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Chemische Werkzeuge für die Zellteilungsforschung

Der Zellzyklus, bestehend aus der Inter- und Mitosephase, bildet die Grundlage für Wachstum und Fortpflanzung aller Eukaryonten. Zahlreiche Kontroll- und Regulationsmechanismen stellen dabei sicher, dass die Aufteilung der Chromosomen synchronisiert mit der Ausbildung der beiden Tochterzellen erfolgt, also beispielsweise die beiden Tochterzellen erst dann beginnen sich abzuschnüren, wenn die Chromosomen weit genug voneinander getrennt wurden. Professor Dr. Thomas Mayer von der Universität Konstanz untersucht mit Methoden der Chemischen Biologie Zellzyklus-Proteine auf ihre Funktion. Seine Erkenntnisse können zukünftig zum besseren Verständnis beitragen, warum viele Kontrollmechanismen bei Krebszellen gestört sind.

Mit protein- und zellbasierten Screenings identifiziert Prof. Dr. Thomas Mayer sogenannte „small molecules“, die die Aktivität von Zellzyklusproteinen beeinflussen. © Thomas Mayer

Nicht nur der Bau des neuen „Zentrums für Chemische Biologie“ an der Universität Konstanz hat es gezeigt: Die Grenzen zwischen den Fachbereichen der Chemie und Biologie verschwimmen immer mehr und interdisziplinäre Ansätze eröffnen ungeahnte Möglichkeiten für beide Seiten. Das spiegelt sich beispielsweise auch in der Forschung von Prof. Dr. Thomas Mayer wider, der den Lehrstuhl für molekulare Genetik und die Screening Facility an der Universität Konstanz leitet. Seine Arbeitsgruppe betreibt Grundlagenforschung zur Zellzykluskontrolle und widmet sich vor allem der funktionellen Untersuchung mitotischer Proteine.

Dabei greift der Biologe aber eben nicht nur auf klassisch biologische Methoden wie siRNA zurück, er setzt auch auf die Chemische Biologie. „Das heißt im Wesentlichen, dass wir niedermolekulare Verbindungen, sogenannte small molecules als chemische Werkzeuge zur Manipulation von Proteinen einsetzen, um die komplexen biologischen Prozesse der Zellteilung zu untersuchen“, erklärt Mayer. Die Möglichkeiten dieser Molekülwerkzeuge sind vielfältig: Sie können spezifisch an aktive Proteine binden und so deren Aktivität nachweisen, Funktion und chemische Eigenschaften eines Proteins verändern oder das Protein und seine Lokalisation sichtbar machen. Darüber hinaus bringen sie einige Vorteile gegenüber herkömmlichen molekularbiologischen Methoden zur Manipulation von Proteinen mit sich.

Während es bei Methoden wie RNAi oder der Transfektion mit einem mutierten Gen recht lange dauert, bis in den Zellen das entsprechende Zielprotein ausgeschaltet oder die veränderte Variante exprimiert wird, wirken chemische Verbindungen sehr schnell und ohne aufwendige Vorbehandlung der Zellen. „Dadurch kann mit ihnen eine hohe zeitliche Auflösung erreicht werden, da die Aktivität von Proteinen sowohl schnell als auch oft reversibel verändert wird, was mit genetischen Methoden nur schwer möglich ist“, veranschaulicht Mayer einen der Vorteile. Zusätzlich können sie dosiert eingesetzt werden, gezielt nur eine Funktion eines Proteins angreifen oder auch ganze Proteinfamilien hemmen.

Passende Moleküle für jede Funktion

Die verwendeten chemischen Verbindungen haben einige Gemeinsamkeiten: Sie sind meist relativ kleine Moleküle (molekulare Masse < 500 Da), nicht übermäßig hydrophil oder elektrophil, aber auch nicht zu hydrophob. „Damit erfüllen die Substanzen ähnliche Kriterien wie viele auf dem Markt befindliche Arzneimittel und werden daher als Pharmakophore bezeichnet“, erklärt Mayer. Um unter diesen niedermolekularen Verbindungen neue Kandidaten mit spezifischer Wirkweise zu identifizieren, setzt er protein- und zellbasierte Screenings ein. Dabei werden die Pharmakophor-Bibliotheken danach untersucht, ob sie Substanzen beinhalten, die die Aktivität eines Proteins oder einen Signalweg in der Zellzyklusregulation beeinflussen.

