MELDUNG/146: Nachrichten aus Forschung und Lehre vom 24.06.10 (idw)
Informationsdienst Wissenschaft - idw - Pressemitteilungen
→ 3D-Elektronenmikroskopie und Röntgenkristallographie in Mainz
Riesiges Atmungsprotein durchleuchtet
→ Forschungsverbund
Entzifferung der vollständigen Genome von Prostatatumoren innerhalb von 5 Jahren
→ Studie untersucht Entstehung von Diabetes bei Zwillingen
Johannes Gutenberg-Universität Mainz - 23.06.2010
3D-Elektronenmikroskopie und Röntgenkristallographie in Mainz - Riesiges Atmungsprotein durchleuchtet
Strukturanalyse des als Immunstimulator bekannten Hämocyanins "KLH" macht 68.000 Aminosäuren und einen ungewöhnlichen Baustein sichtbar
Vor der Küste Kaliforniens lebt die Schlüssellochschnecke Megathura crenulata. Ihren Namen hat die Meeresschnecke von einer großen Atemöffnung im Zentrum der Rückenschale, ihre Besonderheit verdankt sie jedoch einem speziellen Atmungsprotein, für das sich Biologen, Mediziner und Pharmazeuten interessieren. Dieses Sauerstofftransportprotein der Schnecke gehört nämlich zu den größten Proteinen überhaupt. Beim Menschen ruft es starke Immunreaktionen hervor. Deshalb wird es von Immunologen und Klinikern als Immunstimulator eingesetzt, z.B. bei der Immuntherapie von Tumoren. Zwei Abteilungen am Fachbereich Biologie der Johannes Gutenberg-Universität Mainz haben die molekulare Struktur dieses Proteins, das die Bezeichnung "Keyhole Limpet Hämocyanin" (KLH) trägt, nun vollständig entschlüsselt. Zum Einsatz kamen dabei Sequenzanalyse, 3D-Elektronenmikroskopie und Röntgenkristallographie. Die beiden letztgenannten Methoden können bei Proteinen in Mainz als einzigem Standort in Rheinland-Pfalz durchgeführt werden.
Hämocyanine sind blaue Blutproteine, die bei Schnecken, Tintenfischen, Spinnen und Krebsen den Transport von Sauerstoff im Körper bewältigen. Bei diesen blauen Blutfarbstoffen bindet Kupfer den Sauerstoff anstelle von Eisen wie beim Hämoglobin in unseren roten Blutkörperchen. Im Elektronenmikroskop erscheint das KLH-Molekül als Hohlzylinder mit einem Kragen an beiden Enden. Es hat einen Durchmesser von 35 Millionstel Millimeter. Das ist zwar unglaublich winzig, für ein Protein aber ganz außergewöhnlich groß. "Wir hatten am Institut für Zoologie die komplette Aminosäuresequenz des KLH ermittelt und herausgefunden, dass es aus 8 verschiedenen Proteinbausteinen besteht, die sich in dem Riesenmolekül 20 Mal wiederholen. Nun interessierte uns seine genaue dreidimensionale Struktur", erläutert Prof. Jürgen Markl. Erst an der räumlichen Struktur lässt sich erkennen, wie die einzelnen Bausteine des Riesenproteins zueinander stehen, wie der Mechanismus zur Aufnahme und Abgabe von Sauerstoff genau funktioniert und wie seine immunologischen Eigenschaften zustande kommen. Von den acht Bausteinen des KLH sind sich sieben recht ähnlich. Sie bestehen jeweils aus etwa 420 Aminosäuren und ihre molekulare Struktur war bereits gut bekannt. Mit einer innovativen Methode, der 3D-Elektronenmikroskopie, erstellte die Arbeitsgruppe um Prof. Markl aus Tausenden elektronenmikroskopischer Bilder ein Computermodell des KLH. Dieses war detailliert genug, um wie in einem dreidimensionalen Puzzle die sieben bekannten Bausteine des KLH einpassen zu können - jeden Baustein 20 Mal. Damit war das gesamte KLH-Molekül aufgeklärt, außer dem Kragen, der den Zylinder auf beiden Seiten abschließt. Jeder Kragen wird aus zehn Kopien des achten Bausteins gebildet.
