Erinnern sich Pflanzen mit Prionen?

Erste Hinweise in Hefen entdeckt

29.04.2016 | von Redaktion Pflanzenforschung.de

Forscher konnten erstmals zeigen, dass sich Pflanzen womöglich mit Hilfe von Prionen erinnern können. (Bildquelle: © EtiAmmos / Fotolia.com)
Forscher konnten erstmals zeigen, dass sich Pflanzen womöglich mit Hilfe von Prionen erinnern können. (Bildquelle: © EtiAmmos / Fotolia.com)

Seit der BSE-Krise im Jahr 1996 hat nahezu jeder schon einmal von Prionen gehört. Dass die unterschiedlich gefalteten Proteine jedoch auch positive Eigenschaften haben können, ist nahezu unbekannt. Wissenschaftler haben nun Hinweise gefunden, dass Prionen maßgeblich an einem pflanzlichen Gedächtnis beteiligt sein könnten.

Prionen rufen schlechte Erinnerungen wach: BSE (bovine spongiforme Enzephalopathie), Notschlachtungen zehntausender Rinder, 200 Tote durch die Creutzfeldt-Jakob-Krankheit. 1996 waren Prionen in aller Munde. Damals breitete sich die durch Prionen ausgelöste Tierseuche BSE in Großbritannien rasch aus.

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Mit computergesteuerten Algorithmen fanden Forscher in der Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) Prionen-artige Proteine.

Mit computergesteuerten Algorithmen fanden Forscher in der Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) Prionen-artige Proteine.

Quelle: © GABI

Bestimmte Formen von Prionen sind pathogen

Prionen sind Proteine, die bei Tieren sowohl in einer normalen, als auch in einer pathogenen Struktur vorliegen können. Da Prionen vermehrt im Hirngewebe vorkommen, können pathogene Strukturen weitreichende Folgen für den betreffenden Organismus haben. Bei Rindern lösen die pathogenen Strukturen BSE aus, bei Schafen die Traberkrankheit (Scrapie) und beim Menschen unter anderem die Creutzfeldt-Jakob-Krankheit. Das Fatale an Prionen: Sie können andere Proteine anstecken, sich ebenfalls in pathogen wirkender Art und Weise zu falten. Beim Menschen gelangen pathogene Prionen am wahrscheinlichsten durch kontaminierte Nahrung in den Körper, können aber auch durch die spontane Umfaltung körpereigener Prionen entstehen.

Prionen in vielen Organismen an Langzeiterinnerung beteiligt

Prionen haben jedoch auch allerlei nützliche Eigenschaften. In ihrer nicht pathogenen Form speichern und verbreiten Prionen Informationen. Bei der Meeresschnecke Aplysia fanden Wissenschaftler bereits im Jahr 2003 ein Protein, das mit der Langzeiterinnerung des Tieres im Zusammenhang steht. Dieses Protein verhält sich wie ein Prion: In den Synapsen des Zentralnervensystems stellt das Prion-artige Protein andere Proteine her, die zur Bildung neuer Synapsen benötigt werden. Mit Hilfe dieses Prozesses kann die Meeresschnecke Erinnerungen für längere Zeit speichern. Und damit ist sie nicht alleine. Auch Frösche, Fruchtfliege und Mäuse speichern ihre Erinnerungen mit einem vergleichbaren Gedächtnis-Mechanismus.

Auch Pflanzen können sich erinnern, nur wie?

Obwohl Pflanzen kein Nervensystem besitzen, besitzen sie eine Art Gedächtnis: Über die Tageslänge und die Temperatur „erinnern“ sich Pflanzen, dass der Winter zu Ende geht. Die meisten Pflanzen sind sogar in der Lage, einzelne kalte Tage vom Winter zu unterscheiden. Erst wenn alle Signale auf die richtige Jahreszeit hindeuten, beginnen die Pflanzen zu blühen.

Wo in der Pflanze dieses Erinnerungsvermögen verankert ist, ist bisher unklar. Ohne Nervensystem muss das pflanzliche Gedächtnis mutmaßlich mit Hilfe von biochemischen Prozessen funktionieren. Forscher haben nun gezielt nach prionenartigen Proteinen in Pflanzen gesucht und sind – nahezu – fündig geworden.

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Prionen sind nicht immer pathogen, lediglich eine bestimmte Faltstruktur eines Proteins kann einen pathogenen Effekt haben. In ihrer nicht pathogenen Form haben sie sogar allerlei nützliche Eigenschaften.

Prionen sind nicht immer pathogen, lediglich eine bestimmte Faltstruktur eines Proteins kann einen pathogenen Effekt haben. In ihrer nicht pathogenen Form haben sie sogar allerlei nützliche Eigenschaften.

Quelle: © molekuul.be / Fotolia.com

Computergesteuerte Algorithmen finden Prionen-artige Proteine in Arabidopsis

Mit computergesteuerten Algorithmen suchten die Wissenschaftler in Arabidopsis thaliana nach Gensequenzen, die in der Hefe für Prionen codieren. Bei über 500 Proteinen stießen die Forscher auf die Fähigkeit, in zwei verschiedenen Faltvariationen – wie bei den normalen und den pathogenen Prionen – vorzuliegen. Eines davon, Luminidependens (LD), zeigte bei Experimenten mit Hefen ein typisches, prionenartiges Verhalten - denn es bewirkte stabile Veränderungen in der Umgebung. LD ist normalerweise daran beteiligt, die Reaktion der Pflanze auf Tageslicht und den Blütezeitpunkt zu steuern.

Weiße Hefekolonien geben Hinweis auf Prionen

Um zu prüfen, ob die per Algorithmus gefundenen Proteinsequenzen tatsächlich Prionen produzieren können, deren Faltung sich auf andere Proteine überträgt, übertrugen die Forscher die betreffenden Proteindomänen in ein etabliertes Helfersystem für molekulare Untersuchungen, die Hefen. Ein ausgeklügelter Farbindikator in der Hefe lässt die Hefekolonien weiß erscheinen, wenn das mutmaßliche Pflanzenprion tatsächlich aktiv ist. Überträgt es seine Faltung nicht auf andere Proteine über mehrere Hefegenerationen hinweg, wachsen die Hefekolonien hingegen rot.

In der Tat: Mit den LD-Proteinen wuchsen die Hefekolonien weiß und hatte demnach echte Prionen gebildet.

Einen Nachweis, dass sich diese Prionen auch in der Ackerschmalwand und in anderen Pflanzen bilden, gibt es bisher zwar nicht, die Wissenschaftler gehen aber davon aus, dass Prionen in Pflanzen einen wichtigen Beitrag zur Gedächtnisfunktion leisten könnten. Zukünftige Studien werden hier Licht ins Dunkel bringen. Da es sich bei den Prionen um ein scheinbar konserviertes „Speichersystem“ von Informationen handelt, kann davon ausgegangen werden, dass es sich um ein stammesgeschichtlich altes, ein evolutionär bereits frühzeitig angelegtes System handelt. So lässt sich erklären, warum sehr unterschiedliche Organismengruppen auf dieses System zurückgreifen können. Aber auch eine parallele Evolution ist denkbar. Zukünftige Studien werden auch was die Ursprünge angeht spannende Erkenntnisse liefern.  

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