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Ein Bakterium als Modell für die Zellteilung

Die Teilung einer Zelle setzt eine Teilung des Erbguts voraus

Um zu wachsen und sich zu vermehren, sind alle Organismen darauf angewiesen, ihre Zellen zu teilen. Dabei ist es unabdingbar, dass beide Tochterzellen je einen vollen Satz des Erbguts erhalten. Läuft dieser Vorgang, der in Zellen mit Zellkern Mitose und bei Bakterien Chromosomensegregation genannt wird, ungenau ab, sind eine oder gar beide Tochterzellen nicht lebensfähig. Obwohl der Ablauf der Mitose durch lichtmikroskopische Untersuchungen detailliert beschrieben worden ist, ist über die Faktoren und molekularen Mechanismen, die an den Prozessen beteiligten sind, nur sehr wenig bekannt. Dies trifft besonders auf Bakterien zu.

Im Rahmen des Emmy-Noether-Programms der Deutschen Forschungsgemeinschaft zur Förderung des wissenschaftlichen Nachwuchs baue ich zur Zeit am Fachbereich Chemie, Abteilung Biochemie, eine Arbeitsgruppe auf. Wir beschäftigen uns mit der Segregation von Chromosomen in dem Bodenbakterium Bacillus subtilis. Dieser Organismus ist ein hervorragendes System zur Untersuchung des Segregationsmechanismus: Zum einen besitzt das Bakterium nur ein Chromosom – das Erbgut besteht aus einem oder mehreren langen DNA-Molekülen, die Chromosomen genannt werden – im Gegensatz zu zweimal 20 bei der Maus oder 16 in Hefezellen. Zum anderen ist das Bakterium genetisch leicht manipulierbar, ohne ein gesundheitliches Risiko darzustellen. Weiterhin ist das gesamte Erbgut von B. subtilis entschlüsselt worden, was genetisches Arbeiten enorm erleichtert und beschleunigt. Die grundlegenden molekularen Vorgänge der Chromosomenverteilung in Bakterien und höheren Zellen sind recht ähnlich, weshalb die Untersuchung in Bakterien von genereller Bedeutung ist, nicht zuletzt auch zur Entwicklung neuer Mittel zur Bekämpfung von Krankheitserregern.

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Ein Bakterium besitzt keinen getrennten Zellkern, in dem das Erbgut, die DNA, verpackt ist. Eine Meisterleistung von Bakterien ist es, das riesige Chromosom, welches meist als Ring vorliegt und im auseinandergezogenen Zustand ein bis zwei Millimeter lang ist, in eine 1 000 bis 2 000fach kleinere Zelle zu verpacken. Dabei darf kein DNA-Wirrwarr entstehen. Im Gegenteil, nach der Verdopplung des Chromosoms müssen sich die beiden Kopien komplett voneinander trennen lassen.

Bakterium1
Fotos: Graumann
Fluoreszenzmikroskopische Aufnahmen des Bakteriums Bacillus subtilis. Obere Reihe: Das Z-Protein findet die Mitte der Zelle und leitet dort die Zellteilung ein. Mittlere Reihe: Die Chromosomen in den Zellen sind komplett voneinander getrennt und befinden sich in jeweils einer Hälfte der Zelle. Die untere Reihe zeigt die Umrisse der Zellen, die wie Stäbchen aussehen.

Das Z-Protein leitet die Zellteilung ein, indem es in der Mitte der Zelle einen Ring ausbildet (in der oberen Reihe der Abbildung als Balken zu sehen, da quer auf die Zelle geschaut wird), der sich dann zusammenzieht, und die Zelle zweiteilt. So entstehen dann zwei neue Tochterzellen. Sichtbar ist die DNA in Bakterien als eine unregelmäßige Struktur in der Mitte der Zelle, die diese nicht komplett ausfüllt (Abbildung, mittlere Reihe). Die Zellteilung erfolgt, nachdem die beiden Chromosomen komplett voneinander getrennt worden sind.

Wie kann das Bakterium ein Chromosom in die eine Hälfte der Zelle und das andere Chromosom in die andere Hälfte bugsieren? Ein wichtiger Faktor in diesem Prozess ist das SMC-Eiweißmolekül, das wie ein Motor funktionieren könnte. Ohne SMC liegt das Erbgut in der gesamten Zelle unorganisiert vor, und bei der Zellteilung entstehen viele Zellen, die kein Chromosom enthalten. In meiner Gruppe untersuchen wir genetisch und biochemisch die Funktion von SMC und versuchen, noch unbekannte Faktoren zu finden, die an dem Segregationsprozess beteiligt sind. Ein weiteres Ziel ist es, den genauen Ablauf der Segregation und der Zellteilung in lebenden Bakterien sichtbar zu machen. Dabei werden Eiweißmoleküle und kleine Bereiche auf dem Chromosom so behandelt, dass sie unter dem Mikroskop leuchten. Durch diese als Fluoreszenzmikroskopie bezeichnete Methode kann man beobachten, wo sich ein Protein innerhalb einer Zelle vornehmlich befindet, und wie Teile des Chromosoms sich relativ schnell und dynamisch voneinander während des Wachstums der Zelle trennen. Eine solche Sequenz ist in der Abbildung unten zu sehen. Wie der Motor, der diesen Prozess treibt, genau funktioniert, ist noch völlig ungeklärt.

Bakterium2Fluoreszenzmikroskopische Aufnahmen eines wachsenden Bakteriums, in dem ein bestimmter Abschnitt auf dem Chromosom sichtbar ist. Links die Position des Erbguts, rechts der Umriss der Zelle. Nach der Verdopplung des Erbguts werden diese Abschnitte innerhalb weniger Minuten in die beiden Hälften der Zelle verteilt, der Rest des Chromosoms folgt darauf, bis das Erbgut komplett getrennt ist.

Die richtige Adresse

Da Bakterien in ihrem Innern kein faserartiges Gerüst besitzen – wie kernhaltige Zellen, die dadurch Eiweißmoleküle an bestimmten Plätzen anlagern und verankern – befinden sich die meisten Eiweiße über die ganze Bakterienzelle verteilt. Das Z-Protein hingegen lagert sich, wie in der Abbildung oben gezeigt, nur in der Mitte der Zellen an und bildet dort einen Ring unter der Hülle der Zelle. Welche anderen Proteine haben einen speziellen Aufenthaltsort in Bakterienzellen, wie finden sie ihre spezielle Adresse, und was hält sie dort fest? Diese generellen Fragen möchten wir durch eine Kombination von Zellbiologie und Genetik untersuchen. Wir sind schon auf weitere Überraschungen in den winzigen Lebewesen gespannt.

Peter Graumann


Dr. Peter Graumann
Fachbereich Chemie
Abteilung Biochemie
Hans-Meerwein-Straße
35032 Marburg
Telefon: 06421 / 28-25795
Fax: 06421 / 28-22191
E-Mail: graumann@chemie.uni-marburg.de


Zuletzt aktualisiert: 17.12.2007 · trautmas

 
 
 
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