Neu­er Erre­ger-Vari­an­te: Mecha­nis­mus für Unemp­find­lich­keit erkannt

Mala­ria zählt zu den gefähr­lichs­ten Infek­ti­ons­krank­hei­ten. Erre­ger ist hier die Mikro­or­ga­nis­men-Gat­tung Plas­mo­di­um. Eine beson­ders gefähr­li­che Form der Krank­heit wird durch Plas­mo­di­um fal­ci­par­um über­tra­gen. Artemi­s­i­nin ist eines der wich­tigs­ten Mala­ria­mit­tel gegen die­sen Para­si­ten. Doch bei einer Mutan­te des Erre­gers, die sich mitt­ler­wei­le ver­brei­tet, ist die Wir­kung von Artemi­s­i­nin ein­ge­schränkt. Ein For­scher­team um den Kai­sers­lau­te­rer Bio­che­mi­ker Robin Schu­mann hat nun den Mecha­nis­mus dafür gefun­den: Es kommt zu einer Fehl­fal­tung eines Pro­te­ins, das an der Ent­wick­lung des Para­si­ten betei­ligt ist. Die Stu­die ist in der renom­mier­ten Fach­zeit­schrift „Redox Bio­lo­gy“ erschienen.

„Die Ent­wick­lung des Erre­gers erfolgt in Zyklen. Die Wirk­sam­keit von Artemi­s­i­nin ist nach der Ein­nah­me zeit­lich begrenzt. Es wirkt nur bei Plas­mo­di­en, die sich in einem bestimm­ten Sta­di­um des Zyklus befinden.”
—  Robin Schu­mann, Erst­au­tor der aktu­el­len Studie

