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Wie Viren Immunzellen zu Trojanischen Pferden machen

Mon, 14 Jun 2021 14:21:20 +0200

Rund die Hälfte der Bevölkerung trägt Zytomegalieviren in sich. Nun konnten Wissenschaftler*innen des Universitätsklinikums Freiburg zeigen, dass die Viren die wichtigsten Immunzellen der Lunge befallen. Die Fresszellen, als Makrophagen bezeichnet, werden so manipuliert, dass sie ihre Abwehrfunktion verlieren und die Viren in der Lunge verteilen. Das wiederum erleichtert anderen Erregern den Angriff und kann bei geschwächtem Immunsystem zu einer Lungenentzündung und potentiell weiteren schweren Verläufen von Infektionen führen. Die jetzt entschlüsselten Signalwege liefern wichtige Angriffspunkte für neue gezielte Therapien für besonders anfällige Menschen, etwa Schwangere und Menschen nach Organtransplantationen. Die Studie erschien am 10. Juni 2021 im renommierten Fachmagazin Cell.

„Die Manipulation der Zytomegalieviren ist so massiv, dass die Fresszellen der Lunge fast vollständig ihre Abwehrfunktion verlieren. Selbst mit molekularen Methoden sind die Zellen kaum noch zu identifizieren“, sagt Prof. Dr. Philipp Henneke, Leiter der Abteilung für Pädiatrische Infektiologie und Rheumatologie des Zentrums für Kinder- und Jugendmedizin am Universitätsklinikum Freiburg. Er hat die Studie gemeinsam mit Sebastian Baasch in Zusammenarbeit mit Dr. Zsolt Ruzsics vom Institut für Virologie des Universitätsklinikums Freiburg durchgeführt.

Die Forscher*innen konnten nun bei Mäusen nachweisen, dass das Virus in den sogenannten Wnt-Signalweg eingreift. „Dadurch verwandeln sich die umprogrammierten Zellen zu Virusfabriken und tragen – über eine tiefgreifende Änderung ihrer Mobilität – zu einer Verteilung des Virus in der Lunge bei“, sagt Baasch.

Hoffnung auf eine bessere Therapie für besonders anfällige Menschen

Eine Infektion mit Zytomegalieviren (CMV) geschieht oft schon im Kleinkindalter. Die Viren bleiben dann – meist ohne Beschwerden zu verursachen – dauerhaft im Körper. Ist das Immunsystem aber geschwächt, etwa aufgrund einer Krebserkrankung, in der Schwangerschaft oder auch bei Neugeborenen, kann es zu Schäden der Lunge, der Augen und innerer Organe wie Darm oder Leber kommen. Die therapeutischen Möglichkeiten für komplizierte CMV-Infektionen sind immer noch sehr unbefriedigend. Hier setzen die neuen Erkenntnisse der Freiburger Wissenschaftler*innen an. an. „Die Aufklärung von molekularen Schaltern, über die CMV unser Immunsystem manipuliert, ist ein Schritt in der Entwicklung neuer Therapieansätze “, sagt Henneke.

Universitätsklinikums Freiburg

Originalpublikation:

