Philipp sagt:

Leider ist mein Rohrreiniger NaOH und nicht HCL

Philipp sagt:
Nach Bastis exzellenten Artikeln über Open Access bring ich wieder was über ein Paper.
Veröffentlicht diese Woche in PLoS Biology geht es in „How to Make Evolution-Proof Insecticides for Malaria Control“ eigentlich um viel mehr als den Kampf gegen Malaria; der gleiche Vorschlag gilt für alle Krankheiten, die sich erst im höheren Alter ihres Überträgers übertragen lassen.

Kleine Vorgeschichte: Malaria ist ein Krankheitsbild, das durch den einzelligen Erreger Plasmodium ausgelöst wird. Übertragen wird dieser Erreger durch die Weibchen des Moskitos (Anopheles).

Die meisten Insektenpestizide töten ihre Ziele auf der Stelle. Dies hat auf den ersten Blick natürlich Vorteile für den Menschen, sind doch fast keine Krankmacher mehr zur Stelle. Auf den zweiten Blick offenbart sich jedoch das grundlegende Dilemma solcher Haudraufmethoden: Nur ein überlebender Moskito muss zufällig ein bisschen resistent sein, damit sich eine grundlegende Resistenz in der Population ausbreiten kann. Mit ein wenig Glück bekommt auch er nicht die volle Dosis ab.
Unser Moskito mit ein bisschen Resistenz findet nach dem Pestizideinsatz logischerweise schön viel Platz zum Ausbreiten vor, und hat er ein Weibchen, so haben deren Nachkommen eine überproportional hohe Wahrscheinlichkeit zu überleben, da ihnen kein Artgenosse so schnell das Essen streitig macht.
So haben wir also eine erste Generation (in Fachsprache F1-Generation) mit dem bisschen Resistenz unseres ersten Moskitos. Wird jetzt wieder gesprüht, könnten schon mehr überleben, und das Spielchen geht von vorne los. So werden die Moskitos langsam, aber sicher resistenter gegen das eingesetzte Gift.
Gleiches gilt natürlich überall dort, wo solche Methoden eingesetzt werden, also auch bei der Erregererkämpfung in der Medizin. Man sollte sich also nicht bei jedem Nasenjucken mit Antibiotika zubomben, sonst haben wir bald noch mehr multiresistente Keime.

Die Forscher stellen in ihrem Artikel eine elegante Methode vor, um der Malaria vielleicht Herr zu werden; da sich die Krankheit erst im späteren Leben der Moskitos auf den Menschen übertragen lässt, schlagen sie vor, nur noch Pestizide zu verwenden, die Moskitos im höheren Alter töten. Bis die Malaria-Erreger nach einer Infektion des Moskitos am Stechapparat ankommen, wo sie auf den Menschen übertragen werden, kann der weibliche Moskito ungefähr 2-6 Runden Eier legen, das sind so 10-14 Tage.
So sollte weniger Selektionsdruck auf die Moskitos ausgeübt werden; sie haben ja genug Zeit, sich fortzupflanzen. Gleichzeitig bleiben die Menschen von der Malaria verschont. (So lautet jedenfalls der Plan)

Ich glaube aber nicht das sich Plasmodium solche Methoden auf Dauer „gefallen lässt“; logischerweise hätten Plasmodium-Parasiten einen gewissen Selektionsdruck, schneller beim Stechapparat anzukommen. Die Forscher argumentieren dagegen, dass Plasmodium eine schnellere Generationszeit aber mit einer niedrigeren Infektionsrate bezahlen müsste – was dann wiederum zum Vorteil für den Menschen wäre. Ich bin da allerdings skeptischer.
Die Wege der Evolution sind verschlungen und oftmals schlecht vorhersagbar. Vielleicht muss Plasmodium sich gar nicht schneller beeilen, sondern nur andere Wege beschreiten – wie auch immer diese aussehen mögen. Wie das wiederum Auswirkungen auf den Menschen hat, kann man nicht sagen.

Besser als alles mit dem Holzhammer vollzugasen ist die Methode allerdings auf jeden Fall!

Read, A., Lynch, P., & Thomas, M. (2009). How to Make Evolution-Proof Insecticides for Malaria Control PLoS Biology, 7 (4) DOI: 10.1371/journal.pbio.1000058

Philipp sagt:

Wie letztens schon in den Kommentaren gewünscht gehts heute um Alternative Splicing (AS), insbesondere bei Pflanzen.

AS ist mit eine Erklärung für die Proteinvielfalt in allen „höheren“ Organismen. Momentan wird geschätzt das der Mensch über ca. 30.000 Gene, aber 90.000 Proteine verfügt – wie kann das sein?

Die Antwort ist natürlich (wer hätte es bei dem Einstieg auch anders erwartet) Alternative Splicing (Kleine Anmerkung: Trotz Bemühens, für die meisten Fachwörter zwecks Verständnis das deutsche Pendant zu finden – „Alternatives Spleißen“ hört sich einfach zu doof an).
Was passiert also bei AS?

Normalerweise sind Gene bei Eukaryoten so organisiert: Kodierende Regionen werden von unkodierenden flankiert.
In den unkodierenden Regionen verstecken sich u.a. Bindungsstellen für diverse regulierende Genelemente, aber darauf soll hier heute nicht eingegangen werden. Für uns viel wichtiger ist der Aufbau der kodierenden Region; diese unterteilt sich nämlich in Exons und Introns.
Wird im Zellkern die RNA mithilfe der DNA als Kopiervorlage erzeugt (man erinnere sich an die Schule), so bleiben die Introns erstmal drin. Man spricht dann von prä-mRNA. Als nächstes kommt das Spliceosom, ein Batzen aus ca. 300 Proteinen und 5 RNA-Proteinen, welcher sich dieser prä-mRNA annimmt, die Introns heraus spleißt und die Exons miteinander verbindet.

