Das Magazin - Ausgabe 03 - Systembiologie

WAS LÖSEN SCHADSTOFFE IN UNSEREN ZELLEN AUS –
Das Netzwerk des Helmholtz Zentrum für Umweltforschung - UFZ
Im Alltag kommen wir mit einer Vielzahl von Schadstoffen in Berührung.
Deren Einflüsse auf unseren Organismus sind bisher nur unvollständig
verstanden. Dringt ein Schadstoff in eine Zelle ein, wird ein komplexes
Netzwerk von Prozessen ausgelöst. Ein Schlüsselelement dabei ist
der sogenannte Arylhydrocarbon (Ah) Rezeptor, der mit einer Vielzahl
von Umweltschadstoffen interagiert. Nach Aktivierung durch Bindung
eines Schadstoffes kann das zytoplasmatische Rezeptorprotein als
Transkriptionsfaktor wirken und eine Vielzahl von Genen regulieren.
Als Konsequenz werden wichtige Zellfunktionen gestört – bis hin zum
Untergang der Zelle. Ob jede Chemikalie die gleichen Effekte bewirkt
und welche Konzentrationen für welche Effekte verantwortlich sind,
kann bisher nicht vorhergesagt werden. Simulationsmodelle sollen
helfen, die Antwort einer Zelle auf eine Chemikalie besser zu verstehen
und vorherzusagen.
Das vom Helmholtz Zentrum für Umweltforschung - UFZ koordinierte
Netzwerk „Vom Umweltschadstoff zur zellulären Antwort“ der Helmholtz-
Allianz Systembiologie entwickelt deshalb Modelle, die ein besseres
Verständnis der zellulären Abläufe unter Chemikalienexposition und
Vorhersagen der zu erwartenden Effekte ermöglichen sollen. Langfristig
lassen sich mit derartigen Vorhersagemodellen nicht nur die
Abbildung 1: Ein integriertes Modell der zellulären
Antwort auf eine Schadstoffexposition
BaP Verteilung
und Interaktion
mit AhR
Integriertes Model
AhR Chromatin
Interaktion
p23
Hsp90
X
A
P
AhR
AhR
ARNT
XRE
BaP
Lysosom
ER
mRNA
Mitochondrium
Golgi
Protein
AhR abhängige
Gen und Protein
Regulation
In einem integrierten Modell soll die zelluläre Antwort auf eine Schadstoffexposition
erklärt und vorhersagbar gemacht werden. Dazu werden sowohl Schadstoff (BaP) und
Arylhydrocarbon Rezeptor (AhR) Interaktion und Verteilung, sowie deren Auswirkungen
auf der Gen- und Proteinebene untersucht.
Bild: UFZ
48
jetzt noch notwendigen experimentellen Testserien zur Risikobeurteilung
solcher Schadstoffe einschränken, es werden auch weniger
Tierversuche nötig sein. Außerdem sollen aus diesen Modellen auch
Möglichkeiten, die negativen Auswirkungen abzuwenden abgeleitet
werden.
Bei der Entwicklung der Vorhersagemodelle gehen wir von der Annahme
aus, dass in Abhängigkeit von der Anzahl der Rezeptor-Ligand-Komplexe,
die den Zellkern erreichen und an die DNA binden eine differentiell
abgestufte Beeinflussung der Genregulation und damit Schädigung
einer Zelle erfolgt. Die Verteilung der Chemikalie (Ligand) in der Zelle
und deren Wechselwirkungen mit dem Ah-Rezeptor spielen dabei
eine entscheidende Rolle. Um diese Parameter in den finalen Vorhersagemodellen
berücksichtigen und mit den Informationen zur Gen- und
Proteinregulation koppeln zu können, müssen zunächst die relevanten
Parameter für die Verteilung von Chemikalie und Rezeptor in der Zelle
und deren Interaktion bestimmt werden (Abb. 1). Dies erfolgt auf der
Basis von Fluoreszenzmikroskopiedaten.
Wie sich Moleküle in der Zelle verteilen
Die modernen Mikroskopieverfahren ermöglichen die Visualisierung
von Prozessen auf zellulärer Ebene. So können durch konfokale
Fluoreszenzmikroskopie in unserem Modellsystem sowohl der
Ah-Rezeptor, als auch der aktivierende Schadstoff (in unserem Fall
Benzo(a)pyren, BaP) in der lebenden Zelle räumlich- und zeitlichaufgelöst
untersucht werden. Der polyzyklische, aromatische Kohlenwasserstoff
BaP, der z.B. in Abgasen vorkommt, dient dabei als
Modellchemikalie für eine ganze Klasse von anderen Schadstoffen. Mit
dem sogenannten FRAP (Fluorescence Recovery After Photobleaching)-
Verfahren (Abb. 2) werden Daten gewonnen, aus denen mit Hilfe
mathematischer Modelle die relevanten Parameter für die Bewegung
und Verteilung von Schadstoff und Rezeptor in der Zelle und deren
Interaktion abgeleitet werden können (Mai et al., 2011). Zusätzlich
ermöglicht die Fluoreszenzmikroskopie die Visualisierung von zellulären
Strukturen, aus denen reale dreidimensionale Modelle der Zelle
erstellt werden. Werden nun die mathematischen Rekonstruktionen
der realen Zellen mit den Parametern der BaP/AhR Interaktion vereinigt,
kann in Simulationen die Dynamik dieser Interaktion nachvollzogen
bzw. vorhergesagt werden (Abb. 3).
Welche Parameter eignen sich zur Vorhersage?
Ein Schadstoff kann in einer Zelle eine komplexe Reaktion auslösen,
die sich aus verschiedenen Aspekten zusammensetzt. Die resultierende
Änderung des Phänotyps einer Zelle ist dabei nicht das