Das Doppelleben der Pilze

Aspergillus nidulans dient der Wissenschaft als Modellsystem
Aspergillus nidulans dient der Wissenschaft als Modellsystem
© Satur Herrero de Vega, KIT

Nachhaltigkeit in der internationalen Zusammenarbeit spiegeln auch zwei 2017 bewilligte und 2018 gestartete DFG-Projekte. Sie resultieren aus der ersten deutsch-mexikanischen DFG-Forschergruppe „Determinants of Polarized Growth and Development in Filamentous Fungi“, deren Förderung 2017 endete. Im Mittelpunkt standen hier filamentöse, also fadenförmige Pilze wie der Schimmelpilz Aspergillus nidulans oder der Brandpilz Ustilago maydis. Letzterer führt eine Art Doppelleben: Als Pflanzenpathogen löst er Tumore in Mais aus, die in Mexiko allerdings als Delikatesse gelten. Filamentöse Pilze sind in der Natur weitverbreitet und maßgeblich am Stoffumsatz im Boden beteiligt. Der Mensch nutzt ihre Vielseitigkeit bereits seit Jahrtausenden für die Lebensmittelherstellung. Daneben haben filamentöse Pilze einen ausgeprägten Sekundärstoffwechsel und bilden Antibiotika ebenso wie krebserregende oder giftige Substanzen.

Allen filamentösen Pilzen gemeinsam sind die unendlich wachsenden Pilzfäden, die Hyphen. Während sich die Bäckerhefe – ein gut untersuchtes Pilzmodellsystem – in alle Richtungen sprossend vermehrt, wachsen filamentöse Pilze nur durch Verlängerung ihrer Hyphenspitze. Experten sprechen von polarem Wachstum. Die DFG-Forschergruppe hat mithilfe dieser filamentösen Modellorganismen die molekularen Grundlagen der Zellpolarität untersucht und grundlegende Wachstumsmechanismen identifiziert. An die vielversprechenden Ergebnisse knüpfen nun Reinhard Fischer vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) sowie Michael Feldbrügge vom Institut für Mikrobiologie der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf und Michael Bölker von der Philipps-Universität Marburg in zwei einzelnen Projekten mit Forschern in Ensenada und Mexiko City an. „Wir stehen aber weiterhin im engen Austausch mit allen Mitgliedern der ehemaligen Forschergruppe“, sagt deren ehemaliger Sprecher Fischer.

„Es gibt im Wesentlichen zwei Gründe, warum Pilze erforscht werden“, sagt Fischer. Zum einen haben Biotechnologie und Lebensmittelindustrie ein großes Interesse daran, zu verstehen, wie Pilze funktionieren. Die Biotechnologie wolle wissen, wie sich Pilze besser einsetzen ließen, um Lebensmittel, Chemikalien und Enzyme zu produzieren, die Lebensmittelindustrie wolle meistens das Pilzwachstum hemmen. „Zum anderen sind Pilze einfache Modellsysteme, um etwas über andere Systeme zu lernen, beispielsweise über den Menschen“, so der Mikrobiologe. „Da setzen unsere Projekte an.“ Im neuen DFG-Projekt untersucht Fischer mit einer mexikanischen Kollegin Mikrotubuli-organisierende Zentren (MTOCs) in den Schimmelpilzen Aspergillus nidulans und Neurospora crassa. MTOCs sind große Proteinkomplexe, die in allen eukaryontischen Zellen Mikrotubuli polymerisieren: jene röhrenförmige Proteinfilamente, die bei intrazellulären Transportvorgängen als Schienen dienen. „Wir wollen die Zusammensetzung dieser Komplexe besser verstehen, wie sie Mikrotubuli bilden, und Proteine, von denen wir lange nicht wussten, dass sie in Pilzen vorkommen, erstmals charakterisieren“, so Fischer.

Es gibt aber noch einen weiteren Aspekt, der den Forscher interessiert: „Man hat viele Jahre gedacht, dass in Pilzen ausschließlich die Spindelpolkörper als MTOCs fungieren. Wir haben nun entdeckt, dass es noch weitere Zonen im Pilz gibt, an denen diese Proteinkomplexe zu finden sind, beispielsweise in den Scheidewänden oder im Spitzenkörper.“ Und da existiert eine Parallele zum Menschen: Auch dort findet man mehrere Orte, an denen Mikrotubuli polymerisiert werden. Wie aber entstehen dort überhaupt MTOCs? Wie sind sie dort verankert? Und wie unterscheiden sie sich von den „klassischen“ Spindelpolkörpern? Fragen, die Fischer und seine mexikanische Kollegin beantworten wollen.

Die intrazelluläre Autobahn

Mikrotubuli erstrecken sich in der Regel vom Zellzentrum in Richtung Peripherie: eine Art Autobahn für den intrazellulären Langstreckentransport von Stoffen und Organellen. Hier setzt das zweite binationale DFG-Projekt an: „Das Zusammenspiel von Peroxisomen, Endoplasmatischem Reticulum und Endosomen während des polaren Wachstums und der Entwicklung in Pilzen“, an dem die Mikrobiologen Michael Feldbrügge, Michael Bölker und drei mexikanische Forscher beteiligt sind. Auch sie profitieren von ihren eigenen Ergebnissen aus der Forschergruppe. „Wir haben in unseren Arbeitsgruppen erstaunliche Erkenntnisse gewonnen“, so Feldbrügge, „beispielsweise, dass der RNA-Transport mithilfe von Endosomen stattfindet, die entlang der Mikrotubuli transportiert werden.“

Die Arbeitsgruppe um Bölker wiederum fand heraus, dass es einen bisher unbekannten Mechanismus gibt, der reguliert, dass Proteine gezielt in Peroxisomen eingeschleust werden. Interessanterweise werden auch diese „Entgiftungsorganellen“ auf den Endosomen entlang der Mikrotubuli transportiert. „An dieser Stelle schließt sich der Kreis: Wir haben gesehen, dass es Zusammenhänge und Abhängigkeiten gibt, dass auf den Endosomen sowohl RNA und Peroxisomen als auch Teile des Endoplasmatischen Reticulums transportiert werden – das ist völlig neu“, so Feldbrügge. Genauso überrascht waren sie, als sie feststellten, dass sogenannte „frühe Endosomen“ den Transport übernehmen. Laut Lehrbuch sind sie sonst nur zuständig für das Recyceln von Proteinen. „Dass sie nun auch neu synthetisierte Proteine und RNA transportieren, ist ein völlig neues Prinzip in der Zellbiologie, das bisher weder in Tieren noch Pflanzen gefunden worden ist, darüber wollen wir mehr erfahren“, erklärt Feldbrügge.

2016 wurde ihr „endosomales Transportsystem“ in der renommierten Fachzeitschrift „Cell“ erstmals mit denen in der Hefe und in Drosophila verglichen – „eine Anerkennung unserer Arbeit“, freut sich der Forscher. Langfristig will das Team seine neuen Erkenntnisse laut Feldbrügge auf andere Systeme übertragen: „Zum Beispiel auf Nervenzellen, die ein ähnliches Problem haben wie die Pilze. Sie besitzen einen Zellkern, von dem weit entfernt wichtige Prozesse stattfinden. Da ist der Langstreckentransport entlang der Tubuli sehr wichtig.“

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