Der achte Baustein besitzt 100 Aminosäuren mehr, also insgesamt 520, und war in seiner Struktur noch ein völliges Rätsel, das die Arbeitsgruppe um Prof. Markl alleine nicht lösen konnte. Hier half Prof. Elmar Jaenicke vom Institut für Molekulare Biophysik, ein Spezialist für Röntgenstrukturanalyse. "Nur die Röntgenstrukturanalyse konnte in diesem Fall eine atomare Auflösung liefern", erläutert Jaenicke. Diese Technik in Kombination mit der 3D-Elektronenmikroskopie hatte auch zur Aufklärung der Ribosomen-Struktur geführt, wofür ihre Entdecker 2009 den Chemie-Nobelpreis erhielten.
Ein Protein ist nicht ohne weiteres unter der Röntgenapparatur zu sehen, sondern muss zuerst in sehr langwieriger Laborarbeit zu einem Kristall gezogen werden - eine feste Gitterstruktur, die ein Proteinmolekül natürlicherweise nie einnehmen würde. "Ein so großes Protein wie das gesamte KLH in einen Kristall einzubauen, ist nahezu unmöglich. Auch bei den viel kleineren Bausteinen des KLH ist es so, als ob man einen Ozeantanker in eine Parklücke hineinmanövrieren wollte; es dauert wochenlang", beschreibt Jaenicke den Prozess, bei dem die Proteine in einer Salzlösung ganz allmählich ausgefällt werden. "Die richtigen Bedingungen beim Kragenbaustein herauszufinden, hat Monate gebraucht." Zuvor musste der Kragenbaustein in großen Mengen von den anderen sieben Bausteinen abgetrennt werden. Das war biochemische Schwerarbeit.
Nach der erfolgreichen Kristallisation wurde die räumliche Struktur des KLH-Kragenbausteins mit Röntgenstrahlen aufgeklärt. Zum Vorschein kam ein Gebilde, das in seinem Vorderteil den übrigen sieben Bausteinen gleicht, aber am Hinterende ein weiteres Teil besitzt; in diesem stecken die zusätzlichen 100 Aminosäuren. "Die Struktur dieses Zusatzteils stimmt auf erstaunliche Weise mit Proteinen aus der Cupredoxin-Familie überein. Allerdings fehlt deren übliches Kupferatom im Zentrum", erläutert Jaenicke. Eine Recherche in den Protein-Datenbanken ergab, dass auch im Hämocyanin von Gliederfüßern wie Krebsen und Spinnen ein Bereich Cupredoxin-ähnlich ist, was bisher übersehen worden war.
"Die Hämocyanine von Gliederfüßern und Weichtieren sind ganz unterschiedlich aufgebaut, sodass sie aus zwei getrennten Wurzeln stammen dürften." Jaenicke geht nun davon aus, dass die Evolution beider Hämocyanin-Familien dennoch ähnlich verlief. "In beiden Fällen waren die Cupredoxin-ähnlichen Domänen ursprünglich wahrscheinlich wichtig für den Erhalt des Kupferzentrums. Vielleicht haben sie früher dazu beigetragen, die Kupferionen in das Hämocyanin einzubauen und so die Sauerstoffversorgung zu verbessern." Heute allerdings haben die Cupredoxin-ähnlichen Domänen offensichtlich vor allem die Aufgabe, die Struktur der riesigen Hämocyanin-Moleküle zu stabilisieren. Nach Einpassen des Kragenbausteins in das KLH-Modell wurde nämlich deutlich, dass der Kragen nur über den Cupredoxin-ähnlichen Zusatz zusammenhält.