Bei der mutier­ten Vari­an­te, die ihren Ursprung im Grenz­ge­biet von Thai­land und Kam­bo­dscha hat und sich mitt­ler­wei­le welt­weit ver­brei­tet, ist die Wir­kung des Mit­tels ein­ge­schränkt. Bei der Kurz­be­hand­lung von Pati­en­ten hat man fest­ge­stellt, dass die Para­si­ten wie­der zurück­kom­men. „Bei die­sen mutier­ten Erre­gern ver­zö­gert sich die Ent­wick­lung“, erläu­tert Schu­mann. „Sie blei­ben län­ger in einem Sta­di­um, bei dem das Mit­tel sei­ne Wir­kung nicht ent­fal­ten kann.“
Ursa­che hier­für ist eine Muta­ti­on bei einem Gen, das das Pro­te­in Kelch13 kodiert: Die­se hat zur Fol­ge, dass an einer bestimm­ten Stel­le die­ses Eiweiß­mo­le­küls die Ami­no­säu­re Cys­tein durch die Ami­no­säu­re Tyro­sin aus­ge­tauscht wird. Doch wel­che Rol­le spielt Kelch13 bei der Ent­wick­lung des Mala­ria­er­re­gers genau? Wie wirkt sich die­se Muta­ti­on auf mole­ku­la­rer Ebe­ne aus?
Mit die­sen Fra­gen hat sich das Team von Pro­fes­sor Dr. Mar­cel Depon­te aus dem Fach­be­reich Che­mie an der TU Kai­sers­lau­tern befasst. Die Arbei­ten dazu haben im Rah­men des Schwer­punkt­pro­gram­mes (SPP 1710) „Dyna­mics of thi­ol-based redox swit­ches in cel­lu­lar phy­sio­lo­gy“ der Deut­schen For­schungs­ge­mein­schaft statt­ge­fun­den. „Als wir mit dem Pro­jekt ange­fan­gen haben, haben ande­re For­scher­grup­pen zwei Hypo­the­sen zur Wirk­wei­se von Kelch13 auf­ge­stellt“, sagt Pro­fes­sor Dr. Mar­cel Deponte.
Eine Annah­me setzt auf eine poten­ti­el­le Redo­xak­ti­vi­tät des Eiweiß­mo­le­küls. „Es ähnelt in sei­nem Auf­bau einem zen­tra­len Redoxsen­sor von Wir­bel­tie­ren“, fährt der Bio­che­mi­ker fort. Wie bereits oben erwähnt, betrifft die Muta­ti­on bei Kelch13 meist einen Cys­tein-Rest. Cys­tein ist schwe­fel­hal­tig und poten­ti­ell redo­xak­tiv, das heißt, es kann mit ande­ren Mole­kü­len che­misch regie­ren und Elek­tro­nen aus­tau­schen. Bei dem Mala­ria­mit­tel Artemi­s­i­nin wie­der­um han­delt es sich um ein soge­nann­tes Per­oxid, das eben­falls redo­xak­tiv ist. „Die ers­te Hypo­the­se ging nun davon aus, dass die Wir­kung des Anti­ma­la­ria­mit­tels durch einen Redox­pro­zess ver­än­dert wird, der von die­sem Pro­te­in abhän­gig ist“, fasst Depon­te zusammen.
Par­al­lel zu die­ser Hypo­the­se haben zwei ande­re Arbeits­grup­pen gezeigt, dass Kelch13 für die Auf­nah­me von Hämo­glo­bin aus den Ery­thro­zy­ten in den Para­si­ten benö­tigt wird. Dar­un­ter auch die Arbeits­grup­pe um Dr. Tobi­as Spiel­mann vom Bern­hard-Nocht-Insti­tut für Tro­pen­me­di­zin in Ham­burg, die ihre Ergeb­nis­se in einer Stu­die in der renom­mier­ten Fach­zeit­schrift „Sci­ence“ ver­öf­fent­licht hat. „Durch die Muta­ti­on wird die­se Auf­nah­me beein­träch­tigt“, so Schu­mann wei­ter. Im Rah­men einer Kol­la­bo­ra­ti­on mit Mar­kus Gan­ter und sei­ner Arbeits­grup­pe am Zen­trum für Infek­tio­lo­gie des Uni­ver­si­täts­kli­ni­kums Hei­del­berg konn­te die beein­träch­tig­te Auf­nah­me des Hämo­glo­bins in der aktu­el­len Stu­die eben­falls bestä­tigt werden.
In sei­ner Pro­mo­ti­on hat sich Schu­mann mit bei­den Hypo­the­sen befasst. Die ers­te Annah­me hat er mit sei­nen Ergeb­nis­sen wider­legt: Er hat dazu unter ande­rem den Cys­tein-Rest bei Kelch13 aus­ge­tauscht und durch einen Serin-Rest ersetzt. „Die Ami­no­säu­re Serin ähnelt im che­mi­schen Auf­bau dem Cys­tein, ist aber nicht redo­xak­tiv und besitzt kei­nen Schwe­fel-Rest“, erläu­tert er. „Wir haben kei­nen Ein­fluss auf die Emp­find­lich­keit gegen­über Artemi­s­i­nin fest­ge­stellt und daher eine Redo­xak­ti­vi­tät in die­sem Zusam­men­hang aus­ge­schlos­sen. Die Ursa­che muss mit dem Tyro­sin-Rest in Zusam­men­hang ste­hen, der in der Natur bei der mutier­ten Vari­an­te auftritt.“
Somit hat Schu­mann sei­nen Fokus auf die ande­re Annah­me gerich­tet: War­um wird bei der Mutan­te weni­ger Hämo­glo­bin auf­ge­nom­men? Die Ham­bur­ger Arbeits­grup­pe hat­te zuvor gezeigt, dass die Hämo­glo­bin-Auf­nah­me ver­rin­gert ist, wenn es zu einer Cys­tein-Tyro­sin-Muta­ti­on kommt. Das Team aus Kai­sers­lau­tern hat nun unter­sucht, wel­chen Ein­fluss die Kon­zen­tra­ti­on des Pro­te­ins in der ursprüng­li­chen Vari­an­te des Para­si­ten hat. „Wir haben einen Erre­ger-Stamm ent­wi­ckelt, in dem wir die Men­ge des Kel­ch13-Pro­te­ins ver­än­dern konn­ten“, sagt Schumann.
Hier­für hat der Dok­to­rand eine neue Tech­nik ver­wen­det: Er hat das Pro­te­in mit­hil­fe eines Ribo­zyms regu­liert, einem klei­nen RNA-Mole­kül, das wie ein Enzym che­mi­sche Reak­tio­nen kata­ly­siert. Schu­manns Fazit: „Regelt man die Pro­te­in­kon­zen­tra­ti­on her­un­ter, kommt es eben­falls zu einer Unemp­find­lich­keit gegen­über dem Wirk­stoff.“ Doch was ist dafür die genaue Ursa­che? Um dies zu beant­wor­ten, woll­te Schu­man das Eiweiß­mo­le­kül iso­liert betrachten.
Dabei kam eben­falls ein neu­es Ver­fah­ren zum Ein­satz. Nach über einem Jahr Arbeit ist es ihm gelun­gen, ein soge­nann­tes rekom­bi­nan­tes Kelch 13-Pro­te­in in Insek­ten­zel­len her­zu­stel­len. Dar­un­ter ver­steht man Eiweiß­mo­le­kü­le, die mit­tels Zell­kul­tur oder Mikro­or­ga­nis­men mit bio­tech­no­lo­gi­schen Ver­fah­ren pro­du­ziert wer­den. Schu­mann hat dazu eng mit dem Euro­pean Mole­cu­lar Bio­lo­gy Labo­ra­to­ry in Hei­del­berg zusam­men­ge­ar­bei­tet, wo er gelernt hat, Insek­ten­zel­len zu kultivieren.
Das Pro­te­in hat das Team schließ­lich auf­ge­r­ei­nigt, ana­ly­siert und iso­liert betrach­tet. Auch hier­bei ist es einen neu­en Weg gegan­gen. Bis­lang haben ande­re Arbeits­grup­pen Kelch13 immer nur im Para­si­ten unter­sucht. „Wir haben gese­hen, dass es durch die Muta­ti­on zu einer Fehl­fal­tung kommt und dies sei­ne Wir­kung beein­träch­tigt“, fasst Depon­te zusam­men. In der Fol­ge kann der Erre­ger Hämo­glo­bin nur lang­sam auf­neh­men. Daher ent­wi­ckeln sich die Para­si­ten in einem frü­hen Sta­di­um nur ver­zö­gert wei­ter, sodass das Mala­ria­mit­tel in sei­nem Zeit­fens­ter nicht wir­ken kann.
Schu­manns Kol­le­gin Eile­en Bisch­off hat die Arbei­ten zur Auf­rei­ni­gung und Ana­ly­se des Pro­te­ins wei­ter­ge­führt. Dar­über hin­aus hat Sophie Möh­ring maß­geb­lich dar­an mit­ge­wirkt, in der Kai­sers­lau­te­rer Arbeits­grup­pe eine Kul­tur mit dem Para­si­ten Plas­mo­di­um fal­ci­par­um zu etablieren.
Die Stu­die wur­de in der renom­mier­ten Fach­zeit­schrift „Redox Bio­lo­gy“ ver­öf­fent­licht: „Pro­te­in abundance and fol­ding rather than the redox sta­te of Kelch13 deter­mi­ne the artemi­s­i­nin sus­cep­ti­bi­li­ty of Plas­mo­di­um falciparum“