Folgenreiche Änderungen am Invasionsprotein

Krankheitserreger und die von ihnen befallenen Organismen stehen im permanenten evolutionären Wettstreit. Während die Bedrohten zelluläre und molekulare Verteidigungslinien aufbauen, verfeinern die Angreifer ihre Methoden der Invasion. Häufig tragen Pathogene an ihrer Oberfläche Module zum passgenauen Andocken an komplementäre Strukturen ihrer Wirtszellen.

Veränderungen im Andockmodul eröffnen ihnen den Zugang zu neuen Wirtsspezies. Springen tierpathogene Erreger auf den Menschen über, hat das oft verheerende Folgen: Pest, Spanische Grippe und AIDS sind auf diese Weise entstanden. Inzwischen verfolgt man in aller Welt angespannt, wie die Würfel der Veränderung bei neu auf den Plan tretenden Erregern fallen. Strukturbiologen um Prof. Dr. Dirk Heinz am Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung in Braunschweig erforschen die molekulare Wechselwirkung zwischen Andockproteinen von Pathogen und Wirt. Es ist ihnen gelungen, den in der Natur spontan ablaufenden Prozess der Veränderung eines Erregers zum ersten Mal im Labor nachzuvollziehen und sein Wirtsspektrum gezielt zu verändern.

„Wir wollten erreichen, dass Labormäuse, die normalerweise nicht von Listeriose betroffen sind, mit Listeria monocytogenes infizierbar werden“, erklärt Dr. Wolf-Dieter Schubert, Leiter der Arbeitsgruppe Molekulare Wirt-Pathogen-Interaktionen. „Das ist notwendig, um neue Medikamente gegen die Listeriose zu entwickeln und zu erproben.“ Der Listeriose-Erreger wird über die Nahrung aufgenommen und führt bei Menschen mit geschwächtem Immunsystem zu schweren Erkrankungen, häufig mit tödlichem Ausgang. Mit Hilfe des Invasionsproteins Internalin A dockt der Erreger am E-Cadherin der Darmschleimhaut des Menschen an und veranlasst die Zellen, das Bakterium aufzunehmen. Bei Mäusen funktioniert das nicht, weil Internalin A an ihrem E-Cadherin nicht bindet. Hier setzten die Braunschweiger Strukturbiologen an. Sie wollten die Bindungsregion des Internalin A so optimieren, dass es auch bei der Maus andockt.

Ihre Forschungen führen in den Mikrokosmos der Moleküle und Atome, in dem in Ångström, dem zehnmillionsten Teil eines Millimeters, gemessen wird. Die hohe Auflösung ist notwendig, um die räumliche Anordnung der Aminosäuren zu bestimmen, also jener Bauelemente, die einem Protein Struktur und Funktion verleihen. Die Frage war, welche Aminosäuren an der Bindung zwischen den Andockmodulen beteiligt sind und welche ihr im Wege stehen. Aufschluss darüber kann eine besonders leistungsfähige Röntgenstrukturanalyse geben, die in hochmodernen Teilchenbeschleunigeranlagen möglich ist, in der Helmholtz-Gemeinschaft am DESY oder BESSY.

Zunächst analysierten Heinz und seine Kollegen die Kristallstrukturen des freien Internalins und des Komplexes, den es mit dem humanen E-Cadherin eingeht. Die Analysen ergaben ein klares Bild von der Struktur der Bindungsmodule. „Daraus konnten wir Veränderungen zur Optimierung der Bindung ableiten, ohne auf Computersimulation oder zufallsgenerierte Mutanten zurückgreifen zu müssen“, berichtet Schubert. Ein Austausch von nur zwei der mehr als 500 Aminosäuren im Andockmodul des Internalins sollte genügen.

Im nächsten Schritt erzeugten die Forscher ein Internalin A, bei dem die beiden Aminosäuren entsprechend ersetzt wurden. Das modifizierte Protein bindet an das E-Cadherin der Maus etwa so gut wie das ursprüngliche an das humane E-Cadherin.

Im entscheidenden biologischen Experiment setzten die Forscher genetisch veränderte Listeria-Bakterien ein, die das modifizierte Internalin A auf ihrer Oberfläche tragen. Die Erreger waren in der Lage, Mäuse über die Epithelzellen des Dünndarms zu infizieren. Es wird angenommen, dass sie sich von dort in ähnlicher Weise ausbreiteten wie beim Menschen. Listerien mit verändertem Invasionsprotein werden inzwischen für die Entwicklung neuer Therapien gegen die Listeriose eingesetzt. Gemeinsam mit Kooperationspartnern verfolgen die Braunschweiger Strukturbiologen neue Ansätze, die sich aus ihren Arbeiten über Listeria ergeben haben.

So werden ihre Erkenntnisse unter anderem zur Entwicklung bakterieller Fähren genutzt. Sie sollen Antigene zur gezielten Stimulierung des Immunsystems in den Organismus einschleusen – quasi als Impfung per Pille. „Bei Listerien haben kleine Veränderungen im Invasionsprotein ausgereicht, um eine Erweiterung der Wirtsspezifität zu bewirken“, erklärt Heinz. „Diese von uns im Labor vollzogenen Veränderungen finden auch in der Natur statt und können dann zu gefährlichen Zoonosen wie SARS und Schweinegrippe führen.“

Helmuth Prokoph