Die Kombination aus Sequenzanalyse, 3D-Elektronenmikroskopie und Röntgenstrukturanalyse und die enge Zusammenarbeit der beiden komplementär aufgestellten strukturbiologischen Abteilungen (Lieb/Markl und Jaenicke/Decker) hat es den Mainzer Forschern ermöglicht, das riesige, aus rund einer Million Atomen bzw. 68.000 Aminosäuren bestehende KLH bis in die molekularen Details aufzuklären. Das nächste gemeinsame Ziel ist nun, auf der Basis dieses Strukturmodells den Informationsaustausch zwischen den verschiedenen Bausteinen bei der kooperativen Sauerstoffbindung genau zu beschreiben. Bis heute ist zum Beispiel unklar, woher die verschiedenen aktiven Zentren "erfahren", dass an einer Stelle ihres Moleküls Sauerstoff gebunden wurde. Nur: alle reagieren darauf und binden nun ihrerseits die Sauerstoffmoleküle besser.
An der Strukturaufklärung des KLH waren auch beteiligt: PD Dr. Bernhard Lieb, Dr. Wolfgang Gebauer, Dr. Christos Gatsogiannis, Dr. Frank Depoix, Dr. Kai Büchler (Institut für Zoologie); Prof. Dr. Heinz Decker (Institut für Molekulare Biophysik); Dr. Thomas Barends (Max-Plank-Institut für Medizinische Forschung, Heidelberg). Förderungen erfolgten durch das DFG-Graduiertenkolleg GK1043 "Immunotherapie" sowie durch das Forschungszentrum Immunologie (FZI) der Johannes Gutenberg-Universität.
Weitere Informationen:
Prof. Dr. Elmar Jaenicke
Institut für Molekulare Biophysik
Johannes Gutenberg-Universität Mainz
55128 Mainz
E-Mail: elmar.jaenicke@uni-mainz.de
Prof. Dr. Jürgen Markl
Institut für Zoologie
Johannes Gutenberg-Universität Mainz
55128 Mainz
E-Mail: markl@uni-mainz.de
Veröffentlichungen:
Gatsogiannis C & Markl J (2009)
"Keyhole limpet hemocyanin (KLH)". 9-Å cryoEM structure and molecular model of the didecamer reveal the interfaces and intricate topology of the 160 functional units.
J. Mol. Biol. 385, 963-983
Jaenicke E, Büchler K, Markl J, Decker H & Barends T (2010).
The Cupredoxin-like domains in haemocyanins. Biochem.
J. 426, 373-378
Zu dieser Mitteilung finden Sie Bilder unter:
http://idw-online.de/pages/de/image118839
Die 3D-Elektronenmikroskopie erstellte das Modell des KLH1-Moleküls (links), die Röntgenstrukturanalyse lieferte die Feinstruktur des Kragenbausteins (Kasten). Die Cupredoxin-ähnliche Domäne ist hier rot dargestellt.
Kontaktdaten zum Absender der Pressemitteilung:
http://idw-online.de/pages/de/institution218
Quelle: Johannes Gutenberg-Universität Mainz, Petra Giegerich, 23.06.2010
Universitätsklinikum Hamburg-Eppendorf - 22.06.2010
Forschungsverbund - Entzifferung der vollständigen Genome von Prostatatumoren innerhalb von 5 Jahren
Das Universitätsklinikum Hamburg-Eppendorf (UKE) und die Martini-Klinik am UKE werden vom Bundesministerium für Bildung- und Forschung (BMBF) als Teil des "Internationalen Krebs Genom Konsortium" (ICGC) gefördert. Das ICGC ist das größte und ehrgeizigste biomedizinische Forschungsprojekt seit dem Humangenomprojekt, bei dem es gelang, das Genom des Menschen vollständig zu entschlüsseln. Insgesamt sollen 50 Krebsarten entschlüsselt werden.