S. Baasch et al.: Cytomegalovirus subverts macrophage identity, Cell 2021, DOI: 10.1016/j.cell.2021.05.009

https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.05.009

Neue Analyse zeigt Risiken der Erderhitzung für Deutschland

Mon, 14 Jun 2021 11:00:04 +0200

Bundesumweltministerin Svenja Schulze: „Der Klimawandel bedroht die Lebensgrundlagen kommender Generationen und schränkt ihre Freiheiten ein. Die wichtigste Vorsorge ist entschlossener Klimaschutz. Doch auch für die bereits nicht mehr vermeidbaren Folgen des Klimawandels ist eine umfassende Vorsorge nötig: Deutschland braucht mehr Bäume in den Städten, mehr Grün auf den Dächern, mehr Raum für die Flüsse und vieles mehr. Und es muss schnell gehen, denn viele Maßnahmen brauchen Zeit bis sie wirken. Es dauert, bis ein Stadtbaum gewachsen ist und Schatten spendet in überhitzten Städten. Zugleich müssen alle politischen Ebenen mitmachen können. Kommunen sind als Erste von den Folgen des Klimawandels betroffen. Städte, Landkreise und Gemeinden sollen daher jetzt die Unterstützung erhalten, die zu ihnen passt. Das Bundesumweltministerium wird Kommunen ab Juli mit einem eigenen Beratungszentrum beim Finden individueller Lösungen unterstützen. Wir werden auch den Einsatz von Anpassungsmanagern fördern, die vor Ort die Klimaanpassung vorantreiben. Im nächsten Schritt wird die Bundesregierung auf Basis der Klimawirkungs- und Risikoanalyse verlässliche finanzielle und rechtliche Rahmenbedingungen für eine wirksame Klimaanpassung schaffen müssen.“

Dirk Messner, Präsident des Umweltbundesamts: „Zum Ende des Jahrhunderts könnten einige Risiken in Deutschland so stark ansteigen, dass sie nur durch tiefgreifende Vorsorgemaßnahmen reduziert werden können. Wir müssen jetzt handeln. Dazu gehört die konsequente Umsetzung naturbasierter Maßnahmen, auch beim Hochwasser- und Küstenschutz, wie beispielsweise die Auenrenaturierung und die Verbesserung des Rückhalts in der Fläche sowohl auf dem Land als auch in den Städten. Parallel müssen wir die Verschmutzung und Übernutzung von Wasser, Boden und Luft drastisch verringern, und in eine massive Begrünung von Freiflächen und Gebäuden investieren. Landschaften und Städte müssen wir so umbauen, dass sie sich ohne Schäden an Ökosystemen, Häusern und Infrastrukturen wie ein Schwamm mit Wasser vollsaugen und es wieder abgeben können. Wir müssen asphaltierte Flächen verkleinern oder mit wasserdurchlässigen Baustoffen ersetzen, Freiflächen und Begrünung schaffen und den Flächenverbrauch so schnell wie möglich reduzieren. Viele dieser Anpassungsmaßnahmen stärken nicht nur die Ökosysteme, sondern verbessern zugleich die Lebensqualität uns die Gesundheit der Menschen.“

Tobias Fuchs, Vorstand Klima und Umwelt des Deutschen Wetterdienstes: „Der Klimawandel schreitet weiter voran. Die Zunahme der Treibhausgaskonzentrationen ist bisher ungebremst. Das hat Folgen. So ist die durchschnittliche Jahrestemperatur in Deutschland seit 1881 bereits um 1,6 Grad gestiegen - stärker als weltweit. Die Auswirkungen spüren wir hierzulande. Zum Beispiel hat sich die Zahl der Hitzetage mit Höchsttemperaturen über 30 Grad Celsius fast verdreifacht und die Winterniederschläge stiegen um 27 Prozent. Und wie sieht unsere Klimazukunft aus? Wenn der schlechteste Fall unseres Szenarios eintritt, dann erwarten wir für Deutschland einen Anstieg der mittleren Lufttemperatur bis zur Mitte des Jahrhunderts zwischen 2,3 und 3 Grad - im Vergleich zum frühindustriellen Zeitalter. Steigen die Treibhausgasemissionen kontinuierlich an und stabilisieren sich zum Ende des 21. Jahrhunderts auf einem sehr hohen Niveau, könnten die Temperaturen hierzulande bis 2100 um 3,9 bis 5,5 Grad steigen.“

In der Klimawirkungs- und Risikoanalyse 2021 (KWRA) für Deutschland wurden über 100 Wirkungen des Klimawandels und deren Wechselwirkungen untersucht und bei rund 30 davon sehr dringender Handlungsbedarf festgestellt. Dazu gehören tödliche Hitzebelastungen, besonders in Städten, Wassermangel im Boden und häufigere Niedrigwasser, mit schwerwiegenden Folgen für alle Ökosysteme, die Land- und Forstwirtschaft sowie den Warentransport. Es wurden auch ökonomische Schäden durch Starkregen, Sturzfluten und Hochwasser an Bauwerken untersucht sowie der durch den graduellen Temperaturanstieg verursachte Artenwandel, einschließlich der Ausbreitung von Krankheitsüberträgern und Schädlingen.

