge von Drosophila ermöglicht Tan mit einer fast identischen chemischen Reaktion die Freisetzung von Histamin aus einem Vorläufermolekül. „Seine Funktion ist aber eine ganz andere: Histamin fungiert als Neurotransmitter, der als Reaktion auf Lichtreize aus der Umwelt von den Photorezeptorzellen im Auge als Botenstoff ausgeschüttet wird“, so Prof. Hovemann. Da dieser Vorgang kontinuierlich und mit sehr hoher Geschwindigkeit abläuft, muss der Körper das Histamin „recyceln“: Da es nach Gebrauch inaktiviert wird muss es anschließend wieder verfügbar gemacht werden. Die Inaktivierung durch eine chemische Modifikation geschieht durch das von der RUB-Arbeitsgruppe im Jahr 2003 charakterisierte Enzym „Ebony“. Die Aufgabe des Tan-Enzyms liegt dem derzeitigen Modell nach in der Reaktivierung des Histamins durch die Abspaltung der von Ebony geleisteten Modifikation. So sorgt Tan dafür, dass das Histamin wieder zur Weiterleitung optischer Signale zur Verfügung steht. Fehlt das Enzym, ist zu wenig Botenstoff verfügbar und die Wahrnehmung daher gestört.

Welches Gen das Enzym verschlüsselt

Die Arbeitsgruppe konnte das Gen tan erstmals identifizieren. „Die biochemische Rolle des Proteins konnte zwar schon früh aus anderen Untersuchungen abgeleitet werden; von welchem konkreten Gen dieses Enzym verschlüsselt wird, war zuvor jedoch nicht bekannt“, erklärt Prof. Hovemann. Zum Zuge kam hier eine Kombination aus genetischen Kreuzungsmethoden, elektrophysiologischen und molekularbiologischen Analysetechniken sowie der Nutzung der öffentlich zugänglichen, vollständigen Genomsequenz von Drosophila.

Kreislauf des Botenstoffs Histamin scheint geklärt

Im zweiten Teil der Arbeit gehen die Forscher auf die Rolle des Tan-Enzyms ein. Nach Isolierung des Proteins konnten sie seine chemische Aktivität untersuchen, indem sie die jeweiligen Vorstufen von Dopamin und Histamin in der vermuteten Reaktion zugaben. Auf chemisch-analytischem Wege konnten so die Endprodukte und damit auch die chemischen Fähigkeiten des Proteins nachgewiesen werden. Die physiologische Rolle von Tan im Kreislauf des Neurotransmitters Histamin lässt sich durch Tests der Wahrnehmung optischer Signale analysieren. „Dabei zeigte sich, dass die Sehfähigkeit von der vorhandenen Menge an Tan-Protein und damit von der Menge an zur Verfügung stehendem Neurotransmitter abhängt“, so Prof. Hovemann. Die Ergebnisse schließen eine bisherige Lücke im Wissen über die Regulation der Pigmentierung und die optische Reizwahrnehmung bei Drosophila.

Titelaufnahme

True JR, Yeh SD, Hovemann BT, Kemme T, Meinertzhagen IA, et al. (2005): Drosophila tan Encodes a Novel Hydrolase Required in Pigmentation and Vision. PLoS Genet 1(5): e63

Weitere Informationen

Prof. Dr. Bernhard Hovemann, Fakultät für Chemie der Ruhr-Universität Bochum, 44780 Bochum, Tel. 0234/32-24235, NC 5/170, E-Mail: bernhard.hovemann@ruhr-uni-bochum.de, Internet: http://www.rub.de/ag-hovemann
Artkel im Netz: http://genetics.plosjournals.org/perlserv/?request=get-document&doi=10.1371/journal.pgen.0010063