Und hier kommt unser AS ins Spiel, die Introns werden nämlich nicht immer fein säuberlich herausgetrennt, und die Exons bleiben auch nicht immer bis zum Ende dabei. Man unterscheidet momentan 5 Grundtypen von AS;
1. Exon-Skipping (ES): Dabei wird ein Exon übersprungen und kommt nicht mit in die finale mRNA.
2. Alternative Splice Sites: Dabei fängt ein Exon früher an oder hört früher auf.
3. Alternate 5′/3′ Terminal Exons: Die mRNA fängt mit einem anderen Exon an oder hört mit einem anderen auf.
4. Retained Intron: Ein Intron wird in die fertige mRNA mit übernommen.
5. Initiate or Terminate within an Intron: Ein Intron wird nur zum Teil mitgenommen.

Grafik 1 verdeutlicht das ganze nochmal. (Quelle: Haas BJ, Analysis of alternative splicing in plants with bioinformatics tools., Curr Top Microbiol Immunol, Vol 326, p. 17-37)

Diesen Mechanismus kennt man schon seit mindestens 1987 (Breitbart et al. – den Namen hätt ich auch gern, damit kann man spitze Piratenkapitän werden!), und in Menschen wurde er bis dato gut erforscht; so hat man einige Krankheiten auf das Wirken von falschem AS zurückführen können.

Zum Beispiel ist bei Menschen (und den bis dato untersuchten Vertebraten wie Mäusen etc.) Exon-Skipping mit ca. 30% aller AS-Ereignisse am weitesten verbreitet – bei Pflanzen liegt ES bei grade mal 3%.
Man geht davon aus, dass ES zu einer erhöhten Proteindiversität führt – logischerweise kann man so aus einem Bauplan mehrere verschiedene, funktionierende Maschinen bauen.

Interessanterweise ist Intron-Retention (IR) bei Pflanzen am weitesten verbreitet (z.B. bei Wang et al. 2008, Ner-Gaon 2004), und zwar mit ca. 40% aller AS-Ereignisse in den bis jetzt untersuchten Pflanzen (die Prozentzahlen schwanken je nach Veröffentlichung: die Untersuchungen sind abhängig von der verfügbaren Genomsequenz, Anzahl der verfügbaren mRNAs, verwendetem Algorithmus usw.)
Der Unterschied zum Exon-Skipping liegt darin, dass IR das Leseraster verschiebt – kleine Wiederholung:
Die Nukleotide in der RNA sind in Dreiergruppen, sogenannten Tripletts oder Codons, organisiert. Jedes dieser Codons kodiert für eine Aminosäure im fertigen Protein. Wird der Leseraster verschoben, so kommt es zu einer Auflösung des alten Musters, und womöglich kommen in das Protein völlig andere Animnosäuren.
Ein Beispiel: AAU UUA ACU codiert für Asparagin, Leucin und Threonin. Wird der Leserahmen einmal nach rechts verschoben, so erhalten wir A AUU UAA CU, was für Asparagin und ein Stop-Codon codiert. Passiert das in der mRNA, so wird die Translation an dieser Stelle abgebrochen, komme was da noch wolle, und es wird ein verkürztes Protein hergestellt. Meist wird dies von der Zellmaschinerie frühzeitig erkannt, und es kommt zu Non-sense mediated decay – die mRNA wird abgebaut.

Das scheint auch der dahinterliegende Grund in Pflanzen zu sein; durch diese Einrichtung haben Pflanzen eine weitere Stufe in der Kontrolle der Genexpression, die bei uns Tieren dann fehlt, und Pflanzen einen Vorteil in der komplizierten Abstimmung der Proteinmaschinerie gibt. Was allerdings nicht so schlimm ist – wir Tiere können schließlich weglaufen.

Wer sich mit dem Informatikteil dahinter befassen will, dem empfehl ich folgende Veröffentlichungen:
1. Sammeth et al. : A general definition and nomenclature for alternative splicing events. PLoS Comput Biol, Vol 4, Issue 6, 2008.
Es wird eine Nomenklatur vorgestellt, zusammen mit dem Programm „AStalavista“ welches Exongrenzen nimmt, um daran AS zu erkennen. Dann braucht man natürlich noch ein Programm welches die Exongrenzen anhand von ESTs oder mRNAs und einer Genomsequenz ausspuckt! Da gibts z.B. GeneSeqer, GMAP, Splign, Spa usw….
Diese Programme funktionieren alle anders; man muss von Fall zu Fall unterscheiden, welche man nimmt.
Eine Review findet man hier:
2. Barbazuk et al. Genome-wide analyses of alternative splicing in plants: opportunities and challenges., Genome Res, Vol 18, Issue 9, p. 1381-1392, 2008.

Sammeth, M., Foissac, S., & Guigó, R. (2008). A General Definition and Nomenclature for Alternative Splicing Events PLoS Computational Biology, 4 (8) DOI: 10.1371/journal.pcbi.1000147
Barbazuk, W., Fu, Y., & McGinnis, K. (2008). Genome-wide analyses of alternative splicing in plants: Opportunities and challenges Genome Research, 18 (9), 1381-1392 DOI: 10.1101/gr.053678.106

Philipp sagt:

Hallo! Ich hab hier jetzt schon länger nix geschrieben, da ich grad am Anfang meiner Bachelorarbeit steh und deshalb relativ wenig Zeit hab (hust hust). Da mein Thema sich größtenteils um „computational predictions“ und alternativem Spleißen in Pflanzen dreht ist es m.E. zu trocken für dieses Blog;
wer aber trotzdem was drüber lesen will (man kann ja noch hoffen) darf sich gerne in den Kommentaren melden!

Weil ich aber hier auch mal wieder schreiben möchte (Basti soll ja nich alle Lorbeeren ernten) möchte ich heute folgende, sehr interessante Publikation über die Beziehungen zwischen Blattschneiderameisen und Pilzen vorstellen: Candicidin-producing Streptomyces support leaf-cutting ants to protect their fungus garden against the pathogenic fungus Escovopsis.
Wie man schon vor Erscheinen dieses Papers wusste, halten sich manche Blattschneiderameisen-arten wie z.B. Acromyrmex octospinosus Pilze in ihrem unterirdischen Bau, um sich von ihnen zu ernähren. Damit die Pilze nicht verhungern, sammeln die Ameisen Blätter, zerkauen diese und füttern damit die Pilzkolonien. Damit es den Pilzen immer gut geht wird um die Pilzkolonien aufgeräumt, und die Ameisen sekretieren bestimmte Chemikalien auf die Pilze, damit diese sich keine Krankheit einfangen.