Am Dienstagnachmittag gab das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) in Berlin bekannt, dass es zwei weitere bundesweite Forschungsverbünde zu den verbreiteten Krebsarten Prostatakrebs und Maligne Lymphome fördern wird. Es fördert die Verbünde bis 2015 mit insgesamt 15 Millionen Euro.
Der ICGC-Forschungsverbund Prostatakrebs wird vom Deutschen Krebsforschungszentrum (DKFZ) und dem Universitätsklinikum und der Martini-Klinik in Hamburg-Eppendorf (UKE) koordiniert. In Hamburg koordinieren Priv.-Doz. Dr. Torsten Schlomm, leitender Arzt an der Martiniklinik, und Prof. Dr. Guido Sauter, Direktor des Instuts für Pathologie des UKE, den Verbund. Ziel ist es, in den kommenden fünf Jahren die vollständigen Genome von Prostatatumoren von Männern zu entziffern. Die Forscher möchten mit dieser Mammutaufgabe eine Karte aller genetischen Veränderungen beim Prostatakrebs erstellen und genetische Ursachen der Prostatkrebsvererbung identitizieren.
Die heutigen Chefärzte der Martiniklinik, Prof. Hartwig Huland und Prof. Markus Graefen, haben in jahrelanger Vorarbeit bereits Anfang der 90er Jahre die Grundlage für diese internationalen Spitzenposition der Martiniklinik gelegt. Auch der international renommierte Spezialist in der Prostatapathologie, Prof. Guido Sauter, hat als Erfinder der Gewebemicroarry-Technik einen wesentlichen Baustein gelegt.
"Wir freuen uns sehr und gratulieren unseren Forschern herzlich zu diesem großartigen Erfolg. Ihre Forschungsleistungen werden Geschichte schreiben. Die Auszeichnung zeigt, dass das UKE das Umfeld für herausragende Forschung bietet", sagt Prof. Dr. Jörg F. Debatin, Vorstandsvorsitzender und Ärztlicher Direktor des UKE. "Wir freuen uns sehr über diese Auszeichnung der Krebsforscher am UKE und an der Martiniklinik. Hochspezialisierte Forschung mit Weltklasseniveau braucht solche Unterstützung, wie die des Bundesministeriums für Bildung- und Forschung", sagt Prof. Dr. Dr. Uwe Koch-Gromus, Dekan der Medizinischen Fakultät des UKE.
Kontaktdaten zum Absender der Pressemitteilung:
http://idw-online.de/pages/de/institution347
Quelle: Universitätsklinikum Hamburg-Eppendorf, Christine Jähn, 22.06.2010
Universität des Saarlandes - 22.06.2010
Humboldt-Stipendiatin untersucht Entstehung von Diabetes bei Zwillingen
"Epigenetische Unterschiede bei Zwillingen" lautet das Forschungsthema von Dr. Nicole Yvonne P. Souren. Die Wissenschaftlerin der Universität Maastricht hat von der Alexander von Humboldt Stiftung ein Forschungsstipendium für einen zweijährigen Aufenthalt an der Saar-Uni erhalten. Die Niederländerin, die im Team von Epigenetik-Professor Jörn Walter forscht, bekommt von der Stiftung monatlich 2.250 Euro. Zusätzlich erhält der Lehrstuhl einen Forschungskostenzuschuss in Höhe von monatlich 800 Euro für den Förderzeitraum, um die Kosten zu decken, die während des Forschungsprojektes anfallen.