Um die große Zahl möglicher Substanzen testen zu können, kommen dabei High-Throughput-Screening-Methoden und - im Fall von zellbasierten Screens - auch automatisierte Mikroskope zum Einsatz. Dafür arbeiten die Biologen mit Bioinformatikern zusammen, die Algorithmen für die automatisierte Bildauswertung entwickeln. Wird ein Substanz-Kandidat entdeckt, der ein Zellzyklusprotein beeinflusst, so werden Zellen damit behandelt. Mittels Echtzeitmikroskopie wird untersucht, welchen Phänotyp das Molekül in den Zellen auslöst. „Dazu verwenden wir spezielle Zelllinien, die fluoreszenzmarkierte Zellzyklusproteine exprimieren, um Veränderungen des Phänotyps durch die Substanzen einfacher erkennen zu können“, erläutert Mayer.

Links: Fluoreszenzmikroskopische Aufnahme einer bipolaren Teilungsspindel (grün: Mikrotubuli; blau: Spindelpole) zur Auftrennung der Chromosomen (rot) während der Mitose. Rechts: In Gegenwart von Monastrol kollabiert die Teilungsspindel, die Chromosomen liegen ungeordnet vor und es kann keine Zellteilung stattfinden. © Thomas Mayer

Von der Grundlagenforschung zur Krebstherapie

Ein Beispiel für eine niedermolekulare Verbindung, die die Aktivität von Zellzyklusproteinen beeinflusst, ist Monastrol, das Mayer bereits in seiner Zeit als Postdoc an der Harvard Medical School (Boston, USA) entdeckt hat. Damals konnte er zeigen, dass Monastrol ein an der Mitose beteiligtes Motorprotein inhibiert, das sogenannte „Eg5“, ein Mitglied der Kinesin-Familie. Das Motorprotein spielt eine wichtige Rolle beim Aufbau des Spindelapparats, der für die Auftrennung der Chromosomen bei der Zellteilung verantwortlich ist. Wird Eg5 durch Monastrol gehemmt, so kann das Protein keine Kraft ausüben, um die Spindelpole auseinander zu drücken. Dadurch kollabiert die Teilungsspindel und es findet keine Zellteilung statt. Da der Effekt reversibel ist und das Molekül sich leicht auswaschen lässt, konnte Mayer auch beobachten, wie die Zellen aus der kollabierten wieder eine funktionale Teilungsspindel aufbauten. „Monastrol hat uns damit Einblicke in den Mechanismus der Spindelassemblierung geliefert“, schildert der Biologe. Wie interessant solche funktionalen Inhibitoren auch für die Pharmaforschung sind, zeigt sich an der Tatsache, dass es neben Monastrol inzwischen eine Vielzahl an Eg5-Inhibitoren gibt, die sich teilweise auch in klinischen Tests für den Einsatz als Krebsmedikamente befinden.

Die fehlerhafte oder ungenügende Regulation des Zellzyklus kann schwerwiegende Folgen haben und zu nicht funktionsfähigen Tochterzellen oder auch zur Entstehung von Krebs führen. „Chromosomale Instabilität, also eine erhöhte Frequenz von Veränderungen in der Anzahl oder Struktur von Chromosomen ist ein entscheidendes Merkmal von Krebszellen“, erklärt Mayer. Mit seiner Forschung legt er auch entscheidende Grundsteine für das Verständnis von Zellteilungsfehlern bei Krebszellen. „Wenn wir besser verstehen, wie beispielsweise der Mechanismus der Chromosomensegregation funktioniert, dann können wir auch verstehen, was in Tumorzellen schief läuft“, beschreibt Mayer hoffnungsvoll mögliche zukünftige Auswirkungen seiner Forschung.