Früher dachte man, dass diese Kolonien nur aus einer einzigen Pilzart namens Leucoagaricus bestehen würden, inzwischen ist jedoch klar, dass mehrere Pilzarten sich einen Lebensraum teilen, manche davon gut für die Ameisen, manche eher schlecht. Heute geht es um Escovopsis sp., ein Pilz, der sich von Leucoagaricus ernährt. Das kann den gesamten Ameisenbau gefährden, da so eine wichtige Lebensgrundlage der Ameisen verloren geht.

Glücklicherweise hilft den Ameisen dabei Streptomyces sp., noch ein Pilz, der aber gegen Escovopsis sp. wirkt – wie genau, wusste man früher noch nicht.
(Hier gibt es ein Paper, welches die Beziehungen zwischen den Ameisen und Pilzen klärt)

Was jetzt neu ist (und mich zu diesem Thema gebracht hat): Die Forschergruppe um Frau Haeder hat die chemische Grundlage der Pilzabwehr identifiziert, ein Stoff namens Candicidin, welcher von Streptomyces, aber auch von einigen weiter entfernten Pilzen produziert wird, um räuberische Pilze aufzuhalten. So wird das Gleichgewicht im Garten beibehalten.

Ein tolles Beispiel für die verschlungenen Wege der Evolution, welche solch komplizierten Wechselwirkungen zwischen (mindestens – wer weiß, was da noch kommt!) drei Teilnehmern erlaubt.

Haeder, S., Wirth, R., Herz, H., & Spiteller, D. (2009). Candicidin-producing Streptomyces support leaf-cutting ants to protect their fungus garden against the pathogenic fungus Escovopsis Proceedings of the National Academy of Sciences, 106 (12), 4742-4746 DOI: 10.1073/pnas.0812082106
Currie, C., Scott, J., Summerbell, R., & Malloch, D. (1999). Fungus-growing ants use antibiotic-producing bacteria to control garden parasites Nature, 398 (6729), 701-704 DOI: 10.1038/19519

Philipp sagt:

Diesmal gehts um Wolbachia – einen weit verbreiteten Endosymbionten des Stammes der Arthropoda (=Gliederfüßer), wozu Insekten, Spinnen, Krebse usw. gehören.
Im Review „Wolbachia: master manipulators of invertebrate biology“ von John H. Werren, Laura Baldo und Michael E. Clark, erschienen in Nature Reviews Microbiology, fassen die Autoren den Stand der Forschung zusammen – und der kann sich bei diesem überaus interessanten Bakterium sehen lassen.

Wolbachia (eine vollständigen Bezeichnung mit Artnamen gibt es erst, wenn sich geeinigt wurde welche der 8 Untergruppen – inzwischen wohl 9 – eine eigene Art ist und welche nicht) gehört zu den häufigsten Mikroorganismen, anscheinend kommt dieser Mikroorganismus in mehr als 20% aller Arthropoden-Spezies vor – das macht bei ca. 1 Million bekannten Arthropodenarten (Schätzungen gehen hoch bis 8 Millionen Arten) 200.000 Spezies, die mit Wolbachia leben. Wenn man sich dann noch überlegt, wieviel Individuen jede Spezies hat – allein Ameisen machen geschätzte 15-20% der tierischen an Land lebenden Biomasse aus!

Wolbachia pflanzt sich nur über die Eier der Wirte fort – hier ein Bild, damit man sich die Vorgänge auf zellulärer Ebene vorstellen kann: (Quelle)

Gezeigt ist ein Ei der Wespe Trichogramma kaykai, infiziert mit Wolbachia-Individuen; das sind die kleinen weißen Punkte.
Um den eigenen Fortpflanzungserfolg zu bewahren hat Wolbachia im Laufe der Evolution 4 Mechanismen entwickelt, die ihresgleichen bei anderen Parasiten/Symbionten suchen:
1. Cytoplasmic incompability: Der häufigste Mechanismus in der Natur. Dabei sorgen die Wolbachia-Organismen dafür, dass Sperma von männlichen Wirten inkompatibel mit Eiern von nicht-infizierten Weibchen ist. So wird dafür gesorgt, dass die nicht-infizierten Weibchen wesentlich weniger Nachkommen als infizierte Weibchen haben.
2. Induktion von Parthenogenese: Das Wort kommt aus dem Griechischen und bedeutet ungefähr Jungfrauengeburt. Und das auch passiert bei infizierten Weibchen: Sie legen nur noch Eier mit genetisch identischen und Wolbachia-infizierten Weibchen, ohne das ein Männchen da was zu sagen hätte.
3. Verweiblichung: Männchen (auf genetischer Ebene) entwickeln sich zu Weibchen (auf körperlicher Ebene), so dass sie auch Eier mit Wolbachia-Zellen produzieren.
4. Male killing: Die Männchen sterben während der Entwicklung zu Larven, zum Vorteil der Weibchen, denn es bleibt mehr Nahrung für sie. Anscheinend kommt es auch hier zur Verweiblichung, nur ist sie tödlich.

Manche Wolbachia-Stämme können sogar mehrere dieser Strategien verwirklichen – so konnte ein Stamm künstlich zwischen zwei Schmetterlingsarten ausgetauscht werden, in der ersten Art (Cadra cautella) sorgte der Symbiont für cytoplasmatic incompability, in der anderen Art (Anagasta kuehniella) kam es dagegen zu male killing. Also haben viele Stämme ein bisher in der Literatur unbeschriebenes Potential zu anderen Formen der Wirtsbeeinflussung, die speziell für sie noch nicht beobachtet wurden.

