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Genetik

Die Genetik befasst sich mit den Grundlagen der Vererbung von Eigenschaften, wie etwa die der menschlichen Blutgruppen oder auch von Erbkrankheiten. Die moderne Molekulargenetik umfasst darüber hinaus Bereiche wie die Klonierung einzelner Gene, die etwa für die biotechnologische Herstellung wichtiger Proteine wie Insulin, Interferon oder Wachstumshormonen in Bakterien und Pilzen verwendet werden können. Als "klassische" Produktionsstätten dienen dabei meist entweder das Darmbakterium E. coli oder die Wein-, Bier- und Bäckerhefe Saccharomyces cerevisiae. Zur Vitamingewinnung wird auch der Fadenpilz Ashbya gossypii eingesetzt.

Abbildung 1 Der Lebenszyklus der Wein-, Bier- und Bäckerhefe S. cerevisiae mit verschiedenen Knospungsstadien.

Prof. Dr. Jürgen Heinisch

Telefon: +49 (0)541 969 - 2291 (Sekretariat Frau Schmieding)
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Die AG Genetik verwendet alle drei Modellorganismen, um einerseits zu erforschen, wie sich Zellen teilen und dabei ihre Erbinformation fehlerfrei weitergeben. Andererseits untersuchen wir, wie Zellen ihre Umgebung wahrnehmen und ihren Stoffwechsel den Anforderungen anpassen. Dabei stehen sogenannte Signalketten im Mittelpunkt, die z.B. in Hefezellen ganz ähnlich ablaufen wie beim Menschen. Fehler (durch Mutationen) in einem solchen Informationsfluss führen dabei häufig zur Krebsenstehung. Durch ein genaues Verständnis der zugrunde liegenden Mechanismen kommen wir der Entwicklung von wirkungsvollen Medikamenten einen Schritt näher. Darüber hinaus untersuchen wir den Aufbau der Zellwand von Hefen als möglichen Angriffspunkt zur Bekämpfung von Pilzkrankheiten, wie z.B. Candida-Infektionen. Schließlich ergeben sich aus unseren Arbeiten mit den verschiedensten Hefearten auch direkte Anwendungen für die Verwendung als Nahrungs- und Futtermittel, sowie den Einsatz in der Weinbereitung und der Bioethanolproduktion.

So wie sich die klassische Vererbungslehre auf die von Gregor Mendel an Erbsen erforschte Weitergabe von Genen auf die Nachkommen gründet, fußt die moderne Genetik auf der Klonierung (Isolierung) solcher Gene auf kleinen DNA-Fragmenten. Dies gelang zuerst mit Hilfe kleiner, ringförmiger DNA-Moleküle, den Plasmiden, sowie den zugehörigen Werkzeugen, den Restriktionsenzymen und DNA-Ligasen, im Darmbakterium Escherichia coli. Bakterienzellen (Prokaryonten) sind deutlich einfacher organisiert als etwa unsere menschlichen Zellen, wo fast das gesamte Erbmaterial in Form von Chromosomen in einem Zellkern eingeschlossen ist (Eukaryonten).

Abbildung 2 Das Ergebnis einer Tetradenanalyse.

Wie bei den Bakterien handelt es sich auch bei der Hefe Saccharomyces cerevisiae um einen einzelligen Organismus. Allerdings vermehrt er sich nicht durch Zweiteilung, sondern durch Knospung und gehört zu den Eukaryonten, mit im Zellkern eingeschlossenen Chromosomen. Eine weitere Ähnlichkeit zwischen Hefe und Mensch ist die Fähigkeit zur sexuellen Vermehrung. Laborstämme von S. cerevisiae haben Zellen mit zwei Paarungstypen ("Mann" und "Frau"). Diese kann man kreuzen, woraus je vier haploide Nachkommen hervorgehen. Eine sogenannte Tetradenanalyse zeigt die Vererbung von Eigenschaften nach den Mendel'schen Regeln, wie sie auch von der Erbse bis zum  Menschen gelten.

Abbildung 3 Eine komplexe Signalkette ermöglicht der Hefe den Aufbau neuer Zellwand zur Anpassung an Stressbedingungen. Signale an der Zelloberfläche werden wahrgenommen und in ein Programm zur Transkription von Zielgenen im Zellkern umgesetzt.

In den letzten zwei Jahrzehnten hat sich die Hefe S. cerevisiae zu einem zweiten Standbein der Molekulargenetik (neben E. coli) entwickelt: Die Genomsquenz der 16 Chromosomen wurde bereits 1996 vollständig entschlüsselt und heute liegen uns Hefestämme vor, in denen jedes einzelne der über 5000 Gene ausgeschaltet ("deletiert") wurde. Wir verwenden solche und andere Mutanten für die Aufklärung einer Signalkette ("Cell Wall Integrity Pathway"), die es der Hefezelle ermöglicht, auf äußere Stress-Situationen zu reagieren, indem sie ihre Zellwand verstärkt. Ohne eine intakte Zellwand platzen die Hefezellen und sterben. Außerdem untersuchen wir detailliert die Proteine, die für die Trennung der Knospe von der Mutterzelle (Zytokinese) wichtig sind. Dies geschieht in einem eng umschlossenen Raum (Mikrokompartiment) zwischen den beiden Zellen, der als Knospenhals (engl.: "bud neck") bezeichnet wird.