Glossar

  • Chromosomen sind die unter dem Mikroskop sichtbaren Träger der Erbanlagen. Die Anzahl der im Zellkern vorhandenen Chromosomen ist artspezifisch. Beim Menschen sind es zweimal 23. Mit Ausnahme der Geschlechtschromosomen liegen Chromosomen in Körperzellen sowie in befruchteten Eizellen paarweise als sog. homologe Chromosomen vor. In den Keimzellen ist nach Abschluss der Reifungsteilungen nur ein einfacher Chromosomensatz vorhanden.
  • Eukaryonten sind Organismen, deren Zellen einen Zellkern und Organellen besitzen. Zu den Eukaryonten gehören Protozoen (Einzeller), Algen, Pilze, Pflanzen und Tiere (einschließlich Mensch).
  • Ein Gen ist ein Teil der Erbinformation, der für die Ausprägung eines Merkmals verantwortlich ist. Es handelt sich hierbei um einen Abschnitt auf der DNA, der die genetische Information zur Synthese eines Proteins oder einer funktionellen RNA (z. B. tRNA) enthält.
  • Mitose ist der Fachbegriff für die Zellteilung, bei der nach vorheriger Verdoppelung der DNA (Replikation) jede Tochterzelle einen vollständigen Chromosomensatz erhält.
  • Mit dem Begriff Mutation wird jede Veränderung des Erbguts bezeichnet (z. B. Austausch einer Base; Umstellung einzelner DNA-Abschnitte, Einfügung zusätzlicher Basen, Verlust von Basen oder ganzen DNA-Abschnitten). Mutationen kommen ständig in der Natur vor (z. B. ausgelöst durch UV-Strahlen, natürliche Radioaktivität) und sind die Grundlage der Evolution.
  • Der Phänotyp beinhaltet alle sichtbaren Eigenschaften eines Organismus. Er wird vom Genotyp (der genetischen Ausstattung) und der Umwelt bestimmt.
  • Proteine (oder auch Eiweiße) sind hochmolekulare Verbindung aus Aminosäuren. Sie übernehmen vielfältige Funktionen in der Zelle und stellen mehr als 50 % der organischen Masse.
  • Die Ribonukleinsäure (Abk. RNS oder RNA) ist eine in der Regel einzelsträngige Nukleinsäure, die der DNA sehr ähnlich ist. Sie besteht ebenfalls aus einem Zuckerphosphat-Rückgrat sowie einer Abfolge von vier Basen. Allerdings handelt es sich beim Zuckermolekül um Ribose und anstelle von Thymin enthält die RNA die Base Uracil. Die RNA hat vielfältige Formen und Funktionen; sie dient z. B. als Informationsvorlage bei der Proteinbiosynthese und bildet das Genom von RNA-Viren.
  • Screening kommt aus dem Englischen und bedeutet Durchsiebung, Rasterung. Man versteht darunter ein systematisches Testverfahren, das eingesetzt wird, um innerhalb einer großen Anzahl von Proben oder Personen bestimmte Eigenschaften zu identifizieren. In der Molekularbiologie lässt sich so z.B. ein gewünschter Klon aus einer genomischen Bank herausfiltern.
  • Transfektion ist die Bezeichnung von Verfahren zum Einschleusen fremder DNA in eukaryotische Zellen.
  • Bioinformatik ist eine Wissenschaft, die sich mit der Verwaltung und Analyse biologischer Daten mit Hilfe modernster Computertechnik, befasst. Dient derzeit hauptsächlich zur Vorhersage der Bedeutung von DNA-Sequenzen, der Proteinstruktur, des molekularen Wirkmechanismus und der Eigenschaften von Wirkstoffen. (2. Satz: mwg-biotech)
  • Eine Zelllinie ist eine dauerhaft etablierte Zellkultur, die sich unter definierten Bedingungen unbegrenzt vermehrt.
  • Ein Tumor ist eine Gewebsschwellung durch abnormales Zellwachstum, die gutartig oder bösartig sein kann. Gutartige (benigne) Tumore sind örtlich begrenzt, während Zellen bösartiger (maligner) Tumore abgesiedelt werden können und in andere Gewebe eindringen können, wo sie Tochtergeschwulste (Metastasen) verursachen.
  • Inhibitoren sind Stoffe, die chemische oder biologische Reaktionen verlangsamen oder verhindern.
  • Die Molekularbiologie beschäftigt sich mit der Struktur, Biosynthese und Funktion von DNA und RNA und und deren Interaktion miteinander und mit Proteinen. Mit Hilfe von molekularbiologischen Daten ist es zum Beispiel möglich, die Ursache von Krankheiten besser zu verstehen und die Wirkungsweise von Medikamenten zu optimieren.
  • Die Expression ist die Biosynthese eines Genprodukts (= Umsetzung der genetischen Information in Proteine). Sie erfolgt in der Regel als Transkription von DNA zu mRNA und anschließender Translation von mRNA zu Protein.
  • Hydrophile Stoffe sind aufgrund ihrer chemischen Struktur wasseranziehend bzw. wasserlöslich. Meist sind sie gleichzeitig lipophob, lösen sich also schlecht in Fetten oder Ölen.
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