Montag, 4. November 2013

Forscher entdecken "eine Form von Leben, die wir so bislang nicht kannten"


Archaeen vom Typ Haloferax volcanii. | Copyright/Quelle: nottingham.ac.uk

Nottingham (England) - Anhand einer bereits 2010 entdeckten Archaeenart haben Wissenschaftler der University of Nottingham einen Replikationsmechanismus entdeckt, mit der sich die rudimentäre Lebensform den bekannten normalen Formen der Replikation entzieht. Die Entdeckung, so hoffen die Forscher, könnte zu neuen Erkenntnissen darüber führen, wie fehlerhafte Zellen - etwa bei Krebs - sich unkontrolliert vermehren können.

Wie die Forscher um Dr. Thorsten Allers aktuell im Fachjournal "Nature" (DOI: 10.1038/nature12650) berichten gehört Haloferax volcanii zur Familie einzelliger Organismen, sogenannter Archaeen, und wurde noch bis vor kurzem für eine Form von Bakterien gehalten.

Die Veröffentlichung fällt mit dem 50. Jubiläum der Vorstellung der sogenannten 
Replicon-Hypothese von François Jacob (der später dem Medizin-Nobelpreis erhielt) und Sydney Brenner zusammen, die bestimmte Aspekte der Zellteilung von Bakterien erklären soll.


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"Wir können zeigen, dass bei einigen Organismen, der sogenannte Replikationsursprung (also jene Genomsequenz auf einem DNA-Molekül, an dem die Replikation der DNA beginnt) nicht nur gänzlich nutzlos ist sondern, dass entsprechende Zellen sogar schneller wachsen, wenn der Replikationsursprung überhaupt nicht vorhanden ist. Diese Entdeckung kommt völlig unerwartet und zwingt uns dazu einen der Stützpfeiler der DNA-Biologie neu zu überdenken", erläutert Allers.

Neben Bakterien und Eukaryoten bilden Archaeen eine der Domänen, in die alle zellulären Lebewesen eingeteilt werden. Archaeen wurden ursprünglich unter extremen Umweltbedingungen entdeckt und können sowohl unter extremen Höchst- als auch Tiefsttemperaturen, in hochgradig salzhaltigem wie auch in stark alkalischem Wasser überleben. Auf genetischer Ebene, sind Archaeen eher noch mit den Eukaryoten - und damit auch mit uns Menschen - verwandt als mit Bakterien.

Die salzliebenden Haloferax volcanii wurden 2010 im Toten Meer entdeckt und "obwohl sie zunächst wie Bakterien aussehen und sich auch wie diese verhalten, sind Archaeen eher mit den Eukaryoten und damit auch mit uns Menschen verwandt als mit Bakterien", so Allers. "Wir sehen gewisse Ähnlichkeiten, wenn wir jene Enzyme betrachten, die für die DNA-Replikation verantwortlich sind. Das war auch der Grund, warum wir diese Systeme genauer erforschen wollten."


Salzablagerungen am Toten Meer. | Copyright: xta11, via Wikimedia Commons, CC-by-SA 3.0

"Wir haben hier zwar eine Form von Leben vor uns, aber eine Form von Leben, die wir so nicht kannten: Äußerlich sehen sie wie Bakterien aus aber im Innern gleichen sie uns."

"Was wir hier entdeckt haben ist, dass diese Form der Archaeen, das Replicon-Modell widerlegen, von der Forscher 50 Jahre lang glaubten, dass es eine der Grundvoraussetzungen für das Leben sei", so Allers.

Laut dem Replicon-Modell, müssen alle Lebewesen sich zu reproduzieren zunächst ihre DNA kopieren, bevor sich die Zelle teilen kann. Dies geschieht an einer Vielzahl der obig beschriebenen Replikationsursprünge. Sind diese Replikationsursprünge bei Eukaryoten - etwa bei einem Menschen - beschädigt oder nicht vorhanden, so verhindert dies die Replikation und führt unweigerlich zum Zelltod.

Anders jedoch bei Haloferax volcanii, hier beginnt die Kettenreaktion der Zellteilung spontan und selbst dann, wenn die Replikationsursprünge geschädigt wurden oder gar nicht erst vorhanden sind. In letzterem Fall, so zeigen es die Untersuchungen, läuft die DNA-Replikation sogar um 10 Prozent schneller ab.

"Wir haben diesen Vorgang beobachtet und uns die ganze Zeit gefragt, wo dabei der Haken ist", kommentiert der Co-Autor der Studie, Dr. Conrad Nieduszynski. "Wir haben danach gesucht und gesucht, aber nichts gefunden. "Die Zellen initiieren den Replikationsprozess durch eine Form der DNA-Reparatur, wie sie in uns allen veranlagt ist, nutzen diesen Vorgang jedoch zu einem anderen Zweck. Durch die Verwendung dieses Mechanismus, setzt die Replikation an mehreren Orten rund um die Chromosome zur gleichen Zeit ein.

Da es den Anschein hat, dass Haloferax volcanii die sonst so notwendigen Replikationsursprünge nicht benötigt, glauben die Wissenschaftler, dass es sich bei diesen in den Archaeen um ein  "egoistisches Gen" handelt, dessen Replikation keinerlei Vorteil für den Organismus selbst darstellt.

Für Menschen hingegen ist es besonders wichtig, dass wir den Prozess der DNA-Replikation regulieren können, um so sicher zu stellen, dass unsere Chromosome nur einmal kopiert werden, bevor sich die Zelle teilt. Andernfalls würde dies stets zu genetischen Erkrankungen, unter anderem zu Krebs, führen.

Wenn sich Krebszellen entwickeln, so passiert dies deshalb, da diese Zellen aufgrund von Mutationen nicht länger das Kopieren der Genome regulieren können. Der Verlust der Replikationskontrolle führt dann zum Krebs, in dem mehr als nur zwei Kopien der Chromosome erstellt werden - ähnlich, wie dies nun im Innern von Haloferax volcanii beobachtet wurde.

"Wissenschaftler glauben, dass Krebszellen ohne diese Form der Kontrolle sozusagen in einen primitiven Zellzustand verfallen" erläutert Allers abschließend. "Auf diese Weise gleichen sie denn auch Haloferax volcanii. Eines der anderen Kennzeichen von Krebs ist, dass die schneller wachsen als normale Zellen und den Körper somit schneller übernehmen können. Auch das gleicht dem, was wir bei Haloferax volcanii beobachten können: Wird die DNA-Replikation nicht reguliert, kommt es zu einem unausgewogenem Wachstum. Wenn wir also zukünftig diese Mechanismen besser verstehen wollen, könnte uns Haloferax volcanii neue Einblicke dahingehend erlauben, wie Krebszellen den normalen Regulations- und Kontrollmechanismen entgehen können. Diese Arbeit könnte dann vielleicht sogar dazu führen, dass neue Wege für das Abtöten von Krebszellen gefunden werden können, die normale Zellen nicht beschädigen."

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