Wo gehobelt wird, da fallen Späne

Bakterien und andere Prokaryoten existieren bereits seit Milliarden von Jahren – ein Umstand, den sie der Entwicklung von Überlebensstrategien im Laufe der Evolution verdanken. So verfügen sie etwa über Abwehrmechanismen, die im Fall einer Virusinfektion zwischen eigener und fremder DNA unterscheiden können. Diese Mechanismen werden Restriktions-Modifikationssysteme genannt und sind von der Balance zwischen den beiden Enzymen M (Methyltransferase) und R (Restriktionsendonuklease) abhängig. M markiert die endogene DNA, in dem es Restriktionsstellen, also bestimmte DNA-Sequenzen, methyliert. R hingegen erkennt die nicht-methylierten Restriktionsstellen als Fremd-DNA und spaltet in Folge die Doppelhelix auf, um sie unschädlich zu machen.

Es wurde gemutmaßt, dass dieser Unterscheidungsmechanismus fehlerhaft sei und auch Bakterien von Autoimmunität betroffen sein könnten, da die Anzahl der Restriktionsstellen im Genom vieler Bakterien geringer ist als anzunehmen. Immerhin wäre das Gute an solchen Fehlern, dass die Aufspaltung eigener DNA-Stränge zu Neukombinationen von DNA führen und somit zur genetischen Vielfalt und zu evolutionärer Anpassung beitragen würde. Im schlimmsten Fall wäre aber auch der Zelltod zur Folge, was zu Einbußen in der reproduktiven Fitness einer Bakterienkolonie führen würde. Ungeachtet dieser potenziellen Auswirkungen gelang es bislang nicht, Fälle von Autoimmunität bei Bakterien direkt zu beobachten.
Maros Pleska, ein Doktorand im Labor von Călin Guet, Assistant Professor am IST Austria, untersuchte dieses Szenario gemeinsam mit den Teams seiner Kollegen Edo Kussell von der New York University und Yuichi Wakamoto von der Tokyo University, sowie IST Austria Postdoc Tobias Bergmiller in ihrer Publikation erschienen am 21. Januar 2016 in der Fachzeitschrift Current Biology.

Die Autoren beschäftigen sich mit zwei verschiedenen Restriktions-Modifikationssystemen des Bakteriums Escherichia coli, und zwar mit EcoRI und EcoRV (steht im Englischen für „eco R one” und „eco R five”). Pleska und seine Kollegen analysierten sowohl die jeweiligen Bakterienpopulationen als auch die einzelnen Zellen mit EcoRI bzw. EcoRV und entdeckten, dass EcoRI im Gegensatz zu EcoRV tatsächlich dafür anfällig ist, irrtümlicherweise die eigene DNA anzugreifen. Dieses Auftreten von Autoimmunität passiert jedoch sehr selten und wird recht leicht von der Mehrheit der nicht betroffenen Zellen verdeckt. Aus diesem Grund stellte die direkte Beobachtung von bakterieller Autoimmunität bisher eine große Herausforderung für Labors dar.

Den Autoren der Studie gelang es, diese seltenen Ereignisse aufzuspüren. Sie konnten dabei zeigen, dass eine SOS-Antwort ausgelöst wird und spezielle Proteine ausrücken, um die geschädigte DNA zu reparieren. Indem sie knapp hunderttausend Bakterienkolonien miteinander verglichen und abzählten (s. Bild) konnten die Forscher zeigen, dass dies unter normalen Bedingungen auch wunderbar funktioniert. Wenn aber ein Ressourcenmangel eintritt, leidet darunter auch die Fähigkeit zur Schadensbekämpfung. 

Aber wie kommt es, dass manche Restriktions-Modifikationssysteme anfälliger für Autoimmunität sind als andere? Guet und sein Team entdeckten, dass die Wahrscheinlichkeit dafür bei effizienter arbeitenden Systemen viel höher liegt, im vorliegenden Fall also bei EcoRI. Es wirkt fast so, als wären diese Systeme manchmal zu übereifrig in ihrem Bestreben, die Zelle vor Schaden zu bewahren. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass in der Evolution ein Kompromiss zwischen verstärktem Schutz gegen fremde DNA und erhöhtem Autoimmunitätsrisiko existiert.
Die Studie zur Autoimmunität wäre ohne das höchst interdisziplinäre Team aus Österreich, Japan und den USA nicht möglich gewesen und wurde durch folgende Förderungen unterstützt: “Young Investigator Human Frontier Science Grant” (einem Programm speziell für riskante und interdisziplinäre Projekte) für Guet, Kussell und Wakamoto, und einem “DOC Stipendium“ der Österreichischen Akademie der Wissenschaften für Pleska.