Bei dem Projekt "Epigenetische Unterschiede bei Zwillingen" geht es vor allem um die Ausprägung von Diabetes vom Typ 2. Diese Diabetes-Variante kommt am häufigsten vor. Die Patienten sind oft übergewichtig und bewegen sich wenig. Typ-2-Diabetiker haben zwar Insulin im Blut, ihr Zuckerwert ist aber trotzdem zu hoch, weil das Insulin in ihrem Körper nicht richtig wirkt. Nicole Souren möchte anhand von Zwillingsstudien herausfinden, welche epigenetischen Anlagen schon im Mutterleib dazu führen, dass das Kind später im Erwachsenenalter an Typ 2-Diabetes erkrankt.
Kinder, die im Mutterleib mit Nahrung unterversorgt werden und mit einem geringeren Geburtsgewicht zur Welt kommen, haben ein höheres Risiko, irgendwann in ihrem Leben an Diabetes vom Typ 2 zu erkranken. Es wird angenommen, dass Veränderungen in der DNA-Methylierung bei der Entwicklung des Kindes im Mutterleib dazu führen. Darunter versteht man eine chemische Abänderung an Grundbausteinen der Erbsubstanz einer Zelle, welche die Ausprägung von Genen beeinflussen kann.
Eineiige Zwillinge gelten als genetisch identisch, da sie sich aus einer Eizelle entwickeln. Trotzdem kann auch bei ihnen die Methylierung ihres DNA-Profils im Mutterleib unterschiedlich verlaufen. Im Rahmen der aktuellen Studie untersucht Nicole Souren Speichelproben von erwachsenen eineiigen Zwillingen, die sich stark im Geburtsgewicht unterschieden haben. Dabei will sie herausfinden, ob eine Unterversorgung mit Nahrung im Mutterleib tatsächlich zu Änderungen in der DNA-Methylierung führt und ob diese Veränderungen einen Bezug zu Diabetes vom Typ 2 haben. Die Ergebnisse des Forschungsprojekts sollen zur Entwicklung von Medikamenten gegen Diabetes beitragen. Außerdem können sie ein Fortschritt in Richtung einer personalisierten Medizin sein, bei der Diagnose, Behandlung und Vorbeugungsmaßnahmen an das genetische bzw. epigenetische Profil des jeweiligen Patienten angepasst sind.
Nicole Souren wurde 1981 im niederländischen Simpelveld geboren. An der Universität Wageningen studierte sie Zoologie. Von 2004 bis 2009 promovierte sie am Lehrstuhl für Genetik und Zellbiologie der Universität Maastricht. Bereits damals forschte sie an der Identifikation von genetischen Varianten bei Zwillingen, die zu Diabetes vom Typ 2 führen oder mit der Krankheit assoziiert sind. Mit Hilfe eines Stipendiums der Universität Maastricht konnte sie ihre Zwillingsstudien fortführen. Um mehr Informationen zum Thema Epigenetik zu erhalten, besuchte sie im Jahr 2009 Professor Jörn Walter, einen der weltweit führenden Wissenschaftler auf diesem Gebiet.
Epigenetik beschäftigt sich mit der Frage, wie der einheitliche genetische Code eines Menschen in den verschiedenen Zellen des Körpers unterschiedlich gesteuert und verarbeitet wird. Fehler in diesen Steuerungsprozessen führen zu Erkrankungen. Mit Hilfe der Epigenetik kann man die Ursachen und Konsequenzen solcher Fehler besser verstehen. Ziel ist es, epigenetische Methoden für Diagnose und Therapie-Ansätze zu entwickeln.
Kontakt:
Dr. Nicole Yvonne P. Souren
E-Mail: Nicole.Souren@GEN.unimaas.nl
Prof. Dr. Jörn Walter
E-Mail: j.walter@mx.uni-saarland.de
Kontaktdaten zum Absender der Pressemitteilung:
http://idw-online.de/pages/de/institution8
Quelle: Universität des Saarlandes, Irina Urig, 22.06.2010
Quelle:
Informationsdienst Wissenschaft - idw - Pressemitteilung
WWW: http://idw-online.de
E-Mail: service@idw-online.de
veröffentlicht im Schattenblick zum 25. Juni 2010