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Unterscheidung und gezielter Transport von Proteinen in Bakterien

Wie Bakterien angreifen, ohne sich selbst zu zerstören

| Autor/ Redakteur: Janna Eberhardt* / Christian Lüttmann

Das eine Protein zerstörerisch, das andere lebensnotwendig – und beide schwer unterscheidbar. Mit welchen Mechanismen es Bakterien trotzdem gelingt, sehr ähnliche Transmembranproteine dem richtigen Ziel zuzuordnen, haben nun Tübinger Forscher herausgefunden. Ihre Erkenntnisse könnten unter anderem für die Beurteilung von Krankheitserregern in der Infektionsforschung bedeutsam sein.

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Manche Bakterien haben ausgeklügelte Mechanismen zur Unterscheidung von Transmembranproteinen (Symbolbild).
Manche Bakterien haben ausgeklügelte Mechanismen zur Unterscheidung von Transmembranproteinen (Symbolbild).
(Bild: Pixabay/Monoar, gemeinfrei / CC0)

Tübingen – Manche krankheitserregenden Bakterien, wie zum Beispiel Salmonellen, injizieren giftige Proteinmischungen in die Zellen ihres Wirts, um diese umzuprogrammieren. So können die Bakterien das Immunsystem des Wirts umgehen und dessen Gewebe erfolgreich besiedeln. Im Giftcocktail enthalten sind so genannte Transmembranproteine, die für die Zwecke der Bakterien in der Außenhaut der Wirtszelle tunnelförmig Poren öffnen sollen.

Was diese Strategie für die Bakterien heikel macht: In ihrer eigenen Membran benötigen sie andere Transmembranproteine, die den gefährlichen Angriffsproteinen aber sehr ähnlich sind. Würden die für den Überfall der Wirtszelle bestimmten Transmembranproteine fälschlich in die eigene Zellmembran gelangen, könnte es für die Bakterienzelle gefährlich werden. Schließlich droht ihr dann durch die ungewollten Öffnungen die Auflösung.

Unter der Leitung von Prof. Samuel Wagner hat ein Forscherteam vom Interfakultären Institut für Mikrobiologie und Infektionsmedizin der Universität Tübingen nun entschlüsselt, welche Mechanismen solche Irrtümer verhindern und die Bakterien vor ihrer Selbstzersetzung bewahren.

Zielgerichtete Zustellung mit Passierschein

Um die Vorbereitung des Entervorgangs von Wirtszellen zu verstehen, haben die Forscher die Vorgänge an der Membran der angreifenden Bakterien genau untersucht. Membrane bestehen in ihrer Grundstruktur aus Molekülen, die an ihrem einen Ende wasserabstoßende, am anderen Ende wasserfreundliche Strukturen haben. Die wasserabstoßenden Enden ordnen sich gegenüberliegend zu einer Doppelschicht an, aus der das Wasser verdrängt wird. „Transmembranproteine, die die Membran-Doppelschicht durchspannen sollen, müssen eine entsprechende Struktur besitzen, also einen längeren wasserabstoßenden Abschnitt“, sagt Wagner.

Schema einer Salmonelle (grün), die Proteine in die Membran einer Wirtszelle (braun) injiziert. Der fälschliche Einbau in die bakterieneigene Membran wird verhindert, der in die Wirtszellmembran jedoch begünstigt.
Schema einer Salmonelle (grün), die Proteine in die Membran einer Wirtszelle (braun) injiziert. Der fälschliche Einbau in die bakterieneigene Membran wird verhindert, der in die Wirtszellmembran jedoch begünstigt.
(Bild: Samuel Wagner)

Produziere die Bakterienzelle ein solches Protein, erkennen bestimmte Signalstoffe, dass es in eine Membran gehört, führt der Forscher fort. Sie heften sich an und geleiten es wie ein Passierschein über einen Rezeptor zum Zielort – in diesem Fall die Innenmembran des Bakteriums. „Anders muss es laufen, wenn das Transmembranprotein in den Export gehen soll. Ein solches Protein trägt zwei widersprüchliche Signale in sich: Einen Abschnitt mit wasserabstoßenden Eigenschaften, der als vermeintlichen Zielort die Innenmembran des Bakteriums nahelegt, und eine Exportadresse“, sagt Wagner.

Gerade so unter der Schwelle zur Selbstauflösung

Laborversuche, Berechnungen und Simulationen offenbarten, wie die Bakterienzelle nun vorgeht. „Wir haben festgestellt, dass in vielen Fällen die wasserabstoßenden Eigenschaften der für den Export bestimmten Transmembranproteine etwas schwächer sind. Sie bleiben dadurch gerade unter der Schwelle für den Einbau in die Innenmembran“, berichtet Wagner. In der Membran der Wirtszellen könnten diese Proteine ihre Funktion dennoch gut erfüllen.

Zusätzlich zu dem gerade so unterschrittenen Schwellenwert der Wasserabstoßung haben die Forscher noch etwas entdeckt: Bei den Exportproteinen werden so genannte Chaperone aktiv, die neu hergestellten Proteinen bei der Faltung zur endgültigen Form verhelfen. „Sie erkennen, dass das Protein an eine Exportadresse gehen soll und decken wohl auch den Abschnitt mit der wasserabstoßenden Struktur ab. Dadurch kann sich das Signal für die Innenmembran gar nicht erst anheften“, erklärt der Wissenschaftler. Ohne das angeheftete Signal als Passierschein verbleibt das Protein also nicht in der eigenen Innenmembran, sondern wird wie erfordert aus dem Bakterium hinaus und in Richtung der Wirtszelle geschleust, wo es seine membranöffnende Wirkung entfaltet.

Die neuen Ergebnisse machen den Forschern zufolge deutlich, wie fein reguliert die korrekte Zustellung der Transmembranproteine in den Bakterien abläuft. „Die Ausprägung dieser Fähigkeiten ist auch mitentscheidend für die Gefährlichkeit vieler bakterieller Krankheitserreger“, ergänzt Wagner. Die neue Studie gebe daher auch für die weitere Infektionsforschung wichtige Hinweise.

Originalpublikation: Lea Krampen, Silke Malmsheimer, Iwan Grin, Thomas Trunk, Anja Lührmann, Jan-Willem de Gier, Samuel Wagner: Revealing the mechanisms of membrane protein export by virulence-associated bacterial secretion systems. Nature Communications volume 9, Article number: 3467 (2018); DOI: 10.1038/s41467-018-05969-w

* J. Eberhardt, Eberhard Karls Universität Tübingen, 72074 Tübingen

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