Und warum hab ich jetzt im Titel des Artikels Endosymbionten geschrieben? Im Alltagsdeutschen (so wie ich es jedenfalls immer mitbekomme) versteht man unter Symbiose ein Zusammenleben mit beidseitigem Vorteil – das bezeichnet man im Fachjargon aber als „Mutualismus“, dazu gibts noch „Neutralismus“ und „Parasitismus“, was wohl selbsterklärend ist. Das Wort „Symbiose“ bezeichnet also alle drei Begriffe zusammen, und so ist es auch bei Wolbachia: Es gibt Beispiele aus der Natur, in denen eine Infektion mit Wolbachia auch von Vorteil sein kann.

So scheint das Zusammenleben von Wolbachia und Nematoda (=Fadenwürmern) wohl von beidseitigem Vorteil zu sein, eventuell indem sie parasitischen Nematoden helfen, indem sie auf die Immunabwehr eines (mit Nematoda) befallenen Wirtes wirken. In der Fruchtfliege (Drosophila melanogaster) scheinen sie vor Infektion mit RNA-Viren zu schützen. Evolutionär macht das Sinn, denn wenns dem Wirt gut geht, gehts schließlich auch den Endosymbionten gut.

Wunderbar ist auch das Wolbachia anscheinend das Cytoskelett von Drosophila benutzen kann – so benutzen die Symbionten die Mikrotubuli, die Drosophila zum Aufteilen beider Zellen bei der Zellteilung benötigt, wie eine Art von Lianen, um so bei der Zellteilung mit in die neue Zelle zu gelangen! Dabei wird die Gruppe von Bakterien in der Zelle ungefähr halbiert – eine Hälfte bleibt in der „alten“ Zelle, die andere Hälfte geht mit in die neue Zelle.

Vielleicht habt ihr vor kurzem auch ein bisschen was in den Medien von Wolbachia gehört – in Science wurde vor kurzem ein Artikel über Wolbachia als mögliches „natürliches Insektengift“ gegen Moskitos publiziert. Mehr dazu z.B. hier.

Und damit schließe ich den Artikel hier auch ab – ich hoffe, ihr seid jetzt ein kleines bisschen so fasziniert von Wolbachia, wie ich es bin.

John H. Werren, Laura Baldo, Michael E. Clark (2008). Wolbachia: master manipulators of invertebrate biology Nature Reviews Microbiology, 6 (10), 741-751 DOI: 10.1038/nrmicro1969

Philipp sagt:

- zum Beispiel, wo er überall war.

Dabei rede ich nicht von öden Dias aus vom Athenurlaub der Tante, sondern von zwei wahren Kosmopoliten.
Unsere Reisenden sind weit rumgekommen, wenn auch nur als blinde Passagiere, die alles andere als gewollt sind – überall wo Menschen sind, findet man sie. Anhand des Weges eines der beiden Reisenden kann man sogar den Weg der Menschheit auf dem Globus nachvollziehen.
Wovon ich hier rede? Von HIV-1, dem AIDS-Erreger, und von Mycobacterium tuberculosis, dem Erreger der Tuberkulose.

Hier möchte ich zwei Reviews namens Global phylogeography of Mycobacterium tuberculosis and implications for tuberculosis product development sowie (etwas angestaubt) Travel and the spread of HIV-1 genetic variants zum Thema vorstellen, erschienen in The Lancet.

Beide Erreger unterscheiden sich in einem signifikantem Punkt: Bei Mycobacterium tuberculosis gibt es keinen horizontalen Gentransfer sowie keine besonders hohe Mutationsrate, während HIV-1 rekombinieren kann und eine hohe Mutationsrate aufweist, weshalb sich im Laufe der Jahrzehnte viele verschiedene Subtypen ausgebildet haben.
Unter horizontalem Gentransfer versteht man den Transfer von DNA von einem Individuum zu einem anderem ohne geschlechtliche Fortpflanzung; so können manche Escherichia coli-Bakterien bestimmte Resistenzen (z.B. gegen Antibiotika oder Schwermetallle) auf andere Individuen innerhalb der Population übertragen. M. tuberculosis kann dies, für den Menschen glücklicherweise, nicht – weshalb Individuen einer Subpopulationen untereinander kaum zu unterscheiden sind, weltweit hat man bis jetzt nur 6 verschiedene Abstammungslinien entdeckt. Hier die Weltkarte* aus der Veröffentlichung, in der die dominanten Abstammungslinien einander gegenüber gestellt werden:

Wie man sieht ist vor allem Abstammungslinie Nr. 4 weltweit dominant, was man vermutlich auf einen Gründereffekt zu Beginn der weltweiten Verbreitung des Erregers zurückschließen kann. (Von einem solchen Effekt spricht man, wenn wenige Individuen eine neue Population begründen, und so wesentlich weniger mögliche Genausprägungen als in der Hauptpopulation existieren – Beispiel: 20 schwarzhaarige Menschen besiedeln eine Insel, 200 Jahre später hat ein Großteil der Nachkommen wahrscheinlich immer noch schwarzes Haar)

Bevor wir mit M. tuberculosis zum Ende kommen wollen wir uns kurz noch Rekombination bei HIV mit den Konsequenzen für die weltweite Verteilung des Virus anschauen.
HIV ist ein diploides RNA-Virus, das bedeutet das sein Genom als RNA (und nicht als DNA wie bei uns Menschen) in 2 Kopien vorliegt. Ist ein Mensch mit zwei verschiedenen, aber nah verwandten HIV-Subtypen infiziert, so kann es zwischen beiden zu homologer Rekombination kommen: grob gesagt bricht ein RNA-Stück ab und wird in ein anderes RNA-Molekül eingehängt.

