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“