Vermehrung von Bakterien

Kleines Signalmolekül gibt grünes Licht für Zellteilung

Eine Forschungsgruppe um Prof. Urs Jenal vom Biozentrum der Universität Basel hat den zentralen Schalter für die Zellvermehrung in Bakterien gefunden. Bei ihnen kontrolliert der Botenstoff c-di-GMP den Zellzyklus. Wie das auf molekularer Ebene geschieht, beschreiben die Wissenschaftler in der aktuellen Ausgabe von „Nature“.

Proteine, die das Signalmolekül c-di-GMP herstellen (gelb), kontrollieren den Zellzyklus von Caulobacter.

Es ist nur ein winziges Molekül, doch ist es für nahezu alle Bakterien überlebenswichtig. Denn der kleine Signalbotenstoff – c-di-GMP genannt – bestimmt, wie sich eine Bakterienzelle verhält. So sorgt es beispielsweise dafür, dass sich Bakterien zu einem Biofilm zusammenschließen und so chronische Infektionen beim Menschen verursachen können. Dass c-di-GMP auch eine entscheidende Rolle bei der Vermehrung von Bakterien spielt, konnten nun erstmals die Forscher um Prof. Urs Jenal vom Biozentrum der Universität Basel aufzeigen. Sie haben entdeckt, dass oszillierende Konzentrationen des Botenstoffs die Aktivität nachfolgender Proteine beeinflusst und so den Zellzyklus und die Reproduktion der Bakterien steuern.

Signalmolekül stellt Ampel an Kontrollpunkten
Wie vermehren sich Zellen? Wenn sich eine Zelle teilt, dann entstehen aus einer Mutterzelle zwei Tochterzellen. Bevor dies geschieht, muss die Zelle jedoch verschiedene Phasen vom Wachstum über die Verdoppelung der Erbinformation bis zur eigentlichen Zellteilung durchlaufen. Dieser Kreislauf wird auch als Zellzyklus bezeichnet. Die Infektionsbiologen zeigen in ihrer Studie nun erstmals, dass der Signalbotenstoff c-di-GMP ähnlich wie eine Ampel den Zellzyklus im Modellbakterium Caulobacter crescentus kontrolliert. Fehlt c-di-GMP in der Zelle, so steht die Ampel auf Rot. Für die Zelle heißt das, sie verbleibt in der ersten Phase des Zellzyklus. Steigt der c-di-GMP-Spiegel, dann springt die Ampel auf Grün und die Zelle tritt in die nächste Phase ein. Wie das genau geschieht, haben sich die Forscher auf molekularer Ebene angeschaut.

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c-di-GMP steuert ein Enzym mit zwei Wirkungsweisen
Die Rolle der Ampel übernimmt dabei ein Enzym, das auf zweierlei Weisen wirkt. „Wenn kein c-di-GMP vorhanden ist, dann blockiert es den Vorgang, der zur Vermehrung der bakteriellen Erbinformation führt“, erklärt Jenal. „Sobald jedoch c-di-GMP produziert wird, dockt es an das Enzym an und verändert dadurch dessen Struktur und Wirkungsweise. Das Enzym hebt nun die Blockade auf und das Bakterienchromosom kann kopiert werden.“ Dieser Schritt kennzeichnet den Eintritt in eine neue Phase des Zellzyklus. Auch für das Verhalten der Nachkommen spielt die unterschiedliche räumliche Verteilung des Signalmoleküls in der sich teilenden Mutterzelle eine wichtige Rolle.

Infektionserreger nutzen gleiches Signalnetzwerk
Den Forschern ist es mit ihrer Arbeit erstmals gelungen, eine Verbindung zwischen zwei großen regulatorischen Netzwerken von Bakterienzellen – den kleinen Signalbotenstoffen und den Enzymen – herzustellen. Die gewonnenen Erkenntnisse liefern eine wichtige Grundlage, die um ein vielfaches komplizierteren c-di-GMP-Netzwerke von Krankheitserregern aufzuklären. Das Signalmolekül beeinflusst beispielsweise deren Virulenz, ihre Fähigkeit zum Überdauern oder ihre Resistenz gegenüber Antibiotika. Auch die gefährlichen Erreger von Cholera und der Lungenentzündung nutzen das c-di-GMP-Signalsystem. Ob es dort genauso agiert wie im Modellbakterium C. crescentus, das möchte die Forschungsgruppe von Urs Jenal nun herausfinden.

Originalbeitrag:
Lori C, Ozaki S, Steiner S, Böhm R, Abel S, Dubey BN, Schirmer T, Hiller S, and Jenal U.: Cyclic di-GMP acts as a cell cycle oscillator to drive chromosome replication. Nature; published online 6th May 2015.

Weitere Auskünfte:
Prof. Urs Jenal, Biozentrum der Universität Basel
E-Mail: urs.jenal@unibas.ch

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