Autophagie – Virusbekämpfung durch Selbstverzehr

… und wie Viren sich gegen diesen Abwehrmechanismus wehren

08.11.2017 | von Redaktion Pflanzenforschung.de

Autophagie ist ein Prozess, bei dem Zellen sich selbst abbauen. Die einzelnen Bausteine können dann wieder verwendet werden. (Bildquelle: © iStock.com/alanphillips)
Autophagie ist ein Prozess, bei dem Zellen sich selbst abbauen. Die einzelnen Bausteine können dann wieder verwendet werden. (Bildquelle: © iStock.com/alanphillips)

Autophagie betreiben Pflanzen, Tiere, Menschen und Hefen. Der Prozess ist für ein Gleichgewicht zwischen der Produktion neuer und dem Abbau alter Zellbestandteile notwendig. Er kann aber auch genutzt werden, um Virusattacken abzuwehren. Im Laufe der Evolution haben Viren aber ausgeklügelte Strategien entwickelt, um der Autophagie zu entkommen. Wissenschaftler decken nun immer weitere Mechanismen in diesem Wettstreit zwischen Pflanzen und Viren auf.

Der Begriff Autophagie stammt aus dem Griechischen und bedeutet so viel wie „sich selbst aufessen“. Bei diesem ubiquitär vorkommenden Prozess bauen Zellen sich selbst ab, um ihre einzelnen Bausteine wiederzuverwenden. Autophagie ist also eine Art des biologischen Recyclings. Die Zelle kann dadurch Energie sparen, oder auch Krankheitserreger abwehren.  

Entrümpeln in den Lysezentren

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Viren sind eine permanente Gefahr für Pflanzen. Hier ein Beispiel für eine Pflanze, die vom Gelben Rüben-Mosaikvirus befallen wurde. Autophagie ist ein Mechanismus, um sich gegen diese Pathogene zur Wehr zu setzen.

Viren sind eine permanente Gefahr für Pflanzen. Hier ein Beispiel für eine Pflanze, die vom Gelben Rüben-Mosaikvirus befallen wurde. Autophagie ist ein Mechanismus, um sich gegen diese Pathogene zur Wehr zu setzen.

Bildquelle: © Michal Manas/ Wikimedia.org/CC BY 2.5

Bei der Autophagie baut die Zelle intrazelluläres Material wie Zellorganellen, Ribosomen und Proteinaggregate ab und verpackt sie in Autophagosomen – zelleigene Transportvesikel. In diesen Vesikeln wandert das abzubauende Zellmaterial zu den Lysezentren: bei Pflanzen und Hefen sind das die Vakuolen, bei tierischen Zellen die Lysosomen. Mit Hilfe der Autophagie können Zellen sowohl massenweise Zellmüll entsorgen als auch mit Hilfe von spezifischen Rezeptoren ganz gezielt einzelne Zellbausteine loswerden.

Wettstreit zwischen Wirtsorganismus und Krankheitserreger

Die Autophagie hilft Organismen auch, sich gegen einen Virenbefall zu wehren. Im Laufe der Evolution haben Viren allerdings Strategien entwickelt, wie sie diesen Abwehrmechanismus zu ihren Gunsten ausnützen können. So unterliegt auch der Prozess der Autophagie einem ständigen Wettstreit zwischen Wirtsorganismus und Krankheitserreger.

Zwei aktuelle Publikationen zeigen, wie bei Pflanzen die molekularen Mechanismen der Autophagie nach einem Virusbefall ablaufen. Die Forscher konnten zeigen: Mit Autophagie schützen sich Pflanzen (zumindest) gegen drei unterschiedliche Geminiviren, die alle ringförmige, einzelsträngige DNA-Genome besitzen.

Mit Hilfe von molekularbiologischen Untersuchungen haben die Wissenschaftler zahlreiche Proteine identifiziert, die an den Autophagie-Prozessen nach einem Virusbefall beteiligt sind. Doch die Viren lassen diese Abwehrstrategien nicht kampflos über sich ergehen. Sie haben eigene Mittel und Wege entwickelt, mit denen sie sich gegen den unerwünschten Abtransport wehren können.

Virus kidnappt Enzyme der RNA-Interferenz

Die pflanzliche Hauptabwehrstrategie gegen Viren ist die RNA-Interferenz. Mit ihrer Hilfe baut die pflanzliche Zellen Virus-Erbmaterial ab und macht den Erreger dadurch unschädlich. Um diesem Schicksal zu entgehen, tricksen Viren die RNA-Interferenz-Maschinerie innerhalb des Autophagieprozesses der Pflanze aus. Das Polerovirus greift beispielsweise ganz gezielt das ARGONAUTE1 Protein in der pflanzlichen Zellvakuole an. Dort ist ARGONAUTE1 dafür verantwortlich, die zelluläre RNA klein zu schreddern. Um das zu verhindern, kidnappt das Virus ein pflanzliches Enzym und bringt es dazu, das ARGONAUTE1 Protein und ein weiteres beteiligtes Enzym mit einem Ubiquitin-Rest zu versehen. Das stört den Abbauprozess der RNA-Interferenz und das Virus kann unbeschadet weiteragieren.

Direkter Abbau wichtiger RNA-Silencing Enzyme

Das pflanzliche Turnip-Mosaik-Virus bedient sich eines anderen Tricks: Es interagiert direkt mit SGS3, einem weiteren wichtigen Protein des RNA-Silencing Stoffwechselweges. Diese Interaktion führt dazu, dass die Zelle SGS3 abbaut – das Virus hat wieder freie Bahn.

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Yoshinori Ohsumi erhielt 2016 den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin für die Erforschung der Autophagie. Hier wird der Mechanismus beim Menschen erläutert (Video in englischer Sprache). (Credit: simpleshow foundation; youtube.com)

Diese neuen Erkenntnisse über die Virusabwehr bei Pflanzen durch Autophagie und dem viralen Widerstand dagegen ist nicht nur für die Grundlagenforschung interessant. Sie bieten auch eine wertvolle Basis, um die Virusbekämpfungsstrategien bei Pflanzen zu verbessern.

Gelingt es, die Autophagie-Maschinerie von Pflanzen extern zu aktivieren, ließe sich damit möglicherweise ihre Resistenz gegenüber verschiedenen DNA-Viren erhöhen. Um die Widerstandfähigkeit gegenüber RNA-Viren zusätzlich zu verbessern, bieten die Enzyme der RNA-Interferenz gute Ausgangsmöglichkeiten. Gelänge es beispielsweise, ARGONAUTE1 vor der Ubiquitinierung zu schützen, könnte sich die Pflanze gegen Poleroviren besser wehren.

Nobelpreis für Erforschung der Autophagie

Auch für die menschliche Gesundheit spielt die Autophagie eine zentrale Rolle. Ist sie gestört, kann das zu Krebs oder neurodegenerativen Erkrankungen führen. Welche Bedeutung die Autophagie für Organismen hat, zeigte die Wahl des Nobelpreiskomitees im letzten Jahr: 2016 erhielt der Japaner Yoshinori Ohsumi den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin für seine Forschungsarbeiten zu diesem Thema.

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