Das Resulatat nennt man, wenn es in 3 Individuen mit epidemiologisch unverknüpfter Krankheitsgeschichte identifiziert werden kann, eine circulating recombinant form – zur Zeitpunkt der Veröffentlichung waren 14 dieser Formen identifiziert, bis jetzt sind mehr als 20 bekannt. allerdings gibt es auch URFs, unique recombinant forms; HIV-Subtypen, die besonders in Gegenden mit hoher HIV-Übertragung in einzelnen Kranken identifiziert werden können. Die hohe Rekombinationsrate erschwert das Erstellen einer logisch zusammenhängenden Karte der weltweiten Verbreitung der Subtypen, hier die Karte** aus der Veröffentlichung mit den jeweils dominanten Subtypen:

Wie man sieht ist in der westlichen Welt vor allem Subtyp B verbreitet, und auch hier sieht man wieder einen Gründereffekt, wie schon bei der Tuberkulose beschrieben. Interessant ist auch die hohe Vielfalt an Subtypen in Zentralafrika, was darauf hinweist, das HIV ursprünglich wohl aus Afrika stammt – der Ort mit der höchsten genetischen Varianz ist meist auch der Ursprungsort.

Wozu jetzt die beiden Karten? Welchen (medizinischen) Sinn könnte es haben, solche Karten zu erstellen?

Die Antwort liegt ja schon in der Frage; die Behandlung für verschiedene Subtypen/Abstammungslinien muss die Unterschiede berücksichtigen. Für HIV liegt das Problem schon am Fokus der Forschung; da in der „ersten“ Welt geforscht wird, werden die meisten klinischen Studien größtenteils an Patienten infiziert mit dem Subtyp B durchgeführt, weshalb (unter Umständen) das Medikament für einen anderen Subtyp bzw. eine andere CRF irgendwo anders nicht wirkt. Für M. tuberculosis gilt dies auch, auch hier sorgt die genetische Variabilität der Abstammungslinien für mögliche Resistenzen gegenüber einer Medikamententherapie.

Anhand der Karten der weltweiten Verbreitung lässt sich bei einem infizierten Patient auf den wahrscheinlichen Subtyp zurückschließen, der dann über molekulare Marker (wie z.B. Single Nucleotide Polymorphisms (SNPs), einzelne Basenaustausche in der RNA/DNA, welche spezifisch für den Subtyp sind) bestätigt wird, so dass eine auf den Patienten zugeschnittene Therapie begonnen werden kann.
Natürlich gilt hier auch das, was ich schon im Artikel über multiresistente Tuberkulose gesagt hatte – eine Probe aus dem Körper des Patienten ist nur ein wahlloses Ziehen wie beim Lotto, es können sich also verschiedene Subtypen/CRFs/URFs in einem Patienten vor der Identifizerung verstecken.

P.S.: Toll, wie schon das Review zur weltweiten Verbreitung von M. tuberculosis anfängt: „It is profoundly disturbing that the means of combating tuberculosis—a disease that kills someone every 16 seconds—are a 100-year-old diagnostic test, a vaccine that was developed 80 years ago, and drugs that have remained fundamentally unchanged for the past 40 years.“

* Diese Graphik wurde von Sebastien Gagneux und Peter M Small erstellt und erschien zusammen mit ihrem Paper "Global phylogeography of Mycobacterium tuberculosis and implications for tuberculosis product development” in Lancet Infect Dis 2007; 7, Seite 328-337
** Diese Graphik wurde von Luc Perrin, Laurent Kaiser und Sabine Yerly erstellt und erschien zusammen mit ihrem Paper "Travel and the spread of HIV-1 genetic variants” in Lancet Infect Dis 2003; 3, Seite 22-27

S GAGNEUX, P SMALL (2007). Global phylogeography of Mycobacterium tuberculosis and implications for tuberculosis product development The Lancet Infectious Diseases, 7 (5), 328-337 DOI: 10.1016/S1473-3099(07)70108-1
L PERRIN, L KAISER, S YERLY (2003). Travel and the spread of HIV-1 genetic variants The Lancet Infectious Diseases, 3 (1), 22-27 DOI: 10.1016/S1473-3099(03)00484-5

Philipp sagt:

„Manchmal scheint es mir, Gehirn und Lunge hätten sich ohne mein Wissen verständigt. ‘So geht es nicht weiter’ hat das Gehirn gesagt und nach fünf Jahren hat sich die Lunge bereit erklärt, zu helfen.“ – Franz Kafka, verstorben u.A. an Tuberkulose

Heute werde ich eine etwas ältere Veröffentlichung vorstellen, von Anfang 2004 aus dem Journal of Infectious Diseases, mit dem schön sperrigen Titel Genetic Polymorphism in Mycobacterium tuberculosis Isolates from Patients with Chronic Multidrug-Resistant Tuberculosis. Die Veröffentlichung dreht sich um die Entstehung von multiresistenten Stämmen in den Körpern der an Tuberkulose erkrankten Menschen, begünstigt durch die Anwendung verschiedener Antibiotika.
In der Studie wurde Sputum (Hustenauswurf) von (gerade mal) 13 positiv getesteten Patienten auf Bakterien untersucht und die Isolate wurden genetisch untersucht, um mehr über den Hintergrund der entstandenen Resistenzen zu erfahren.

Dabei kam u.A. heraus, dass keiner der Patienten mit einem zweitem Stamm infiziert wurde, bestätigt wurde auch, dass die Isolate der 13 Patienten gegen alle üblichen Mittel resistent waren.
Viel interessanter ist jedoch, und das ist der Kernpunkt dieser Veröffentlichung, ist dass in mehreren aufeinanderfolgenden Charakterisierungen bei 4 der 13 Patienten Mutationen innerhalb der Bakterienpopulation auftraten, sodass eine heterogene Population entstand – das also im Lungengewebe verschiedene „Dörfer“ mit unterschiedlichen „Bewohnern“ entstanden sind. Dies ist enorm wichtig für Diagnose und Behandlung: Bei der Sputum-Diagnose werden rein zufällig ein oder mehrere „Dörfer“ rausgepickt und charakterisiert, die Behandlung erfolgt dann zugeschnitten auf die Eigenschaften (Resistenzen) der jeweiligen „Bewohner“.
Ist ein andere unerkannte Population aber resistent gegen die eingesetzten Mittel, so findet sie nach der Behandlung freien, unbenutzten Platz vor, der dann schleunigst besiedelt wird, weshalb der Patient kurze Zeit nach der Therapie wieder genauso krank wie am Anfang ist.