Bisher sind nur wenige Regionen in Deutschland sehr intensiv von Hitze, Trockenheit oder Starkregen betroffen. Bei einem starken Klimawandel würden bis Mitte des Jahrhunderts sehr viel mehr Regionen mit diesen Wirkungen konfrontiert sein. Im Westen und Süden Deutschlands würde sich das Klima relativ zu heute am stärksten verändern. Im Südwesten und Osten würden klimatische Extreme am häufigsten vorkommen. Die Flüsse und Flusstäler könnten durch Folgen von wasserspezifischen Risiken, wie Niedrig- und Hochwasser, betroffen sein. An der Küste würden die Gefahren durch den Meeresspiegelanstieg in der zweiten Jahrhunderthälfte deutlich zunehmen. Bei einem starken Klimawandel würde Ende des Jahrhunderts im Vergleich zu heute ganz Deutschland ein Hotspot für Risiken des Klimawandels.

Die KWRA zeigt die Risiken verschiedener Klimaszenarien in der Mitte und zum Ende des Jahrhunderts. Erstmalig wurde dabei analysiert, wie die Risiken in einzelnen Sektoren zusammenhängen und sich gegenseitig beeinflussen. Für die höchsten Klimarisiken wurden zudem Anpassungsmöglichkeiten analysiert und dahingehend bewertet, wie stark sie das zukünftige Klimarisiko senken können.

Die Studie wurde im Auftrag der Bundesregierung durch ein wissenschaftliches Konsortium und unter Einbindung von Expertinnen und Experten aus 25 Bundesbehörden und -institutionen aus neun Ressorts im Behördennetzwerk „Klimawandel und Anpassung“ erarbeitet. Die Ergebnisse der Studie sind eine wesentliche Grundlage für die Weiterentwicklung der Deutschen Strategie zur Anpassung an den Klimawandel (DAS).

BMU

Weiterführende Informationen

Klimawirkungs- und Risikoanalyse: Zusammenfassung

Die Klimawirkungs- und Risikoanalyse wird in mehreren Teilen veröffentlicht:

MERS-CoV führt zu ähnlicher Immunantwort wie bei SARS-CoV-2

Mon, 14 Jun 2021 10:47:03 +0200

Die SARS-CoV-2-Pandemie lenkte die Aufmerksamkeit erneut auf die Familie der Betacoronaviren – nur acht Jahre nach dem Auftreten des Middle East Respiratory Syndrome Coronavirus (MERS-CoV), eines anderen zoonotischen Betacoronavirus, als dessen Quelle Dromedare gelten. Während die Infektion bei Dromedaren mild verläuft, leiden Menschen oft an einem schweren Krankheitsverlauf mit einer Sterblichkeitsrate von bis zu 35 %. Um diese Diskrepanz im Krankheitsverlauf besser zu verstehen, untersuchte nun ein internationales Wissenschaftsteam unter Leitung der Vetmeduni Vienna die Immunantwortgene (immune-response genes; IR-Gene) von Dromedaren – und zwar, inwieweit diese mit einer MERS-CoV-Infektion in Verbindung stehen. Das ist auch deshalb wichtig, da für den Menschen von MERS-CoV eine große Gefahr ausgeht, denn inzwischen wurde die MERS-CoV-Infektion bei Dromedaren in mehr als 25 Ländern auf allen Kontinenten außer Australien bestätigt.

