Schlafende Gene im Pilzgenom |
 | 15.10.2013 17:19 Uhr |
Von Maria Pues, Freiburg / Genforschung findet nicht nur am Menschen statt, um die Wirkung von Arzneistoffen – oder ihr Fehlen – zu erklären. In der Wirkstoffforschung findet derzeit auch das Erbmaterial von Pilzen Interesse, vor allem jene Teile, die nur unter bestimmten Bedingungen aktiviert werden.
Die Fähigkeit von Pilzen, sekundäre Pflanzenstoffe zu bilden, wurde bisher erheblich unterschätzt, sagte Professor Dr. Axel A. Brakhage vom Leibniz-Institut für Naturstoff-Forschung und Infektionsbiologie in Jena auf der Jahrestagung der Deutschen Pharmazeutischen Gesellschaft in Freiburg, zu der rund 550 Teilnehmer angereist waren (siehe Kasten). Pilze bilden sekundäre Pflanzenstoffe ebenso wie höhere Pflanzen; sie sind definiert als chemisch sehr heterogene Gruppe von Substanzen, die nicht im pflanzlichen Grundstoffwechsel, in dem Eiweiße, Fette, Kohlenhydrate und Ballaststoffe metabolisiert werden, gebildet werden.
Pilze wie hier ein Schimmelpilz sind eine wahre Fundgrube für die Wirkstoffforschung. Daher werden ihre Genome nun genauer analysiert.
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Viele dieser Verbindungen sind heute noch unbekannt, und von den bekannten sind wiederum Funktionen und Eigenschaften noch unklar. Der Grund liegt darin, dass sie oft nur unter speziellen Bedingungen gebildet werden. Das machte Brakhage am Beispiel der Schimmelpilzart Aspergillus nidulans deutlich. Durch Untersuchung und Vergleichen des Genoms ließen sich Gruppen von Genen (sogenannte Gen-Cluster) bestimmten Funktionen zuordnen – zumindest die meisten. Dennoch blieben einige übrig, für die sich im Labor kein Produkt finden ließ, sogenannte schlafende Gene.
Dass die für die sekundären Pflanzenstoffe kodierenden Gen-Cluster von Pilzen unter den Standard-Laborbedingungen oft nicht aktiviert werden, erschwert ihre Erforschung. Dabei verspricht die Isolierung und Untersuchung der Verbindungen reiche Ausbeute – und das nicht nur, weil die Zahl möglicher Produkte so groß ist: 1,2 Millionen Pilzarten mit je 20 Gen-Clustern (abzüglich 50 Prozent für Doppelungen) ergebe etwa 12 Millionen mögliche Verbindungen, rechnete Brakhage vor. Sie zu erforschen, kann zum Beispiel zu neuen Wirkstoffen führen, aber auch helfen, die Pathogenität von Pilzen zu erklären. Der Weg führt dabei nicht mehr über die Anzucht von Pflanzen im Gewächshaus beziehungsweise in großen Behältern mit Nährlösungen, sondern über eine spezielle Technologie unter Einsatz von Mikrochips. Jeweils eine Pilzzelle wächst dabei in einem Flüssigkeitströpfchen von wenigen Picolitern. Dabei können gezielt bestimmte Wachstumsbedingungen – wahlweise einzeln oder in Kombination – vorgegeben und zum Beispiel deren Einfluss auf die Bildung sekundärer Pflanzenstoffe untersucht werden. Zu diesen gehören die Lichtintensität, die Nitratzufuhr oder der pH-Wert des umgebenden Milieus. Eine Synthese in größerem Maßstab kann später gezielt bei vielversprechenden Kandidaten unter den gefundenen Verbindungen erfolgen.