Gleiche Erkenntnisse gelten höchstwahrscheinlich auch für andere Infektionskrankheiten, was diese Veröffentlichung (in meinen Augen) so wichtig macht – es werden neue Diagnosemethoden gebraucht, die das gesamte Bild erfassen, anstatt nur einzelnen Kolonien.
Nicht zu übersehen ist auch, dass früher oder später der erste gesamtresistente Stamm erscheinen wird, und was dann?

Frank A. Post, Paul A. Willcox, Barun Mathema, Lafras M. Steyn, Karen Shean, Srinivas V. Ramaswamy, Edward A. Graviss, Elena Shashkina, Barry N. Kreiswirth, Gilla Kaplan (2004). Genetic Polymorphism in Isolates from Patients with Chronic Multidrug-Resistant Tuberculosis The Journal of Infectious Diseases, 190 (1), 99-106 DOI: 10.1086/421501

Philipp sagt:
Denn sie sind cool.
Vor diesem Paper dachte ich, Blattläuse wären nur die Milchkühe von Ameisen – jetzt seh ich das aber ganz anders. Zum Beispiel wusste ich gar nicht, dass es staatenbildende Blattläuse gibt – wie z.B. Tuberaphis styraci (die so heißen, weil sie auf dem Baum Styrax obassia leben).
Blattläuse pflanzen sich über Parthogenese fort, das heißt es gibt nur „Mütter“, die unbefruchtete Eier legen, aus denen dann Klone der Mutter schlüpfen, die dann auswachsen und sich wiederum klonen.
Bei Tuberaphis dagegen bleiben manche Jungtiere in ihrer Entwicklung stehen – diese werden zu Soldaten, die die anderen, für die Reproduktion wichtigen Jungtiere beschützen; und dass, obwohl sie ja die gleichen Gene wie die Arbeiter haben!

Soldaten in Action (Quelle)

Genetischer Hintergrund dieser Entwicklung ist eine spezifische Protease, Cathepsin B, welche von den Soldaten bei einem Angriff in Fressfeinde injiziert wird und diese von innen verdaut (ähnlich läufts bei Spinnen auch – allerdings ernähren sich die Soldaten nicht von der fertig verdauten Masse).
In der genetischen Entwicklung von Soldaten wird das Gen, welches für die Protease kodiert bis zu 2000 mal höher angeschaltet als bei normalen Arbeitern. Die Arbeiter benötigen dieses Enzym nicht für ihre Nahrung, da Pflanzensaft wenig bis gar keine Proteine enthält, sondern eher verschiedene Zucker wie Glucose.

In der Veröffentlichung wird der evolutionäre Hintergrund dieser Entwicklung beleuchtet, Tuberaphis wird mit anderen sozial-ausgerichteten Blattlaus-Gattungen wie Astegopteryx und Cerataphis verglichen und mögliche grundlegende Mechanismen werden aufgezeigt.
Astegopteryx sowie Cerataphis haben das Gen nämlich auch – bei ihnen gibt es jedoch keine erhöhte Genexpression, was die Forscher darauf schließen lässt, dass sich der Mechanismus erst entwickelt hat, als die Gattung Tuberaphis entstand.
Als grundlegendes Modell für die Evolution nennen sie Ohnos Modell der Genduplikation:
Auf bestimmten Genen liegen bestimmte Selektionsdrücke – es hat für mich wesentlich fatalere Folgen, wenn mein Hämoglobin für den Sauerstofftransport nicht mehr funktioniert, als wenn ich Verdauungsproteine für Milchzucker nicht mehr herstellen kann (letzeres stellt sogar einen gewissen Vorteil dar, sorgt es doch in gewissen Männerrunden immer für Erheiterung).
Kommt es jetzt im Laufe der Evolution zu einer Genduplikation, d.h. ich habe nach einem Ereignis zwei identische Kopien des gleichen Genes, so kann eine Kopie fröhlich und schnell vor sich hin mutieren – die andere Ausgabe wird sich ja um die lebenswichtige Funktion kümmern. Unsere mutierende Kopie kann so wesentliche neue Funktionen erhalten, wie es wahrscheinlich bei unserer Protease passiert ist – wo kommt die Protease allerdings her?
Die Forscher argumentieren, dass sie schon uralt sein muss (wohl 80-150 Millionen Jahre), da sie in allen möglichen, auch weiter entfernten nicht-sozial lebenden Gattungen wie Tuberaphis citricida vorkommt (dort allerdings ausgeschaltet), und dass die stark erhöhte Genexpression anscheinend schon vor dem Einsatz als Waffe vorkam. Warum können sie allerdings noch nicht sagen.

Zusammenfassend sieht man hier den genetischen Hintergrund der Evolution von manchen sozialen System – ähnliche Mechanismen wurden z.B. für die Entstehung von Gelée royale bei Honigbienen (hier, ist kostenlos) oder der Entwicklung von Antifungiziden für Pilzkolonien in Termitenstaaten (hier, auch kostenlos) entdeckt.

