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Zellbiologie

Nicht ganz die Mutter

Von Gleichmacherei halten Hefen überhaupt nichts. Sie setzen bei der Zellteilung auf das Modell "Knospung", bei der sich eine deutlich kleinere Tochter von der Mutterzelle abschnürt. Ein im töchterlichen Zellkern gefangenes Protein scheint die Ursache für diese Ungleichheit zu sein.
Backhefe
Eine leckere Pizza, dazu ein gepflegtes Bier – ohne Saccharomyces cerevisiae müssten wir auf so manchen Genuss verzichten. Doch neben ihrer gastronomischen Karriere hat sich die – je nach Geschmack – Back- oder Bierhefe auch schon als nobelpreiswürdig erwiesen.

Denn die Krebsforscher Leland Hartwell und Paul Nurse – die sich den Medizin-Nobelpreis 2001 mit Timothy Hunt teilten – konnten anhand des Pilzes und seiner Verwandten die Geheimnisse der Zellteilung enthüllen. Im Gegensatz zu Bakterien gehört der anspruchslose Einzeller wie das gesamte Tier- und Pflanzenreich zu den Eukaryoten, also zu den Organismen mit einem echten Zellkern, und hat sich daher als Modell für grundlegende biochemische Prozesse etabliert.

Ace2 in knospender Hefe
Ace2 in knospender Hefe | Asymmetrische Zellteilung bei der Hefe Saccharomyces cerevisiae: Der Transkriptionsfaktor Ace2 konzentriert sich in dem Zellkern der absprossenden Zelle (a). In den Hefezellen b und c verläuft dagegen die Kernteilung gestört, die Zellkerne verbleiben in der Mutterzelle. Hier findet keine Konzentrierung von Ace2 statt. Auf dem linken Teilbild ist das Protein Ace2 markiert, rechts die Kern-DNA (Maßstab: 5 Mikrometer).
Zu dieser Grundausstattung eukaryotischen Lebens gehört die Zell- und die ihr vorausgehende Kernteilung, die Mitose. Hefen weichen dabei allerdings ein wenig von der Norm ab: Statt die beiden Zellhälften schön sauber und gerecht in der Mitte durchzutrennen, schnürt sich eine kleine Knospe – die werdende Tochterzelle – von der deutlich größeren Mutterzelle ab. Genetisch sind beide Zellen vollkommen identisch, morphologisch unterscheiden sie sich doch erheblich. Warum läuft hier etwas schief?

Der Zellbiologe Eric Weiss von der Northwestern University in Evanston und seine Kollegen wussten bereits, dass ein bestimmtes Protein, der Transkriptionsfaktor Ace2, bei der asymmetrischen Zellteilung eine entscheidende Rolle spielt: Es sitzt hauptsächlich im Zellkern der sich abschnürenden Tochterzelle und aktiviert hier Gene, die bei der Mutter ruhig gestellt sind.

Experimente mit fluoreszenzmarkierten Proteinen offenbarten die Ursache für diese Einseitigkeit: Zunächst ist Ace2 in den sich bildenden Zellkernen gleich verteilt. Doch während die beiden Zellen noch aneinanderhängen, baut im töchterlichen Zellkern eine Proteinkinase namens Cbk1 – also ein Enzym, das andere Proteine phosphoryliert und damit aktiviert – an drei Positionen von Ace2 jeweils eine Phosphatgruppe ein.

Dadurch kann der Transkriptionsfaktor einerseits loslegen und das Ablesen von Genen der Tochterhefe ermöglichen. Andererseits verhindert die Phosphorylierung, dass ihn die Exportmaschinerie des Zellkern hinauskomplimentiert. Während also Ace2 im töchterlichen Zellkern gefangen bleibt, entledigt sich der Mutterkern vom nicht aktivierten Protein.

Die veränderte Genablesung – ausgelöst durch ein im Zellkern fest gehaltenes Protein – weist also zwei genetisch identische Organismen ein unterschiedliches Schicksal zu.
"Krebs könnte ein anomaler Verlust der Differenzierung sein, bei dem spezialisierte Zellen ihre frühere Aufgabe 'vergessen' haben"
(Eric Weiss)
Derartige "epigenetische" Prozesse haben sich in letzter Zeit als wesentliche Steuerglieder zellulärer Entwicklungsprozesse herauskristallisiert – etwa auch bei Tumorzellen, betont Weiss: "Krebs könnte einen teilweisen und anomalen Verlust der Differenzierung darstellen, bei dem spezialisierte Zellen ihre frühere spezifische Aufgabe 'vergessen' haben und sich wie eine schnell teilende Stammzelle, aus der sie einst entstanden sind, verhalten."

Saccharomyces cerevisiae wird also weiterhin ein begehrtes Objekt von Zellbiologen und Krebsforschern bleiben. Davon unbeeindruckt bleibt der unverzichtbare Einsatz des Pilzes für Pizza und Bier.
21.08.2008

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 21.08.2008

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