Das Immunsystem von Säugetieren erkennt Krankheitserreger und macht sie unschädlich. Außerdem merkt es sich ihre Eigenheiten, so dass es bei einem wiederholten Angriff die Erreger mit Antikörpern schneller und besser bekämpfen kann. Bei Bakterien gibt es zur Schädlingsabwehr vergleichbare Strategien, aber von deren Existenz weiß die Wissenschaft erst seit etwa fünf Jahren. Und es sind hier nicht Antikörper, sondern kleine RNA-Moleküle, die den Erreger wiedererkennen und zerstören.
Bakterien behalten Angreifer im Gedächtnis
„Bakterien wehren damit zum Beispiel Viren ab, die ihre DNA in die Bakterienzelle eingeschleust haben und sich dort vermehren wollen“, erklärt Professor Jörg Vogel von der Uni Würzburg. Die Viren-DNA wird zerlegt, die Bakterien bauen Teile davon in ihr eigenes Erbgut ein. Auf diese Weise merken sie sich den Angreifer. Falls sie später erneut von ihm befallen werden, können sie schneller reagieren: Mit der zurückbehaltenen Viren-DNA als Vorlage produzieren sie zahlreiche kleine RNA-Moleküle, die den Eindringling zielgenau zerstören. „Wie diese Immunabwehr im Detail funktioniert, wissen wir leider noch nicht“, so Vogel.
Ein neues Abwehrsystem der Bakterien haben Jörg Vogel, Cynthia Sharma und Yanjie Chao von der Uni Würzburg nun zusammen mit dem Team ihrer Kollegin Emmanuelle Charpentier aus Umeå (Schweden) entdeckt. Die Forscher fanden es bei mehreren krankheitserregenden Bakterien, unter anderem bei Streptococcus pyogenes. Dieser Erreger löst Scharlach und andere Krankheiten aus.
Unterschiede zu bekannten Abwehrsystemen
Das neu entdeckte System ist komplexer als die bekannten – und es schlägt eine evolutionäre Brücke zur Virenabwehr in höheren Lebewesen. Von den bislang bekannten Abwehrsystemen der Bakterien unterscheidet es sich in drei wesentlichen Punkten.
Unterschied 1: Die Gene für die bekannten Abwehrsysteme der Bakterien befinden sich immer gehäuft auf einem bestimmten DNA-Abschnitt. Der lässt sich wie ein Paket von einem Bakterium auf ein anderes übertragen, ohne dass die Funktionsfähigkeit der Abwehr leidet. Derart autark ist das neue System nicht: Es braucht zusätzliche RNA und Enzyme aus den Bakterien. „Hier wird Evolution deutlich: Anfangs kleine, selbstständige Immunsysteme vernetzen sich zunehmend mit anderen Funktionen der Zelle“, sagt Jörg Vogel.
Unterschied 2: Ein Herzstück des neuen Abwehrsystems ist das Enzym RNase III – genau wie bei den Abwehrsystemen, mit denen sich höhere Lebewesen Viren vom Leib halten. So verschieden die Verteidigungsstrategien bei Menschen, Tieren, Pflanzen und Bakterien auch sind: Sie alle greifen auf dieses „Ur-Enzym“ zurück.
Unterschied 3: Bei dem neu entdeckten System steuert ein spezielles kleines RNA-Molekül die Produktion all der anderen kleinen RNA-Moleküle, die für die Abwehr der Viren nötig sind. Dieser Regelungsvorgang läuft in sehr ähnlicher Weise auch bei Pflanzen und Tieren ab. Für die Immunabwehr der Bakterien ist er nun erstmals beschrieben.
Bedeutung für die Infektionsforschung
Für die Erforschung von Krankheitserregern und deren Bekämpfung sind die neuen Erkenntnisse ein Fortschritt: Je besser man die Immunabwehr der Bakterien versteht, umso höher ist die Wahrscheinlichkeit, dass man sie später einmal zielgenau manipulieren kann. Denkbar ist zum Beispiel, dass man krankheitserregende Bakterien anfälliger für Schädlinge macht, indem man ihre Immunabwehr ausschaltet.
