Kurzfassung: Genau wie Menschen werden Pflanzen von Krankheitserregern befallen und Pflanzeninfektionen können zu dramatischen Ernteeinbussen führen. Zudem gibt es menschliche Krankheitserreger, die auch in Pflanzen überleben können. Das pflanzliche ...

[Dana-Farber Cancer Institute - 29.07.2011] Wie Krankheitserreger die Schwachpunkte ihres Wirtes ausnutzen – Erkenntnisse aus der ersten systematischen Untersuchung von Proteininteraktionen in Pflanzen


Genau wie Menschen werden Pflanzen von Krankheitserregern befallen und Pflanzeninfektionen können zu dramatischen Ernteeinbussen führen. Zudem gibt es menschliche Krankheitserreger, die auch in Pflanzen überleben können. Das pflanzliche Immunsystem zu Verstehen ist daher von großem wissenschaftlichen und gesellschaftlichem Interesse.

Genomanalysen haben Wissenschaftlern eine Liste aller Gene und somit (fast) aller Proteine in vielen Organismen gegeben, die diese für Entwicklung und zum Leben benötigen. Welche biologische Funktion die meisten dieser Proteine erfüllen und wie diese Proteine zusammenarbeiten ist aber noch immer weitgehend ungeklärt – eine Karte der biologischen Netzwerke fehlt. Ohne Karten und Pläne sind wir vielerorts orientierungslos. Die U-Bahn Karte zeigt uns, wo wir umsteigen müssen und Flugzeuge landen und starten nach genau abgestimmten Plänen. Störungen innerhalb dieser Netzwerke beeinflussen das gesamte System. Auch zelluläre Netzwerke funktionieren in den Grundzügen nach dem gleichen Prinzip. In der neuesten Ausgabe der renommierten Fachzeitschrift "Science" beschreiben zwei wissenschaftliche Arbeiten das komplexe Netzwerk aus Interaktionen zwischen Proteinen der Pflanze Arabidopsis thaliana, der "Labormaus" der Pflanzenforscher, und wie dieses Netzwerk von Krankheitserregern angegriffen wird.

In Kooperation von Wissenschaftlern verschiedener Institute aus den USA und Europa wurde erstmalig das Zusammenspiel von beinahe einem Drittel aller Arabidopsis Proteine systematisch untersucht und eine "Landkarte" der Interkationen zwischen Proteinen aufgestellt. In einem einzigen Ansatz wurde die Anzahl sämtlicher in den letzten 50 Jahren in der Literatur veröffentlichen Interaktionen verdoppelt. Dadurch konnten Verbindungen zwischen vielen bisher als voneinander getrennt angesehenen biologischen Prozessen geknüpft werden. Dr. Pascal Braun, ein deutscher Wissenschaftler der diese Studie leitete und auch maßgeblich an der zweiten Arbeit beteiligt war sagt, dass für über die Hälfte der Proteine in dem Netzwerk bisher keine Funktion beschrieben sei und es daher von besonderem Interesse sei, mit den vorliegenden Arbeiten den molekularen Kontext dieser Proteine aufzudecken.

Diese einzigartige Karte von Proteinen und ihren wechselseitigen Interaktionen ermöglichte es den Forschern gänzlich neue Fragen über die "Strategie" von pflanzlichen Krankheitserregern zu stellen: Gibt es strategisch wichtige Punkte in diesem Netzwerk, die von Krankheitserregern angegriffen werden? In einem zweiten, in derselben Ausgabe von Science erscheinenden Artikel, untersuchten die Forscher diese Frage, wie Krankheitserreger zelluläre Netzwerk attackieren. Um einem evtl. generellen Mechanismus auf die Spur zu kommen setzten die Forscher hier zwei gänzlich unterschiedliche Pflanzenpathogene ein: Das Bakterium Pseudomonas syringae und den für den Mehltau verantwortliche Erreger Hyaloperenospera arabidopsidis. Diese Krankheitserreger sind durch 2 Milliarden Jahre Evolution voneinander getrennt, haben aber unabhängig voneinander Mechanismen entwickelt, ihre eigenen Proteine in die Pflanzenzellen einzuschleusen um dort die pflanzliche Immunantwort zu unterbinden. Die Forscher fanden, dass trotz ihrer unabhängigen Evolution diese sogenannten Effektorproteine oft an die gleichen Wirtsproteine binden. Interessanterweise sind viele dieser attackierten Proteine solche, die viele Kontakte mit anderen Pflanzenproteinen eingehen. Solche sogenannten ‚hubs’ findet man in sehr unterschiedlichen Netzwerken, wie z.B in sozialen Netzwerken, im Internet und auch im Netzwerk von Fluglinien. Theoretische Studien haben gezeigt, dass Netzwerke durch gezielte Attacken auf diese zentralen Knotenpunkte sehr effektiv gestört werden können, was sich offensichtlich auch die Krankheitserreger zunutze machen. Die Forscher konnten entsprechend auch eine Rolle für die von den Effektoren gebundenen Pflanzenproteine im Infektionsprozess nachweisen.

Pflanzen spielen sowohl bei der Lebensmittelproduktion als auch bei der Energieversorgung und beim Klimawandel eine zentrale Rolle und nachwachsende Rohstoffe zur Energiegewinnung und für die Welternährung sind Schlüsselthemen in der Forschung. Das Verständnis dafür, wie Proteine in einer Zelle interagieren, ist wichtig, um diese Schlüsselthemen anzugehen und neue biotechnische Anwendungen zu entwickeln. Die Einsichten über die Pflanzenpathogene können darüberhinaus zum Verständnis von menschlichen Infektionskrankheiten durch Krankheitserreger unter anderem in Lebensmitteln beitragen.


Kontakt:
Dr. Pascal Braun
Dana-Farber Cancer Institute
450 Brookline Avenue
Boston, MA 02215
Telephone: +1-617 582 8269
email: pascal_braun@dfci.harvard.edu

Dr. Claudia Falter
Dana-Farber Cancer Institute
450 Brookline Avenue
Boston, MA 02215
Telephone: +1-617 582 9115
email: claudia_falter@dfci.harvard.edu