Mehrzahl der Dromedare mit MERS-CoV infiziert

Die WissenschafterInnen sequenzierten 100 IR-Gene von 121 Dromedaren, wobei die Proben an drei verschiedenen Standorten in den Vereinigten Arabischen Emiraten (VAE) entnommen wurden. Alle Dromedare wurden auf MERS-CoV-Antikörper untersucht, die eine (frühere) Infektion anzeigen, sowie auf das Vorhandensein des aktiven Virus. Die Prävalenz bei den untersuchten Tieren war enorm hoch, wie Studien-Erstautorin Sara Lado vom Forschungsinstitut für Wildtierkunde und Ökologie der Vetmeduni Vienna erklärt: „Die meisten der 121 Dromedare trugen MERS-CoV-Antikörper in sich, wobei bereits Jungtiere ab einem Alter von zwei Monaten dem Virus ausgesetzt waren.“

Immunsystem reagiert ähnlich wie bei SARS-CoV-1/-2

Mittels eines Phänotyp-Genotyp-Assoziationstests identifizierten die WissenschafterInnen jene IR-Gene, die mit einer MERS-CoV-Infektion bei Dromedaren in Verbindung stehen könnten. Dazu Lado: „Wir identifizierten Kandidatengene mit wichtigen Funktionen in der erworbenen (MHC-Klasse I und II) und in der angeborenen Immunantwort (PTPN4, MAGOHB) und im Flimmerepithel der Atemwege (DNAH7). Einige dieser Gene wurden in früheren Studien mit der Virusreplikation bei SARS-CoV-1/-2 beim Menschen in Verbindung gebracht, andere spielen eine wichtige mechanische Rolle für das Flimmerepithel der Bronchien.“

Obwohl einige der nun mit MERS-CoV assoziierten Genvarianten zuvor mit SARS-CoV-1/-2 und anderen Infektionskrankheiten der Atemwege in Verbindung gebracht wurden, sind laut den ForscherInnen weitere genomische und funktionelle Analysen erforderlich, um diese Ergebnisse zu bestätigen. „Mit unserer Arbeit öffnen wir die Tür für zukünftige neue Forschungen, einschließlich groß angelegter Screenings auf Gene, die den Abwehrmechanismen gegen die Zoonose MERs-CoV zugrunde liegen“, so Studien-Letztautorin Pamela A. Burger, Leiterin der Arbeitsgruppe Populationsgenetik und Artenschutz am Forschungsinstitut für Wildtierkunde und Ökologie der Vetmeduni Vienna.

Veterinärmedizinische Universität Wien

Originalpublikation:

Sara Lado, Jean P. Elbers, Martin Plasil, Tom Loney, Pia Weidinger, Jeremy V. Camp, Jolanta Kolodziejek, Jan Futas, Dafalla A. Kannan, Pablo Orozco-terWengel, Petr Horin, Norbert Nowotny und Pamela A. Burger: „Innate and Adaptive Immune Genes Associated with MERS-CoV Infection in Dromedaries“, cells 2021

https://www.mdpi.com/2073-4409/10/6/1291

Big Data: Doppelte Genauigkeit bei Vorhersage von Weizen-Erträgen

Mon, 14 Jun 2021 10:31:14 +0200

Das enorme Potenzial von Big Data hat sich in Bereichen wie Finanzdienstleistungen und Telekommunikation bereits gezeigt. Ein internationales Forscherteam unter Führung des IPK Leibniz-Institutes hat die Möglichkeiten von Big Data nun erstmals im großen Maßstab für die Pflanzenforschung erschlossen. Dazu wurden die Daten aus drei Projekten genutzt, um beim Weizen die Vorhersagegenauigkeit für den Ertrag bei Hybridsorten zu erhöhen. „Wir konnten auf den größten bisher publizierten Datensatz zurückgreifen, der Informationen aus fast einem Jahrzehnt Weizenforschung und -entwicklung enthält“, sagt Prof. Dr. Jochen Reif, Leiter der Abteilung Züchtungsforschung am IPK. Die Ergebnisse, die eine neue Ära für die Pflanzenzüchtung einläuten könnten, hat nun das Magazin „Science Advances“ veröffentlicht.