P.S.: Schön, so kleine Details aus dem Forscheralltag: „Attacks by soldiers of these social aphids to human skin cause unpleasant itch (T. Fukatsu, personal observations)“

M. Kutsukake, N. Nikoh, H. Shibao, C. Rispe, J.-C. Simon, T. Fukatsu (2008). Evolution of Soldier-Specific Venomous Protease in Social Aphids Molecular Biology and Evolution, 25 (12), 2627-2641 DOI: 10.1093/molbev/msn203

Philipp sagt:
Darum gehts in diesem Review aus PLoS Computational Biology.
Die Autoren diskutieren über den momentanen Zustand der Online-Wissensverwaltung und wie man diesen ändern könnte. Sie kritisieren, dass digitale Bibliotheken im „eingefrorenen“ Zustand verharren, also nur lesbare Informationen, ohne Möglichkeit für den Benutzer, Infos hinzuzufügen oder zu ändern; desweiteren stellen sie diverse Werkzeuge vor, um Informationen und Veröffentlichungen persönlicher zu gestalten sowie handlicher zu organisieren.
Zu Beginn werden die momentanen digitalen Bibliotheken wie PubMed usw. mit ihren Vor- und Nachteilen vorgestellt. Danach werden Werkzeuge vorgestellt, mit dem sich „menschlicher“ gestalten lassen – wie z.B. Mendeley, über dass Basti hier ja schon geschrieben hatte. Zusätzlich werden noch weitere Systeme vorgestellt, wie CiteULike.org, das man am ehesten mit Seiten wie delicious.com vergleichen könnte, da es sich dabei um ein System handelt, in dem Nutzer interessante oder sonstwie relevante Veröffentlichungen abspeichern sowie miteinander verbinden können.

Diese und andere Werkzeuge bezeichnen die Autoren als „a promising start“, bevor sie die grundlegenden momentanen Probleme solcher Programme nennen. In ihren Augen liegen die Probleme vor allem auf menschlicher Seite; z.B. gibt es leicht Probleme beim Auseinanderhalten zweier Autoren mit gleichem Namen – so findet man bei PubMed, welches Autoren mit Nachname + erster Buchstabe des Vornamens abspeichert, allein 2008 genau 181 Artikel von „Wu, R.“.
Desweiteren gibt es natürlich Probleme beim Vertrauen der Nutzer zu den Anbietern: Kommerziell basierte Dienste wie z.B. Connotea.org (gehört zur Nature Gruppe) wollen natürlich durch ihre Dienste einen Profit generieren, fehlt dieser, so werden die Dienste schnell wieder eingestellt – die Mühe, die sich die Nutzer bis dahin gemacht haben, wäre dann verloren.

Der ganze Artikel ist auch wunderschön geschrieben – wer kann einer Veröffentlichung mit so herrlichen Sätzen wie „Rumors of the death of printed books and the death of the journal have (so far) been greatly exaggerated“ schon widersprechen? Oder der hier: „It has been frequently been observed that scientists lag behind other communities in their use of the Web to communicate research, and that this is ironic given that the Web was invented in a scientific laboratory for use primarily by scientists“ – und das sind beides nur Zitate aus dem abschließenden Absatz!

(Natürlich ist das Wissenschaftsweißbier und andere Wissenschaftsblogs ein Gegenbeispiel für den letzten Satz – eine Institution, die noch wenig Aufmerksamkeit vonseiten der Wissenschaftsgemeinschaft oder der Öffentlichkeit erfährt; was sich aber hoffentlich in den nächsten Jahren ändern wird!)

Duncan Hull, Steve R. Pettifer, Douglas B. Kell (2008). Defrosting the Digital Library: Bibliographic Tools for the Next Generation Web PLoS Computational Biology, 4 (10) DOI: 10.1371/journal.pcbi.1000204

Philipp sagt:
Heut gehts mal um klassische Aussagenlogik, wie sie ein paar Leute hier (inklusive mir selbst) noch in der Oberstufe gelernt haben, angewandt auf lebende Systeme.
Im Kern gehts um das künstliche Erzeugen von logischen Systemen im Lebendigen, also Einrichtungen, die Daten aufnehmen und sie mithilfe logischer Verknüpfungen wie „UND“, „ODER“ etc. verarbeiten (mehr dazu bei Wikipedia).
Hier noch schnell eine kurze Zusammenfassung, z.B. läuft ein logisches UND so ab: Ist der Himmel grau UND die Luft so merkwürdig nass, liegt „Regen“ vor. Anders geschrieben : Grauer Himmel UND Nass = Regen.
Ist der Himmel dagegen grau und die Luft trocken, so liegt natürlich kein Regen vor, es müssen also beide Zustände „wahr“, d.h. in diesem Fall vorhanden sein, damit Regen vorliegt.
Bei einem ODER dagegen muss nur einer der beiden Zustände „wahr“ sein – das sähe beispielsweise so aus: Grauer Himmel ODER Kalt = Schlechtes Wetter; in unserem pessimistischen Beispiel muss der Himmel also nur grau sein, damit das Wetter schon als schlecht gilt.

Dass solche Systeme in vitro (also im Reagenzglas) funktionieren, war schon seit 2004 bekannt. „Damals“ wurde ein DNA-basiertes System benutzt, dass allerdings noch nur über einfache Aussagen funktionierte, es konnte also nur sagen ob die Konzentration eines bestimmten Stoffes hoch oder niedrig (= 1 oder 0) sein konnte. Als Beispiel wurden Indikatoren für Prostatakrebs genommen; damit „der Computer“ angeht muss die BotenRNA der Proteine PPAP2B und GSTP1 in niedriger und PIM1 und HPN in hoher Konzentration vorliegen. Den Computer an sich kann man sich wie eine längere Haarnadel aus DNA vorstellen, an deren Kopf die noch inaktive Droge sitzt.

Die „Arme“ der Haarnadel hängen aufgrund von komplementären Basenpaarungen aneinander; kleine Stückchen der Haarnadel werden dann, je nachdem ob das Level der mRNA hoch oder niedrig ist, Schritt für Schritt abgeschnitten und auf konkurrierende mRNA-Stückchen übertragen.
So wird die Haarnadel Schritt für Schritt kleiner, bis nur noch der Kopf übrig bleibt. Dieser ist allein gesehen nur ein Stück einzelsträngiger DNA, die dann (mehr oder weniger) aufgrund der Komplementärbasenpaarung an die BotenRNA des MDM2-Proteins bindet und so verhindert, dass es als Vorlage für das passende Protein genutzt werden kann.
MDM2 ist in der Zelle verantwortlich für die negative Regulation (also das Runterschrauben) des Tumorrepressorproteins p53, mit MDM2 in der Zelle entwickelt sich also ein Tumor.
Leider ist das ganze nur ein „proof-of-concept“; ob es in der lebenden Zelle funktioniert bleibt noch offen.

