Ergebnisbericht 2010/11 - Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung

74 WISSENSCHAFTLICHER ERGEBNISBERICHT | Infektion und Immunität | Mikrobielle Pathogenese
01.6 Dynamik von Mikrotubuli und bakterielle Pathogenese
PROJEKTLEITER | Prof. Dr. Jürgen Wehland (†) | Abteilung für Zellbiologie
PROJEKTMITARBEITER | Dr. Marco van Ham (mvh06@helmholtz-hzi.de) | Dr. Andreas Fischer | Dr. Marcin Ura |
Ramona Baier
Während die Ausnutzung des Aktinsystems durch pathogene
Bakterien bereits detailliert untersucht wurde, ist
derzeit nur wenig über die Rolle des dynamischen Mikrotubulisystems
in der bakteriellen Pathogenität bekannt.
Mikrotubili sind essenziell für eine Reihe von Funktionen
eukaryotischer Zellen: Zellteilung, intrazellulärer Transport
von Organellen und Vesikeln und verschiedene Formen
zellulärer Motilität. Während der letzten Jahre haben
wir uns auf die Analyse der Wirkung spezifi scher posttranslationaler
Modifi kationen von Tubulin auf spezifi sche
zelluläre Funktionen konzentriert. Ein einzigartiges Enzym,
die Tubulin-Tyrosin-Ligase (TTL), verantwortlich für die
terminale Tyrosinierung von Tubulin, ist dank erheblicher
Beiträge aus diesem Labor nun gut charakterisiert und der
beschriebene Tyrosinierungszyklus in eukaryotischen Zellen
sehr hoch konserviert. Für die Untersuchung der physiologischen
Bedeutung des Tyrosinierungszyklus haben wir
zuletzt TTL-defi ziente Mäuse hergestellt. Die Analyse dieser
TTL-negativen Mäuse ergab eine starke Desorgani sation
der Gehirnstruktur mit einem Verlust von Zellen und der
Kontrolle des gerichteten Wachstums von neuronalen Fortsätzen,
die im Ergebnis zum Tod der Mäuse kurz nach der
Geburt führte. Damit wurde die essenzielle Rolle der TTL
und damit des Tyrosinierungszyklus bewiesen.
TTL-negative Mäuse Konstitutiv TTL-negative Mäuse
wurden durch konventionellen Gen-Knockout hergestellt.
Neugeborene TTL-negative Mäuse waren von ihren Wildtyp-
Ein sich bewegender embryonaler Maus-Fibroblast, immungefärbt
für das Mikrotubuli-Netzwerk (rot) und Aktin-reiche
Strukturen im Lamellipodium (grün). Foto: HZI
Wurfgeschwistern äußerlich nicht zu unterscheiden, zeigten
aber gestörte Atmung und Ataxie und starben innerhalb von
24 Stunden nach der Geburt. Die Ursache waren kom plexe
Gehirndefekte, wie Störungen der Balance des Wachstums
bzw. der Differenzierung von Neu ronen und defekte Kontrolle
des Wachstums und der Differenzierung von Axonen. Unsere
Ergebnisse belegen, dass innerhalb der Zelle der Tubulin-
Tyrosinierungszyklus die Wechsel wirkungen von Tubulin
mit Proteinen reguliert, deren CAP-Gly-Domäne das Plus-
Ende von Tubulin bindet. Diese Beobachtung erklärt auch
die Beteiligung der TTL an der Etablierung der Zellpolarität.
Bedingter TTL-Knockout in Mäusen Da der konstitutive
TTL-Knockout zum Tod kurz nach der Geburt führt blieb
unklar, ob das Fehlen der TTL auch andere physiologische
Aktivitäten außerhalb des Gehirns stört und auch erwachsene
Mäuse beeinträchtigt. Um dies untersuchen zu können,
haben wir kürzlich mit dem cre/lox-System bedingte
Knockout-Mäuse hergestellt. Erste Ergebnisse zeigten eine
Zelltyp-spezifi sche Deletion des TTL-Gens, die eine erhöhte
Menge an detyrosiniertem Tubulin verursachte. Derzeit
sind wir dabei, die TTL-negativen Mauslinien zu expandieren,
um den oben beschriebenen Phänotyp der gestörten
Gehirn entwicklung näher zu untersuchen. Darüberhinaus
werden wir den Einfl uss des TTL-Zyklus in verschiedenen
blutbildenden Zelllinien untersuchen.
Aussicht Unser Ziel ist ein detailliertes Verständnis des
Tubulin-Tyrosinierungszyklus. Dies beinhaltet auch die
Aufklärung der Funktion spezifi scher Tubulin-bindender
Proteine (z.B. CLIPs) in der Regulation der Tubulin-Dynamik
auf der Grundlage der TTL-Knockouts. Diese Untersuchungen
werden in vivo und in vitro sowohl anhand der bedingten
TTL-Knockout-Mäuse als auch in Gewebekultur verfolgt, mit
den Schwerpunkten Zelladhäsion und -polarität. Von besonderem
Interesse ist darüber hinaus die zentrale offene Frage
der Zytoskelett-Forschung: wie interagieren Mikrotubuli
mit dem Aktinzytoskelett? Wie funktioniert die Kommunikation
zwischen beiden Zytoskelett-bildenden Systemen?
Ein weiteres besonders wichtiges Thema ist die Frage, wie
bakterielle und virale Krankheitserreger das Mikrotubuli-
System zum eigenen Vorteil ausnutzen können, indem sie
spezifi sche Wirtszell-Signalwege manipulieren. Und wie
beeinfl ussen Krankheitserreger die Wechselwirkungen
zwischen dem Aktin- und dem Tubulinsystem?
Schwan, C., Stecher, B., Tzivelekidis, T., van Ham, M., Rohde, M., Hardt, W.D., Wehland,
J., Aktories, K. (2009) Clostridium diffi cile toxin CDT induces formation of microtubulebased
protrusions and increases adherence of bacteria. PLoS Pathogens 5, e1000626.
Erck, C., Peris, L., Andrieux, A., Meissirel, C., Gruber, A.D., Vernet, M., Schweitzer, A.,
Saoudi, Y., Pointu, H., Bosc, C., Salin, P.A., Job, D., Wehland, J. (2005) A vital role of
tubulin-tyrosine-ligase for neuronal organization. Proceedings of the National Academy
of Sciences USA 102, 7853-7858.