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Erstaunliche Analogie zwischen dem Pflanzenstoffwechsel und einer tödlichen Epilepsie

pressemitteilung vom 24. April 2006

Wissenschaftler des Nationalen Forschungsschwerpunkts (NFS) «Überlebenserfolg von Pflanzen» waren an der Entdeckung einer unerwarteten genetischen Ähnlichkeit zwischen dem Stärkestoffwechsel von Pflanzen und einer tödlichen Form von Epilepsie, der Lafora-Krankheit, beteiligt. Das Resultat dieser internationalen Zusammenarbeit wurde im Journal of Biological Chemistry veröffentlicht.

Samuel C. Zeeman, Assistenzprofessor an der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich (ETHZ) und seine Kollegen erforschen die am Stärkestoffwechsel von Pflanzen beteiligten Gene. Dank der internationalen Zusammenarbeit mit dem John Innes Center in Norwich (UK), der Academia Sinica in Taiwan sowie den Universitäten von Bern (CH), Durham (UK), Edinburg (UK) und Westaustralien gelang es ihnen, eine genetische Mutation in  Arabidopsis thaliana zu identifizieren, die zu einer abnormen Stärkeanreicherung führt.

Stärke ist bei Pflanzen die wichtigste Speicherform von Kohlenhydraten. Sie wird tagsüber während der Photosynthese gebildet und in den Blättern gespeichert. In der Nacht wird die eingelagerte Stärke in Saccharose umgewandelt, eine von Pflanzen direkt zu verwertende Zuckerart. Die Mitarbeiter des NFS «Überlebenserfolg von Pflanzen» und ihre Kollegen haben nun entdeckt, dass Mutationen in einem neuartigen Gen, die die Synthese des SEX4 (Englisch für «starch-excess 4») Proteins unterbinden, für eine abnormale Stärkeanreicherung verantwortlich sind. Die Wissenschaftler vermuten, dass SEX4 für die Kontrolle der Umwandlung von Stärke in Saccharose essentiell ist.

Zudem haben die Forscher festgestellt, dass die Struktur des SEX4-Proteins derjenigen des Laforins sehr ähnlich ist. Laforin ist ein tierisches Protein, das den Glykogenstoffwechsel reguliert. Wird die Funktiosfähigkeit dieses Proteins durch eine Genmutation gestört, so bewirkt dies bei Menschen und einigen Tierarten, z. B. bei Mäusen, ein vorzeitiges Neuronensterben. Dies führt in der Folge zu heftigen und unkontrollierbaren Muskelkrämpfen, typischen Merkmalen der Epilepsie.

Die Lafora-Krankheit ist eine seltene Erbkrankheit und gehört zur Gruppe der progressiven Myoklonus-Epilepsien. Sie beginnt bei Menschen in der späten Kindheit. Typisch sind die langsame Degeneration des Nervensystems und die Abnahme der Hirnfunktionen. Die Krankheit führt zu geistigem Verfall, wodurch die Betroffenen vollständig pflegebedürftig werden. Rund zwanzig Jahre nach Auftreten der ersten Symptome führt die Krankheit zum Tod.

Der unerwartete Zusammenhang mit der Pflanzenbiologie beruht auf den Mechanismus der Lafora-Krankheit: eine unnatürliche Anreicherung von Glykogen im Nervengewebe führt zum Absterben der Neuronen. Normalerweise dient Glykogen bei Mensch und Tier als Speicher von Glukose (Blutzucker). Spezifische Proteine wie Laforin kontrollieren den Aufbau und den anschliessenden Abbau von Glykogen. Genetische Schäden, die die korrekte Synthese dieser Proteine beeinträchtigen, sind die Ursache für die Lafora-Krankheit.

«Die Ähnlichkeit zwischen der Kontrolle des Stärke- und des Glycogenstoffwechsels ist verblüffend», bemerkt Samuel C. Zeeman. «Besonders wenn man bedenkt, dass die Glykogensynthese bei Tieren und die Stärkesynthese bei Pflanzen bedeutende Unterschiede aufweisen.»  Auch wenn es kaum wahrscheinlich ist, dass sich aus den Pflanzensstudien direkte Behandlungsmethoden für die Lafora-Krankheit ableiten lassen, so kann das Vorkommen verwandter Gene bei Pflanzen und Tieren doch dazu beitragen, den Mechanismus dieser unheilbaren Epilepsie besser zu verstehen.

Originalartikel:

Similar protein phosphatases control starch metabolism in plants and glycogen metabolism in mammals.

Niittylä T, Comparot-Moss S, Lue WL, Messerli G, Trevisan M, Seymour MD, Gatehouse JA, Villadsen D, Smith SM, Chen J, Zeeman SC, Smith AM. J Biol Chem. 2006 Mar 2

Ungekürzter Text unter: http://www.jbc.org/cgi/reprint/M600519200v1

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Prof. Samuel C. Zeeman
E-mail: szeeman(at)ethz.ch
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Gaëlle Messerli
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