Womöglich lässt sich auch der DNA-Austausch zwischen den Bakterien stören. Auf diese Weise versorgen sich Bakterien gegenseitig mit Genen, die sie unempfindlich gegen Medikamente machen oder ihnen krankheitserregenden Eigenschaften verleihen. Könnte man ihr Abwehrsystem dazu bringen, die von anderen Bakterien übertragenen Gene als „fremd“ einzustufen und zu zerstören, würde das bei der Bekämpfung von Infektionserregern helfen.
Weitere Untersuchungen mit Neisserien
Weil das Erbgut von Streptokokken sehr schwer zu manipulieren ist, wollen Jörg Vogel und sein Team die bakterielle Immunabwehr eher an Neisserien weiter untersuchen. Auch diese Bakterien, die unter anderem Gehirnentzündungen und Geschlechtskrankheiten wie Tripper verursachen, besitzen das neu entdeckte Abwehrsystem. Für die weiteren Arbeiten setzt Vogel auf die Kooperation mit den Würzburger Professoren Matthias Frosch und Thomas Rudel, deren Forschungsgruppen über große Erfahrung mit Neisserien verfügen.
Zeitschrift „Nature“ hebt Ergebnisse hervor
Nature bringt die deutsch-schwedischen Ergebnisse als „Article“ und hebt sie damit deutlich hervor: Diese Auszeichnung ist Publikationen vorbehalten, die nach Einschätzung der Zeitschrift in der Wissenschaftswelt großes Aufsehen erregen werden. Die Würzburger Infektionsbiologen Vogel und Sharma haben das bereits zum zweiten Mal innerhalb eines Jahres geschafft: 2010 konnten sie Studien am Bakterium Helicobacter pylori ebenfalls als „Nature Article“ publizieren.
“CRISPR RNA maturation by trans-encoded small RNA and host factor RNase III”, Elitza Deltcheva, Krzysztof Chylinski, Cynthia M. Sharma, Karine Gonzales, Yanjie Chao, Zaid A. Pirzada, Maria R. Eckert, Jörg Vogel & Emmanuelle Charpentier, Nature, 31. März 2011, DOI 10.1038/nature09886
Kontakt
Prof. Dr. Jörg Vogel, Institut für Molekulare Infektionsbiologie der Universität Würzburg,
T (0931) 31-82575, joerg.vogel@uni-wuerzburg.de
Das Würzburger Forschungsteam
Jörg Vogel, Biochemiker, leitet seit November 2009 das Institut für Molekulare Infektionsbiologie der Universität Würzburg. Vorher war er Leiter einer selbstständigen Nachwuchsforschungsgruppe am Max-Planck-Institut für Infektionsbiologie in Berlin. Er interessiert sich für die Frage, wie kleine RNA-Moleküle die Gene krankheitserregender Bakterien regulieren.
Cynthia Sharma, Biologin, analysiert mit ihrem Team die Funktion kleiner regulatorischer RNA-Moleküle im Bakterium Helicobacter pylori, das Magengeschwüre und Magenkrebs auslösen kann. An der Universität Würzburg leitet sie seit Juni 2010 eine selbstständige Nachwuchsgruppe am Zentrum für Infektionsforschung. Zuvor war sie Postdoc am Max-Planck-Institut für Infektionsbiologie in Berlin und Gastwissenschaftlerin an den National Institutes of Health (NIH) in Bethesda (USA).
Yanjie Chao, Biologe, ist Doktorand von Professor Jörg Vogel am Institut für Molekulare Infektionsbiologie der Universität Würzburg. Seit 2010 untersucht er hier kleine regulatorische RNA-Moleküle bei Bakterien und ihre Funktion bei der Entstehung von Krankheiten. Chao stammt aus der Provinz Henan in Zentralchina und kam 2008 zunächst nach Berlin: Die International Max Planck Research School for Infectious Diseases and Immunology hatte ihn für ihr Doktorandenprogramm ausgewählt.