Letztlich wurden Daten zu mehr als 13.000 Genotypen analysiert, die in 125.000 Ertragsparzellen geprüft wurden. Zum Vergleich: In einem Zuchtprogramm werden jährlich Pflanzen in 20.000 Ertragsparzellen getestet. „Uns war klar, dass wir die Populationsgrößen erhöhen müssen, um letztlich belastbare Vorhersagemodelle für den Ertrag zu entwickeln“, sagt Prof. Dr. Jochen Reif, „deshalb hieß in diesem Fall wirklich einmal: ,viel bringt viel‘“. Der Aufwand habe sich gelohnt. „Wir konnten in unserer Studie die Vorhersagegenauigkeit für den Ertrag verdoppeln.“

Das Forschungsteam nutzte dabei Daten aus den beiden früheren Projekten HYWHEAT (gefördert vom Bundesministerium für Forschung und Bildung) und Zuchtwert (gefördert vom Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft) sowie aus einem Programm des Saatgutherstellers KWS. Grundsätzlich besteht die Herausforderung in derartigen Studien darin, die Informationen auf ein einheitliches Qualitätsniveau aufzubereiten und so eine gemeinsame Analyse zu ermöglichen. „Da wir seit Start für die Konzeptionen der Experimente verantwortlich waren, konnten wir diese so planen, dass immer ein kleiner Teil von denselben Genotypen über die Projekte hinweg mitgetestet wurden und somit eine integrierte Analyse überhaupt ermöglichten“, sagt Prof. Dr. Jochen Reif.

Der Wissenschaftler ist fest davon überzeugt, dass es sich auszahlt, Big Data für die Pflanzenzüchtung und -forschung zu nutzen. „Wir haben letztlich an unser aller Zukunftsperspektive gearbeitet“, sagt der IPK-Wissenschaftler. „Es ist uns gelungen, das Potenzial von Big Data für die Züchtung von ertragsstabilen Sorten in Zeiten des Klimawandels aufzuzeigen.“

Die jetzige Modellstudie, so Prof. Dr. Jochen Reif, habe eine Bedeutung, die weit über eine Kulturart hinausgehe und hoffentlich einen Kulturwandel in der Züchtung einläutet. „Wir konnten den großen Nutzen von Big Data für die Pflanzenzüchtung aufzeigen. Die Möglichkeiten dazu sind aber nur durch eine vertrauensvolle Zusammenarbeit aller Akteure gegeben, um Daten gemeinsam zu nutzen und die Herausforderungen der Zukunft zusammen meistern zu können.“ Letztendlich ist das auch die Eintrittspforte für die Nutzung Künstlicher Intelligenz (KI). „Die erfolgreiche Nutzung von KI steht und fällt auch in der Pflanzenzüchtung und -forschung mit sauberen und umfangreichen Daten. Unsere jetzige Studie ist für diesen Weg ein wichtiger Türöffner.“

Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung

Originalpublikation:

Zhao et al. (2021), Unlocking big data doubled the accuracy in predicting the grain yield in hybrid wheat. Science Advances.
DOI: 10.1126/sciadv.abf9106

https://doi.org/10.1126/sciadv.abf9106

Schädlicher Proteinabfall im Muskel

Mon, 14 Jun 2021 10:03:41 +0200

Ein internationales Forscherteam unter Federführung der Universität Bonn hat die Ursache einer seltenen, schweren Muskelerkrankung aufgeklärt. Eine einzelne spontan auftretende Mutation führt demnach dazu, dass die Muskelzellen defekte Proteine nicht mehr korrekt abbauen können. In der Folge gehen die Zellen zugrunde. Das Leiden führt bei Kindern zu einer schweren Herzschwäche, begleitet von Schäden der Skelett- und Atem-Muskulatur. Die Betroffenen werden selten älter als 20 Jahre. Die Studie zeigt auch experimentelle Ansätze für eine mögliche Therapie auf. Ob sich diese Hoffnung erfüllt, wird sich allerdings erst in einigen Jahren zeigen.

Wer am Fahrrad schon einmal einen Speichenbruch hatte oder mit dem Auto liegengeblieben ist, der weiß: mechanische Belastungen führen früher oder später zu Schäden, die repariert werden müssen. Das trifft auch auf die menschliche Muskulatur zu. „Bei jeder Bewegung werden Strukturproteine geschädigt und müssen ersetzt werden“, erklärt der Privatdozent Dr. Michael Hesse vom Institut für Physiologie der Universität Bonn, der die Studie zusammen mit seinem Kollegen Prof. Dr. Bernd Fleischmann geleitet hat.

