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Essentielles Spurenelement Selen

So schützt Selen Nervenzellen im Gehirn

| Redakteur: Dr. Ilka Ottleben

Grafische Zusammenfassung der Cell-Publikation, rechts: Dr. Carsten Berndt (links) und Dr. Gereon Poschmann (rechts) vor dem Gerät, mit dem mittels Massenspektrometrie der Redoxzustand der Glutathionperoxidase 4 (siehe links) bestimmt wurde.
Grafische Zusammenfassung der Cell-Publikation, rechts: Dr. Carsten Berndt (links) und Dr. Gereon Poschmann (rechts) vor dem Gerät, mit dem mittels Massenspektrometrie der Redoxzustand der Glutathionperoxidase 4 (siehe links) bestimmt wurde. (Bild: Ingold et al., Cell, 2017 / HZM / Uni Düsseldorf)

200 Jahre nach der Entdeckung des Spurenelements Selen zeigen Forschende am Helmholtz Zentrum München und der Heinrich-Heine Universität Düsseldorf zum ersten Mal, warum dieses chemische Element essenziell für das Überleben von Säugetieren ist. Als Bestandteil des Enzyms GPX4 schützt Selen bestimmte Nervenzellen im Laufe der Entwicklung vor dem Zelltod, berichten die Wissenschaftler

Neuherberg – Vor 200 Jahren entdeckte der schwedische Wissenschaftler Jöns Jacob Berzelius das Spurenelement Selen, das er nach der Mondgöttin Selene benannte. Neben seiner industriellen Anwendung (chemische Industrie, Herstellung von Halbleitern und Tonern), ist es auch ein essenzielles Spurenelement und somit überlebenswichtig für den Menschen, viele Tiere und manche Bakterien. Warum das so ist, konnte nun ein Team um Dr. Marcus Conrad, Gruppenleiter am Institut für Entwicklungsgenetik (IDG) des Helmholtz Zentrums München, unter Mithilfe von Dr. Carsten Berndt (Klinik für Neurologie, Heinrich-Heine Universität) und Dr. Gereon Poschmann (Molecular Proteomics Laboratory, Heinrich-Heine Universität) zum ersten Mal zeigen.

Wissenschaftlicher „Beifang“ löst Jahrzehnte altes Rätsel

Die Wissenschaftler beschäftigen sich seit Jahren mit einer als Ferroptose bekannten Form des Zelltods. In diesem Zusammenhang spielt das Enzym GPX4 eine wichtige Rolle, das normalerweise Selen in Form der Aminosäure Selenocystein enthält. GPX4 steht für das Enzym Glutathionperoxidase 4, eines von 25 Selenoproteinen im Menschen. Im Enzym ist das Selen ein integraler Bestandteil der 21. Aminosäure Selenocystein. Bei der Ferroptose handelt es sich um den Zerfall von Zellen (griechisch ptosis: der Fall) in Abhängigkeit von Eisen (lateinisch Ferrum). Bisher ist die Ferroptose noch unvollständig verstanden, aber die Wichtigkeit des zellulären Suizids hat sich beispielsweise durch die weitaus besser erforschte Apoptose bereits eindrucksvoll bestätigt.

„Um die Rolle von GPX4 besser zu beschreiben, hatten wir Mausmodelle etabliert und untersucht, bei denen das Enzym verändert war“, erklärt Studienleiter Conrad. „Dabei fiel uns vor allem eines auf, bei dem GPX4 nicht mit Selen, sondern mit Schwefel gebildet wird.“ Den Wissenschaftlern zufolge war dieses Modell aufgrund neurologischer Komplikationen nicht länger als drei Wochen lebensfähig.

Selen schützt die Nervenzellen vor oxidativem Stress

Auf der Suche nach den Ursachen stießen die Forscher auf bestimmte Nervenzellen im Gehirn, die ohne selenhaltiges GPX4 fehlten. „In weiteren Untersuchungen konnten wir zeigen, dass diese Nervenzellen während der Entwicklung durch Ferroptose zugrunde gegangen waren, wenn kein selenhaltiges GPX4 vorlag“, so Erstautorin Irina Ingold vom IDG.

Weiterhin konnten die Wissenschaftler zeigen, dass die Ferroptose vor allem durch starken oxidativen Stress ausgelöst wird, wie er durch hohe Stoffwechselaktivität und bei der Signalübertragung in Nervenzellen typisch ist. „Unsere Studie belegt zum ersten Mal, dass Selen ein essenzieller Faktor für die postnatale Entwicklung eines ganz bestimmten Typs von Nervenzellen ist“, ordnet IDG-Wissenschaftler Dr. José Pedro Friedmann Angeli die Ergebnisse ein. „Selenhaltiges GPX4 schützt die Nervenzellen vor oxidativem Stress und dem dadurch bedingten Absterben.“

Rolle der Ferroptose bei verschiedenen Erkrankungen verstehen

Damit erklärt die Studie, warum Selenoenzyme in manchen Organismen wie den Säugern essenziell sind, wohingegen sie bei anderen Organismen wie Pilzen und höhere Pflanzen entbehrlich sind. Künftig will Studienleiter Marcus Conrad mit seinem Team untersuchen, wie und wo genau in der Zelle die Ferroptose ausgelöst wird. Langfristig gehe es ihm darum, die Rolle der Ferroptose bei verschiedenen Erkrankungen zu verstehen, um derzeit noch nicht oder nur schwer therapierbare Erkrankungen wie Krebs oder Neurodegeneration lindern zu können.

Weitere Partner innerhalb des Helmholtz Zentrums München, mit denen die Publikation umgesetzt wurde, sind Dr. Hans Zischka (Institut für Toxikologie), Dr. Martin Jastroch (Institut für Diabetes und Adipositas), Prof. Dr. Axel Walch und Dr. Michaela Aichler (Abteilung Analytische Pathologie). Die Doktorandinnen Irina Ingold und Katalin Buday sind Teilnehmerinnen der Helmholtz Graduate School Environmental Health, kurz HELENA.

Originalpublikation: Ingold, I. et al. (2017): Selenium utilization by GPX4 is required to prevent hydroperoxide-induced ferroptosis. Cell, DOI: 10.1016/j.cell.2017.11.048

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