Stressor als Weckruf
Als wichtiger Einflussfaktor auf schlafende Gen-Cluster hat sich die Kommunikation zwischen dem Pilz Aspergillus nidulans und dem Bakterium Streptomyces rapamycinicus erwiesen. Diese gelingt jedoch nur, wenn beide Organismen in enger Nähe zueinander gedeihen. Im elektronenmikroskopischen Bild sieht man, wie die kleineren Hyphen der Bakterien auf den größeren des Pilzes wachsen. Die Kommunikation findet über chemische Verbindungen, sogenannten Infochemicals, statt. Welche dies in diesem Falle sind, ist noch unklar. Offenbar aktiviert Streptomyces rapamycinicus aber auf diese Weise einen Signalweg, wodurch es zunächst zu einer Histon-Acetylierung und dann zu einem Ablesen des betreffenden schlafenden Gen-Clusters kommt. Die dabei entstehenden Produkte ließen sich identifizieren: Es handelt sich um vier Verbindungen, von denen zwei noch keinen Namen, sondern nur Nummern haben; die beiden anderen sind Orsellinsäure und Lecanorsäure, die üblicherweise eher von Flechten gebildet werden. Möglicherweise handele es sich hier um ein generelles Prinzip, nach dem Streptomyces rapamycinicus mit eukaryontischen Zellen interagiere, sagte Brakhage.
Manche Gene sind im Pilzgenom unter Normalbedingungen inaktiv – diese schlafenden Gene gilt es zu wecken.
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Eine andere Aspergillus-Art, A. fumigatus, ist der Auslöser invasiver Aspergillosen beim Menschen, eine Erkrankung mit einer Mortalität von rund 90 Prozent. Von Interesse ist hier unter anderem die Erforschung von Faktoren, die die Virulenz des Pilzes bedingen. Zu diesen gehört Gliotoxin, das stark immunsuppressiv und zytotoxisch wirkt und die Apoptose-Rate steigert. Diese Eigenschaften machen es für die Wirkstoffforschung interessant. Die Identifikation ganz neuer Enzymaktivitäten stelle ein weiteres Feld dar, das sich aus der Erforschung der Sekundärmetaboliten von Pilzen ebenfalls ergibt.
Als weiteren Virulenzfaktor habe man Fumipyrrol identifizieren können, führte Brakhage weiter aus. Versuche an Mäusen haben gezeigt, dass die Substanz das Enzym Caspase-1 hemmt und so die Freisetzung der Interleukine 1β (IL-1β) und 18 (IL-18) vermindert. IL-1β spielt eine Rolle bei Entzündungsvorgängen, zum Beispiel bei Erkrankungen des rheumatischen Formenkreises. IL-18 fungiert als Regulator im angeborenen und erworbenen Immunsystem. Es konnte außerdem in erhöhter Konzentration in der Gelenkinnenhaut von Patienten mit rheumatoider Arthritis nachgewiesen werden. Die Substanz könnte daher möglicherweise – direkt oder als Leitsubstanz für die Wirkstoffforschung – zur Behandlung autoinflammatorischer Erkrankungen interessant werden. Bis dahin ist es allerdings erfahrungsgemäß ein weiter Weg.
Eine Verbindung, die von schlafenden Genen kodiert wird, hat den Weg zur Patentanmeldung bereits geschafft: Benzothiazinon. Es wirkt gegen den Tuberkulose-Erreger Mycobacterium tuberculosis, indem es dessen Arabinan-Synthese blockiert. /
Die Jahrestagung der Deutschen Pharmazeutischen Gesellschaft (DPhG) fand vom 9. bis 11. Oktober 2013 in Freiburg statt. Unter dem Motto »Drug Discovery inspired by Nature« fanden neben sechs Plenarsitzungen 18 Sitzungen mit jeweils drei bis fünf Vorträgen zu verschiedenen Bereichen der pharmazeutischen Forschung sowie eine Posterpräsentation statt. Erstmals in diesem Jahr gab es am 12. Oktober 2013 außerdem in Kooperation der DPhG mit der Apothekerkammer Baden-Württemberg ein Postsymposium mit dem »Tag der Offizinpharmazie«. Die Berichterstattung zu ausgewählten Veranstaltungen finden Sie in PZ 43.