S. cerevisiae wird weltweit zur Alkoholproduktion, von Spirituosen bis zur Bioethanolherstellung, verwendet. Dabei werden Zucker durch den Stoff-wechselweg der Glykolyse in Ethanol umgesetzt. Auch die dafür kodierenden Gene und die zugrunde liegenden Regulationsmechanismen werden von uns intensiv untersucht.

Abbildung 4 Nachweis bestimmter Proteine bei der Vermehrung von Hefezellen am Knospenhals durch Fluoreszenz-Mikroskopie. Hefen vermehren sich durch Knospung und schnüren dabei die Tocherzelle ab. Bestimmte an diesem Vorgang beteiligte Proteine können mit einer grünen oder roten Fluoreszenzmarkierung nachgewiesen werden. Ein Sensor des Zellintegritätsweges bzw. ein die Zellteilung steuerndes Protein sind so durch ihre Färbung erkenn- und lokalisierbar.

Abbildung 5 Nachweis bestimmter Proteine bei der Vermehrung von Hefezellen am Knospenhals durch Fluoreszenz-Mikroskopie. Das Bild zeigt Zeitraffer-Aufnahmen im 5-Minuten-Abstand.

Neben S. cerevisiae gibt es noch viele andere Hefearten mit teilweise großer industrieller Bedeutung. Die oben beschriebenen Untersuchungen führen wir ähnlich auch an der Laktose-verwertenden Milchhefe Kluyveromyces lactis durch (mit Bezug zur menschlichen Laktose-Intoleranz), sowie an der Hefe Kloeckera apiculata ("Apiculatus-Hefen" in der Weinbereitung), für die wir erstmals eine molekulare Genetik aufbauen konnten.

Abbildung 6 Pilzhyphe von Ashbya gossypii. Links Hellfeld, rechts Zellkerne und Zytoskelettelemente.

Ein diesen Hefen nahe verwandter, filamentöser Pilz, ist Ashbya gossypii, der in der Gruppe von Dr. Hans-Peter Schmitz untersucht wird. A. gossypii ist ein opportunistisch pathogener Pilz, der Baumwoll- und Zitruspflanzen befällt, hierzu jedoch auf die Injektion durch an diesen Pflanzen saugende Insekten angewiesen ist. Neben der Eigenschaft der Überproduktion von Riboflavin (Vitamin B2), die auch industriell genutzt wird, besitzt er einige Charakteristika wie das Wachstum in langgestreckten Filamenten und das gleichzeitige Vorhandensein von mehreren Zellkernen in einem Zellkompartiment, die ihn besonders für Studien der Regulation des Zytoskeletts interessant machen.

Abbildung 7 McConkey-Indikator-Agarplatten helfen bei der Analyse von Escherichia coli-Mutanten.

Obwohl das Bakterium Escherichia coli traditionell seit Jahrzehnten molekulargenetisch intensiv untersucht wird, lassen sich an diesem Modellsystem immer neue interessante biologische Zusammenhänge aufklären. Die Gruppe um PD Dr. Knut Jahreis untersucht insbesondere die Mechanismen der Kohlenhydrataufnahme und die zugehörigen Stoffwechselwege. Eine wichtige Klasse von Kohlenhydrattransportsystemen besteht aus einer Vielzahl von Einzelkomponenten, die neben ihrer Funktion bei der Zuckeraufnahme noch wichtige Aufgaben bei der Regulation des Kohlenhydratstoffwechsels und der Chemotaxis, d.h. der gezielten Bewegung der Bakterien in Richtung eines Lockstoffs, erfüllen. Da diese Systeme genetisch sehr leicht zugänglich sind, werden diese Modelle auch für systembiologische Untersuchungen zur Simulation der Stoffwechselvorgänge in einem lebenden Organismus verwendet. Die hieraus gewonnenen Erkenntnis helfen bei der Optimierung von industriell genutzten Produktionsstämmen, beispielsweise bei der Herstellung von Aminosäuren.

Literaturauswahl

  • Dupres, V., Alsteens, D., Wilk, S., Hansen, B., Heinisch, J.J., and Dufrênes, Y.F. (2009) The yeast Wsc1 cell surface sensor behaves like a nanospring in vivo. Nature Chem. Biol. 5, 857-862.
  • Heinisch, J.J. (2008) Baker's yeast as a tool for the development of antifungal drugs which target cell integrity - an update. Expert Opin. Drug Discov. 3, 931-943.
  • Schehl, B., Senn, T., Lachenmeier, D., Rodicio, R. and Heinisch, J.J. (2007) Contribution of the fermenting yeast strain to ethyl carbamate generation in stone fruit spirits. Appl. Microbiol. Biotechnol. 74, 843-850.
  • Köhli M., Buck S., Schmitz H.P. (2008) The function of two closely related Rho proteins
    is determined by an atypical switch I region. J. Cell Sci. 121, 1065-1075.
  • Jahreis, K., Pimentel-Schmitt, E.F., Brückner, R., and Titgemeyer, F. (2008) Ins and outs of glucose transport systems in eubacteria. FEMS Microbiol. Rev. 32, 891-907.