2006 wurde dann in Science (Link hier) ein System vorgestellt, bei dem Ein- und Ausgabe in gleicher Form sind – dies ist vor allem für verschieden starke Signale wichtig, da so der Kreislauf mehrmals hintereinander durchlaufen werden kann.
Das System gibt entweder Fluoreszenz ab oder neue Moleküle aus, welche dann wiederum auf andere Systeme Einfluss ausüben können. Wie es im Detail abläuft erkläre ich anhand der nächsten Graphik*:

In diesem Bild ist die einfachste Art einer UND-Verknüpfung dargestellt. Unter A sehen wir die logische Schaltung: Ein Molekül, das aus den drei DNA-Strängen G, Eout und F besteht, die aufgrund von Basenpaarung relativ stabil aneinander hängen. Die logische Schaltung lautet: Gin UND Fin = Eout wird freigesetzt.
Wie man sieht hängt von G ein kleines ungepaartes Stückchen namens toe-hold (grob übersetzt Ansatzpunkt) ab – kommt jetzt Gin dazu (also der erste Part unserer Schaltung) so bindet G and Gin, da diese Bindung wesentlich stabiler ist und in der Natur stets nach dem energieärmsten (=stabilsten) Zustand strebt. Diesen G/Gin-Doppelstrang kann man dann vernachlässigen, wir können ihn als Müll betrachten.
Ebenso läufts wenn Fin dazukommt: Es entsteht wieder ein F/Fin-Doppelstrang, so dass nur noch Eout alleine übrig bleibt. B zeigt, welche Zutaten welchen Kuchen ergeben.
Bei C sieht man die experimentelle Bestätigung des Mechanismus durch Fluoreszenz; hier wurden F und Eout mit Fluoreszenzpartikeln versehen, so dass sie beim Freiwerden Licht abgeben, was sich aus der Graphik leicht ablesen lässt. Nur wenn Fin und Gin vorliegen kommt es zu Fluoreszenz.
Abbildung D zeigt eine Gelelektrophorese als Zweitbeweis für die Wirksamkeit des Systems. Die Wissenschaftler haben in ihrer Veröffentlichung noch kompliziertere Systeme ausprobiert und hinbekommen – die noch zu beschreiben sprengt aber den Rahmen, da ich noch ein drittes System vorstellen wollte, welches in meinen Augen das schönste ist – und es hat sogar in Hefezellen funktioniert.

Es wurde in der neuesten Science-Ausgabe unter dem Titel „Higher-Order Cellular Information Processing with Synthetic RNA Devices“ von Maung Nyan Win und Christina D. Smolke vorgestellt.
Dieses System besteht, wie der Name schon sagt, aus 3 künstlichen RNA-Komponenten, einem Aptamer (also einer kurzen RNA-Sequenz, welche spezifisch an ein bestimmtes Signal-Molekül binden kann), einem Ribozym (ein RNA-Molekül, welches wie ein Enzym funktioniert und sich in diesem Falle selbst zerschneidet) und einer Transmitterkomponente, welche alle Teile verbindet.
Weiterhin ist das Ribozym an ein bestimmtes Gen gekoppelt.
Bindet nun ein Signalmolekül an das Aptamer, so verändert der gesamte Kasten seine Konformation und wird so „aktiviert“, ähnlich wie ich meine Schulter bewege, weil ich mit der Hand etwas greife.
Je nachdem wie man es dann haben möchte schneidet das Ribozym sich selbst mit dem Gen, an welches es gebunden wurde, oder es schneidet eben nicht und das Gen wird aktiviert.
Das nächste Bild** zeigt wieder eine einfache UND-Schaltung.

Die braune Region ist die Aptamerregion an die das Molekül bindet, die blaue und rosa Region ist die Ribozymregion. Nur wenn beide Signalmoleküle an die Vorrichtungen binden kann das Gen aktiviert werden und ein Ausgabeprotein entsteht. Natürlich lassen sich auch zwei oder mehrere Aptamere an ein Ribozym binden, so dass eine simplere UND-Schaltung entsteht.

Die Implikationen von allen drei Techniken sind weitreichend – nicht nur beim Einsatz in „intelligenten“ Medikamenten, wie es schon beim ersten Beispiel erörtert wurde, sondern auch z.B. bei der wirksamen Kontrolle von Mikroorganismen, vielleicht könnte man mit diesem System Mikroorganismen vor Selbstvergiftung schützen, oder künstliche Stoffwechselwege auf andere Teilschritte umschalten lassen sobald ein bestimmtes Signalmolekül vorhanden ist. Da es sich hier um die einfachsten logischen Verknüpfungen handelt kann ich mir auch größere, kompliziertere Biocomputer vorstellen – das ist allerdings noch Zukunftsmusik.

* Diese Graphik wurde von Georg Seelig, et al. erstellt und erschien zusammen mit ihrem Paper „Enzyme-Free Nucleic Acid Logic Circuits“ in Science 314, Seite 1586 (2006)
** Diese Graphik wurde von Maung Nyan Win und Christina D. Smolke erstellt und erschien zusammen mit dem Paper „Higher-Order Cellular Information Processing with Synthetic RNA Devices“ in Science 322, Seite 458 (2008)

Yaakov Benenson, Binyamin Gil, Uri Ben-Dor, Rivka Adar, Ehud Shapiro (2004). An autonomous molecular computer for logical control of gene expression Nature, 429 (6990), 423-429 DOI: 10.1038/nature02551
G. Seelig, D. Soloveichik, D. Y. Zhang, E. Winfree (2006). Enzyme-Free Nucleic Acid Logic Circuits Science, 314 (5805), 1585-1588 DOI: 10.1126/science.1132493
M. N. Win, C. D. Smolke (2008). Higher-Order Cellular Information Processing with Synthetic RNA Devices Science, 322 (5900), 456-460 DOI: 10.1126/science.1160311