Biogene Insektizide entschlüsselt

Wirkung von Tc-Proteinen entschlüsselt

Nematoden, winzige Würmer, dienen dem Keim Photorhabdus luminescens als Transportmittel, um in Insektenlarven zu gelangen. Da er die Larven tötet, werden die Würmer mit den Bakterien als Insektizid eingesetzt. Der genaue Wirkmechanismus von Photorhabdus luminescens war bis her ungeklärt. Gemeinsam mit Kollegen aus Freiburg konnte Prof. em. Dr. Hans Georg Mannherz von der Medizinische Fakultät der RUB und Max-Planck-Institut für Molekulare Physiologie, Dortmund ihn jetzt entschlüsseln: Maßgeblich beteiligt sind bestimmte Untereinheiten des Toxinkomplexes, die essentielle Abwehrreaktionen von Immunzellen hemmen.

Würmer bringen Bakterien ans Ziel
Photorhabdus luminescens lebt symbiotisch mit Nematoden. Die winzigen Würmer dringen durch natürliche Öffnungen in Insektenlarven ein, wo sie die Bakterien gewissermaßen wieder "herauswürgen". Bakterielle Toxine, die von dem Licht-emittierenden Keim produziert werden, töten die Insektenlarven und schaffen dadurch ein großes Nahrungsreservoir für die Vermehrung von Nematoden und Bakterien.
Zwei Untereinheiten des Toxinkomplexes sind biologisch aktiv
Photorhabdus luminescens produziert verschiedene Toxine, die große Toxin-Komplexe (Tc-Proteine) bilden. Der biologisch aktive Komplex besteht dabei aus den drei Komponenten TcA, TcB und TcC. Bis heute ist weder eine enzymatische Aktivität noch ein Wirkungsmechanismus für diese Toxine beschrieben worden. Die Freiburger Forscher um Prof. Dr. Dr. Klaus Aktories und Prof. Dr. Gudula Schmidt untersuchten zusammen mit Forschern der Firma Dow AgroSciences (USA) und Prof. em. Dr. Mannherz die Wirkungen der Toxine auf Insekten- und Säugetierzellen. Dabei konnten sie zeigen, dass die biologische Aktivität in den TcC- Komponenten TccC3 und TccC5 lokalisiert ist. Die beiden Toxinkomponenten sind Enzyme, die essentielle Abwehrfunktionen von Immunzellen hemmen, zum Beispiel die Phagozytose von Bakterien.

Galleria mellonella (Große Wachsmotte) infiziert mit Photorhabdus luminescens. (A) Larven der Großen Wachsmotte nach Infektion mit P. luminescens, Links, nicht-infiziert; Mitte, nach 24 Stunden; rechts, nach 48 Stunden. (B) Biolumineszens von P. luminescens. Nach der Infektion der Insektenlarven beginnt P. luminescens zu leuchten. (C-F) Wirkung der P. luminescens Toxine auf isolierte primäre Blutzellen (Hämozyten) von Galleria mellonella. Kontrollzellen (C), mit TccC3 (D), TccC5 (E) und TccC3 + TccC5 (F) behandelt. Die beiden Toxine zerstören das Zytoskelett von Zielzellen. Foto: Alexander E. Lang

Toxine wirken auf zwei Wegen
Die Toxine wirken dabei auf zwei unterschiedlichen Wegen auf die Zielzellen der Insektenlarven. TccC3 modifiziert das Zytoskelettprotein Aktin (ADP-ribosylierung) derart, dass es sich der Kontrolle des Regulatorproteins Thymosin ß4 entzieht. Dies führt zu einer starken Verkettung (Polymerisation) des Aktins. Das zweite Toxin, TccC5, verändert sog. Rho-Proteine, die Schalterproteine für die Regulation des Aktinzytoskeletts sind. Normalerweise werden diese Regulatoren in der Zelle an- und wieder ausgeschaltet. TccC5 modifiziert den Schalter, wodurch das Ausschalten blockiert wird. Das permanent aktive Rho-Protein fördert wiederum die Polymerisation von Aktin. Beide Toxine zusammen führen zu einer starken Aggregation bis Verklumpung des Aktinzytoskeletts, die mit der normalen zellulären Funktion oder Immunabwehr unvereinbar ist. Damit die Toxine TccC3 und TccC5 in die Insektenzellen gelangen können, wird TcA gebraucht, das Poren in Wirtszellen bildet, durch die wahrscheinlich die Toxine ins Zellinnere geschleust werden.

Entscheidende Erkenntnisse für das Verständnis von Tc-Proteinen
Tc-Proteine wurden auch in humanpathogenen Bakterien wie z.B. Yersinia pseudotuberculosis und Yersinia pestis identifiziert. „Daher ist die Aufklärung des molekularen Mechanismus der prototypischen Tc-Proteine von entscheidender Bedeutung für das Verständnis anderer Tc-Proteine aus insektiziden und humanpathogenen Bakterien“, erklärt Prof. Mannherz.

Lesestoff:
Alexander E. Lang, Gudula Schmidt, Andreas Schlosser, Timothy D. Hey, Ignacio M. Larrinua, Joel J. Sheets, Hans G. Mannherz und Klaus Aktories: "Photorhabdus luminescens Toxins ADP-Ribosylate Actin and RhoA to Force Actin Clustering". In: Science 26 February 2010 327:1139-1142 [DOI: 10.1126/science.1184557]

Meike Drießen (RUB); Foto: Alexander E. Lang