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Invasion von Zellen durch pathogene Bakterien: Schlüssel zum Verständnis zur Herkunft der Eukaryote

Die Entstehung komplexer Zellen - sogenannter Eukaryoten - vor 2 Milliarden Jahren markierte einen entscheidenden Wendepunkt in der Geschichte der Lebewesen auf der Erde. Diese komplexen Zellen besaßen erstmals einen Zellkern, ein aufwändiges Membransystem und Energie-produzierende Organellen, sogenannte Mitochondrien, durch die die erfolgreiche Verbreitung der Algen, Pilze und schlussendlich auch des Menschen erst ermöglicht wurde. Wie aber kam es zu diesem Quantensprung in der Komplexität von Zellen?

Eine Gruppe aus amerikanischen, französischen und deutschen Wissenschaftler (um Prof. Dr. Andreas Weber) konnte nun einen Beitrag zur Beantwortung dieser Frage liefern. Die Arbeiten der beteiligten Forscher an der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf wurden durch das Excellenzcluster für Pflanzenwissenschaften (CEPLAS), dem neu gegründeten Sonderforschungsbereich zu Membransystemen (SFB 1208) und dem ausgelaufenen Transregio Endosymbiose (SFB TR 1) unterstützt. Die Frage nach der Entstehung von komplexen Zellen wurde lange Zeit kontrovers diskutiert, konnte jedoch schließlich größtenteils geklärt werden. Nach derzeitigem Wissensstand wurde unsere Erde zunächst von morphologisch einfachen prokaryotischen Lebensformen ohne Zellkern und Mitochondrium besiedelt. Prokaryoten werden in zwei Domänen eingeteilt, die Bakterien und Archaeen. Sie unterscheiden sich u.a. durch ihre genetische Ausstattung und die Art der Membranen, welche ihre Zellen umgeben.

Heutzutage gehen die meisten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler davon aus, dass die Evolution von Eukaryoten aus prokaryotischen Vorfahren ein singuläres Ereignis war. Weitgehend Konsens herrscht weiterhin darüber, dass das Mitochondrium von einem alpha-Proteobakterium abstammt, das von einer Archaeen-Zelle aufgenommen wurde.

Zwei grundlegende Fragen bleiben aber: Wie konnte der Vorgänger des Mitochondriums von der Archaeen-Zelle aufgenommen werden und wie konnte er im gut geschützten Zytoplasma der Wirtszelle überleben?

Die Erkenntnisse einer schwedischen Gruppe von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern lieferten kürzlich spannende Hinweise auf die Beantwortung dieser Fragen. Sie entdeckten eine neue Klasse der Archaeen, die mehr als 3000 Meter unter dem Meeresspiegel am Grunde des Nordpolarmeers entspringt und in der Nähe von heißen Quellen lebt. Diese sogenannten „Lokiarchaeota“ enthalten überraschenderweise Gene, die für den Prozess der Endozytose, also für die Aufnahme von Makromolekülen und vielleicht sogar ganzer Zellen aus der Umgebung benötigt werden. Diese Entdeckung liefert einen neuartigen Erklärungsansatz für ein langjähriges Rätsel: Wie konnte der Urahne der Mitochondrien Zugang zu der proto-eukaryotischen Zelle erhalten?

Wie nun die Gruppe aus amerikanischen, französischen und deutschen Wissenschaftlern in einer Perspektive im Magazin Science vorgeschlägt, könnte der mitochondriale Vorgänger in seinen zukünftigen Wirt einfach über einen Prozess ähnlich dem der Phagozytose unserer heutigen Eukaryoten (d.h. eine Zelle nimmt eine andere Zelle auf) eingedrungen sein. Wie aber konnte der Vorgänger im Inneren des Wirts überleben?

Weitere Hinweise hierzu kommen von Erkenntnissen aus alpha-Proteobakterien mit großen Genomen die außerhalb von Zellen leben, sich aber auch wie „Energieparastiten“ in Zellen verhalten können - ähnlich wie Rickettsia, der Verursacher von Typhus. Intrazelluläre bakterielle Pathogene wie die Vorfahren von Rickettsia und Clamydia, die auch heute noch den Menschen parasitieren, waren Neulinge in der Evolution der Lebewesen auf unserer Erde, da sie auf die Anwesenheit einer Phagozytose-Maschinerie angewiesen waren um in ihre Zielzelle einzudringen.
Weiterhin mussten sie sich gegen das angeborene Immunsystem der Wirtszellen verteidigen. Die intrazellulären bakteriellen Pathogene entwickelten molekulare Werkzeuge, so genannte Effektoren, um den Angriff durch die Abwehrmechanismen des Wirtes nach der Invasion zu verhindern.

Aus diesem Grund scheint es wahrscheinlich, dass an der Entstehung der Eukaryoten proto-Eukaryoten ähnlich den „Lokiarchaeota“ beteiligt waren, die über Phagozytose alpha-Proteobakterien aufgenommen haben, die das Abwehrsysteme des Wirts umgehen konnten. Über die Jahre hat sich der Wirt den Eindringling zu Nutze gemacht der schließlich zum Mitochondrium wurde.

Ein ähnliches, aber komplexeres Szenario wird von Ball et al. (2016) für die endosymbiontische Entstehung des Chloroplasten in Algen und Pflanzen vorgeschlagen, die sich etwa 1 Milliarde Jahre später vollzog.

In diesem Fall handelt es sich um eine komplexe Symbiose, bei der ein intrazelluläres pathogenes Bakterium aus der Ordnung der Chlamydiales und ein photosynthetisches Cyanobakterium gemeinsam in eine eukaryotische Wirtszelle eingedrungen sind. Das pathogene Bakterium ging schließlich verloren, nachdem es einige Schlüsselgene an den Wirt abgegeben hat, z.B. diejenigen für den photosynthestischen Kohlenstoff-Export und die Stärke-Gewinnung. Das Cyanobakterium wurde schließlich zu dem bemerkenswerten Zellorganell, welches nun den Eukaryoten ermöglicht, Sonnenlicht in Nahrung und Energie umzuwandeln.

Diese aktuellen Erkenntnisse legen nahe, dass es einen gemeinsamen Mechanismus gibt, durch den die Herkunft der eukaryotischen Organellen – der Mitochondrien und Chloroplasten – erklärt werden kann. Intrazelluläre pathogene Bakterien waren in beiden Fällen für die Entstehung der Organellen grundlegend. Im Falle des Mitochondriums war die Spenderzelle selbst ein Pathogen mit der Fähigkeit der Abwehr des Wirts zu entgehen. Im Fall der Chloroplasten ermöglichte das Pathogen das Eindringen des Cyanobakteriums und schützte es zunächst vor dem Immunsystem des Wirts, bis die Voraussetzungen zur Etablierung von Chloroplasten gegeben waren.


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Steven G. Ball, Debashish Bhattacharya, and Andreas P. M. Weber: Pathogen to powerhouse: how did the precursors to the mitochondrion and the nucleus evade host defense?, Science 2016, DOI: 10.1126/science.aad8864
Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf
http://science.sciencemag.org/content/351/6274/659

25.02.2016

 

 
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