Normalerweise werden die defekten Moleküle in der Zelle zerkleinert und ihre Bestandteile dann recycelt. Eine wichtige Rolle bei diesem komplexen Prozess spielt ein Protein namens BAG3. Wie wichtig, zeigen die Ergebnisse der neuen Studie: Die Forschenden konnten darin nachweisen, dass eine einzige Veränderung in der genetischen Bauanleitung von BAG3 zu einer tödlichen Erkrankung führt.

„Die Mutation führt dazu, dass BAG3 zusammen mit Partner-Proteinen unlösliche Komplexe bildet, die immer größer werden“, sagt Hesse. Dadurch kommen die Reparaturprozesse zum Erliegen – die Muskulatur wird immer weniger leistungsfähig. Zudem entsteht mit der Zeit eine toxische Protein-Anreicherung, die schließlich zum Tod der Muskelzelle führt. „Die Folgen werden meist zuerst am Herz sichtbar“, sagt Hesse. „Dort wird Muskel sukzessive durch Narbengewebe ersetzt. Dadurch sinkt die Elastizität des Herzens, bis es kaum noch Blut pumpen kann.“

Bei den Betroffenen ist daher meist schon im Kindesalter eine Herztransplantation erforderlich. Dennoch hilft diese Maßnahme ebenfalls nur temporär, da die Krankheit auch die Skelett- und Atemmuskulatur erfasst. Oft sterben die Erkrankten daher schon in jungen Jahren.

Sehr seltenes Leiden, daher wenig Forschung

Die tödliche Mutation kann spontan bei der Entwicklung des Embryos entstehen. Glücklicherweise tritt das sehr selten auf: Weltweit gibt es vermutlich nur wenige hundert Kinder, die betroffen sind. Aufgrund ihrer Seltenheit wurde die Erkrankung bislang aber kaum erforscht. „Unsere Studie bringt uns nun ein großes Stück weiter“, betont Bernd Fleischmann.

Denn den Forschenden ist es gelungen, die Erkrankung erstmals in Mäusen nachzustellen und mit Hilfe des neuen Tiermodells ihre Ursachen aufzuklären. Dadurch lässt sie sich besser erforschen als bislang – auch im Hinblick auf mögliche Therapien. Denn eventuell lässt sich die Auswirkung der Mutation zumindest mindern. Menschen haben von jeder Erbanlage zwei Versionen, von denen die eine von der Mutter und die andere vom Vater stammt. Selbst wenn bei der Entwicklung des Embryos eine BAG3-Version mutiert, gibt es also immer noch ein zweites Gen, das intakt ist.

Leider verklumpt jedoch das defekte BAG3 auch mit seinen intakten Geschwistern. Die Mutation in einem der Gene reicht also, um den Abbau der defekten Muskelproteine zum Stillstand zu bringen. Könnte man die mutierte Version aus dem Verkehr ziehen, müsste die Reparatur aber wieder funktionieren. Außerdem ließe sich so die massive Anhäufung von Proteinen in der Zelle verhindern, die schließlich zu ihrem Tod führt.

Tatsächlich gibt es Methoden, einzelne Gene in ihrer Aktivität gezielt zu hemmen. „Wir haben eine davon genutzt, um die kranken Mäuse zu behandeln“, erklärt Kathrin Graf-Riesen vom Institut für Physiologie, die zusammen mit Dr. Kenichi Kimura und ihrer Kollegin Dr. Astrid Ooms für einen großen Teil der Experimente verantwortlich war. Die so therapierten Tiere zeigten dann deutlich weniger Symptome. Ob sich dieser Ansatz auf den Menschen übertragen lässt, ist allerdings noch Gegenstand weiterer Forschung.

Universität Bonn

Originalpublikation:

Kenichi Kimura et al.: Overexpression of human BAG3P209L in mice causes restrictive cardiomyopathy. Nature Communications, https://doi.org/10.1038/s41467-021-23858-7