Wie Zellen ihre bakteriellen Symbionten kontrollieren

Die Organellen moderner eukaryotischer Zellen waren einst eigenständige Bakterien. Der einzellige Flagellat Angomonas deanei hat erst vor kurzem ein Bakterium aufgenommen: Der Organismus hilft, zu verstehen, wie Bakterien im Laufe der Evolution in Zellen gelangt sind und gesteuert werden.

Im Laufe der Evolution haben sich moderne eukaryotische Zellen aus ihrer Umwelt bedient und sich Bakterien einverleibt. Diese haben die Zellen unter Kontrolle gebracht und nutzen die inkorporierten Bakterien nun für wichtige Funktionen, etwa beim Stoffwechsel. Aus den Bakterien sind so Zellorganellen geworden. Zu den Organellen, die aus solchen „Endosymbionten“ (Symbionten innerhalb der Zelle) entstanden sind, zählen die Mitochondrien, und Chloroplasten, in denen die Photosynthese in Pflanzen stattfindet. Dies geschah vor etwa 1,5 bis 2 Milliarden Jahren.

Die Organellen, deren Ursprungszellen ein eigenständiges Erbgut besaßen, haben ihr Genom stark reduziert. So sind sie im Laufe der Zeit immer abhängiger von der Wirtszelle geworden. Heute wird ihr Stoffwechsel, ihre Proteinzusammensetzung und ihre Fortpflanzung weitgehend vom Wirtsorganismus gesteuert.

Doch wie lief dieser Anpassungsprozess evolutionär ab? Die Arbeitsgruppe um Prof. Eva Nowack vom HHU-Institut für Mikrobielle Zellbiologie hat dazu Angomonas deanei, einen im Darm von Insekten lebenden Flagellaten (Geißeltierchen), genauer untersucht. Er ist für diese Frage ein besonders geeigneter Modellorganismus. Denn jedes dieser einzelligen Lebewesen trägt genau ein symbiontisches Bakterium in sich, das erst vor vergleichsweise kurzer Zeit (zwischen 40 und 120 Millionen Jahren) inkorporiert wurde. Dieses Bakterium versorgt den Wirt mit Vitaminen und bestimmten Stoffwechselprodukten.

Das Genom des Bakteriums ist bereits – ähnlich wie bei den Organellen Mitochondrien und den Chloroplasten – gegenüber der frei lebenden Form reduziert, allerdings noch nicht im selben Ausmaß wie bei den klassischen Organellen. Die Integration ist so weit fortgeschritten, dass etwa die Zellteilung synchron abläuft: Teil sich der Wirtsorganismus, so teilt sich auch das Bakterium genau einmal. Jeweils einer der Teile wandert in jede neue Flagellatenzelle.

Das Düsseldorfer Forschungsteam wollte herausfinden, wie die Wirtszelle den Endosymbionten kontrolliert. Sie haben dazu dessen Proteinzusammensetzung untersucht. Dabei stellten sie fest, dass eine gewisse Zahl von Proteinen von der Wirtszelle zum Endosymbionten transportiert wird. Drei dieser Proteine bilden einen Ring um dessen Teilungsstelle.

Die Forschenden konnten die Funktion zweier dieser Proteine vorhersagen, indem sie sie mit bekannten Proteinsequenzen verglichen. Eines davon ähnelt dem Protein „Dynamin“, das sich zu spiralförmigen Ketten zusammenlagern und zusammenziehen kann. Ein weiteres Protein, die sogenannte Peptidoglycanhydrolase, ist dafür bekannt, bakterielle Zellwände abbauen zu können.

Auch in Mitochondrien und Chloroplasten formen Dynamin-artige Protein einen Ring um die Teilungsstelle der Organellen, dessen Kontraktion beim Durchschnüren der Organellen hilft. Außerdem wird für die Teilung einiger Chloroplasten eine Peptidoglycanhydrolase benötigt, die Reste der bakteriellen Zellwand an der Teilungsstelle dieser Organellen abbaut.

Prof. Nowack: „Unsere Arbeit zeigt, dass eine eukaryotische Wirtszelle relativ früh in der Evolution einer endosymbiontischen Beziehung bestimmte Proteine zum Endosymbionten schicken kann. Diese Proteine ermöglichen es der Zelle, Kontrolle über den Symbionten zu gewinnen.“