Genetik des zellulären Magnesiumtransportes

Divalente Metallionen wie Mg 2+, Mn 2+, Ni2+, Zn2+ Co2+, Cu2+, Ca2+, Fe2+ sind für viele Funktionen der Zelle wesentlich. Ihre Aufnahme in die Zellen und in deren Organellen wird durch eine Vielzahl spezifischer Transportproteine in den Membranen vermittelt. Störungen in deren Funktion führen zu unphysiologischen Ionen- Konzentrationen in den Zellen, und diese sind ursächlich an vielen ererbten oder erworbenen Erkrankungen des Menschen beteiligt. In den vergangenen Jahren sind einige Gene identifiziert und charakterisiert worden, die Transporter für divalente Metallionen, insbesondere Eisen, Kupfer und Calcium kodieren. Die Mehrzahl solcher Transporter bleibt noch zu entdecken. Insbesondere gilt Magnesium als ein "vergessenes Ion", weil weder die Transporter noch die Faktoren für die Konzentrationskontrolle dieses in unseren Zellen besonders häufige und wichtige Ion bekannt sind. Dieses Projekt widmet sich der Isolierung und Charakterisierung von Genen, die für Faktoren des Transportes und der Konzentrationskontrolle von Magnesium und anderen Metall-Ionen kodieren. Einige Kandidatengene haben dieses und ein anderes Labor kürzlich bei der Bäckerhefe isoliert. Dieser Organismus wird wegen seiner exzellenten Genetik für die erste Identifizierung solcher Gene und die Charakterisierung von deren Produkten genutzt. Nachfolgend sollen dann diese Kenntnisse für die Isolierung der homologen Gene komplexerer Organismen (Tiere/Mensch, Pflanzen) genutzt werden. Ein besonderes Interesse besteht darin, Grundlagen der Genetik und Zellbiologie zur Homeostasis von Metall-Ionen zu gewinnen, die längerfristig für das Verständnis von Erbdefekten und von toxischen Prozessen wichtig sein werden.

Transport und physiologischer Wirkung von zweiwertigen Metallionen sind mit Ausnahme von Calcium kaum molekularbiologisch untersucht worden. Wir haben erstmals bei Eukaryonten ein Genprodukt, Alr1p, charakterisiert, das Magnesium über die Plasmamembran transportiert. Weiterhin haben wir erstmals die Profilierung der Genexpression zum molekularen Nachweis der zellulären Wirkung toxischer Metallionen, insbesondere von Cobalt benutzt. Magnesium ist nach Kalium das zweit-häufigste Metallion in Zellen. Seine hohe Konzentration (0.4-0.8 mM freies Mg2+) ist essentiell für die Funktion vieler zellulärer Komponenten. Erstmals konnten wir am Beispiel des ALR1 Genes der Hefe und dessen Genprodukt (Alr1p) zeigen, dass diese Zellen nur einen majoren Mg2+ Transporter in der Plasmamembran haben (nämlich Alr1p), dass dieser für die Funktion der Zelle lebenswichtig ist und dass dessen Synthese und Abbau einer engen Kontrolle durch Mg2+ unterliegt. Während die Synthesekontrolle auf der Ebene der Genexpression relativ langsam erfolgt, hat die Zugabe von Mg2+ zu Hefekulturen eine sehr rasche Entfernung des Alr1 Proteins (mittels Endocytose) und nachfolgenden Abbau zur Folge. Dies illustriert in überraschender Weise wie eine Zelle rasch auf sich ändernde Umweltbedingungen reagiert. Cobalt und viele andere Metallionen sind toxisch für Zellen und Organismen. Nur in extrem geringen Konzentrationen werden manche (z.B. Cobalt für Vitamin B12) für zelluläre Synthesen gebraucht. Ihre toxische Wirkung liegt wahrscheinlich in einer Kompetition mit essentiellen Metallionen wie Eisen oder Kupfer um deren Bindungsstellen, aber sie ist weitesgehend unverstanden. Wir haben erstmals die Genom-weite Analyse der Genexpression mittels Biochips eingesetzt, um am Beispiel des Cobalt (und einiger anderer Metallionen) zu untersuchen, welche molekularen Antworten die Hefezelle auf erhöhte Konzentrationen von Cobalt im Medium gibt. Die Ergebnisse sind sensationell einfach und eindeutig: Schon bei der Gabe sub-toxischer Cobaltkonzentrationen schalten die Hefen alle Gene an, die mit der Eisenaufnahme zu tun haben (Eisen-Regulon unter der Kontrolle des Eisen-bindenden Transkriptionsfaktors Aft1) und erhöhen damit die intrazelluläre Eisenkonzentration. Es ist anzunehmen, dass mehr Eisen die physiologisch wichtigen Bindungsstellen in den Zellen effizient besetzt und damit das toxische Cobalt verdrängen kann. Damit übereinstimmend sind unsere Befunde, dass Mutanten, die diese Erhöhung der Eisenkonzentration nicht vollziehen können (z.B. aft1), hoch-sensibel gegenüber Cobalt sind. Wir erachten die Steuerung des Eisenregulons als die sensibelste Antwort der Hefezellen auf Cobalt und als ein evolutionär entwickeltes genetisches Programm zur Minimierung der toxischen Wirkung von Cobalt. Erste Hinweise deuten auf ähnliche Effekte in Säugerzellen hin. Diese Studie dokumentiert in besonderer Weise welch ausserordentlich grosses Potential genomweiter Expressionsanalysen an Biochips für die bisher völlig vernachlässigte Untersuchung der toxischen Wirkung von Metallionen hat.