Facebook und Co. bei Pflanzen

Netzwerke gibt es nicht nur auf Facebook und Twitter. Auch zwischen und innerhalb von Lebewesen kommen komplexe Netzwerke vor: innerhalb von Ökosystemen oder zwischen Makromolekülen in den Zellen. Gelingt es, die Netzwerkstruktur zu entschlüsseln, lassen sich daraus wertvolle Erkenntnisse wie mögliche Angriffspunkte von Krankheitserregern ablesen. Wissenschaftler haben eine solche Netzwerkanalyse nun für die Modellpflanze Arabidopsis thaliana durchgeführt. Eine abgewandelte Social-Media-Analysesoftware kam dabei zum Einsatz.

Wer in den sozialen Netzwerken aktiv ist, weiß, wie schnell sich dort Informationen verbreiten können. Das liegt daran, dass Menschen über ihre Kontakte wiederum mit anderen Personen verknüpft sind. Je nachdem, wie viele persönliche Kontakte eine Person beispielsweise auf Facebook besitzt und wie viele Kontakte wiederum diese Kontakte aufweisen, ist das Potential eines Mitglieds, andere Menschen mit Informationen zu erreichen, größer oder kleiner. Da die sozialen Netzwerke längst auch von Unternehmen als Werbeplattformen entdeckt wurden, gibt es inzwischen Computerprogramme, die die Einflussmöglichkeiten bestimmter Mitglieder berechnen.

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Netzwerk-Biologie klärt Verknüpfungen auf

Netzwerke gibt es aber auch innerhalb lebender Organismen. Ein biologisches Netzwerk besteht beispielsweise aus Protein-Protein-Wechselwirkungen innerhalb von Zellen. In einem sogenannten Protein-Interaktom werden alle bekannten Verknüpfungen von Proteinen innerhalb eines Organismus zusammengefasst. Erste Protein-Interaktome existieren bereits für unterschiedliche Organismen, beispielsweise für einige Pflanzen, Menschen und Spulwürmer.

Interaktome zeigen, wo Pathogene andocken

Dank eines modifizierten Social-Network-Analyseprogramms haben Wissenschaftler nun in der Modellpflanze Arabidopsis thaliana bisher unbekannte Proteine aufgespürt, die pflanzliche Krankheitserreger als Angriffspunkte nutzen. Dazu analysierten die Forscher zwei verschiedene Interaktome: das Protein-Netzwerk in den Blättern der Arabidopsis-Pflanze und ein spezifisches Protein-Interaktom für Rezeptoren, das Pflanzen die Wahrnehmung und Reaktion auf verschiedene Umweltbedingungen ermöglicht. Insbesondere befähigt dieses Netzwerk die Pflanze dazu, auf virulente Krankheitserreger zu reagieren. Dieses Netzwerk bezeichneten die Forscher als Zell-Oberflächen-Interaktom.

Gene in fünf Klassen eingeteilt

Bei der zellinternen Protein-Analyse glichen die Forscher zunächst mehr als 4.300 Protein-kodierende Gene mit fünf verschiedenen Phänotyp-Klassen ab. Diese Gruppen beinhalteten essentielle Gene für das Überleben der Pflanze, Gene zur Ausbildung der Morphologie, für ubiquitäre zelluläre und biochemische Prozesse und konditionale Gene. Bei Letzteren ist eine Mutation nur dann bemerkbar, wenn die Pflanze besonderem Stress wie Wassermangel oder extremen Temperaturen ausgesetzt ist. Bei manchen der 4.300 Gene war die phänotypische Ausprägung auch gänzlich unbekannt.

Arabidopsis: Anordnung im Interaktom gegensätzlich zu Hefen

Als die Wissenschaftler die Phänotypen mit dem Protein-Interaktom-Netzwerk abglichen, fanden sie heraus, dass die großen Knotenpunkte und Flaschenhälse vermehrt konditionale Phänotypen-Gene abbildeten. Essentielle Gene waren dort eher selten vertreten. Das überraschte die Wissenschaftler, da das Phänomen bei Hefe-Interaktomen genau umgekehrt beschrieben wurde: Dort beinhalteten die großen Knotenpunkte und Flaschenhälse auf der Netzwerkkarte vermehrt essentielle Gene.

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Pathogene Effektor-Proteine können Interaktome stören

Protein-Interaktome sind keine starren Gebilde. Pathogene sind in der Lage, Effektor-Proteine in die Pflanze zu injizieren, die die Interaktome zum Vorteil der Krankheitserreger stören. Indem die Forscher mit Hilfe der Social-Network-Software die besten Informationsverbreiter im Protein-Netzwerk ausfindig machten, fanden sie zahlreiche neue Angriffspunkte für die Effektorproteine der Pathogene.

Neue Angriffspunkte von Pseudomonas syringae entdeckt

Diese Software setzten sie auch beim Zelloberflächen-Interaktom ein. Dort identifizierten sie 35 Zelloberflächen-Proteine, die die Liste der Informations-Verbreiter anführten. Bei Versuchen mit dem Pflanzenpathogen Pseudomonas syringae entdeckten die Forscher auf diese Weise sieben neue Angriffspunkte im Interaktom der Zelloberfläche.

Um die kausalen Zusammenhänge ihrer Beobachtungen zu überprüfen, erzeugten die Wissenschaftler Mutanten der sieben Effektorprotein-Ziele. Das Ergebnis: Bei allen sieben Mutanten wuchs das krankheitserregende Bakterium anders als bei den nicht mutierten Pflanzen.

Analyse-System auf andere Spezies übertragbar

Die Arbeit der Wissenschaftler an Arabidopsis thaliana könnte weitreichende Folgen haben. Denn der technische Rahmen, den die Wissenschaftler etabliert haben, ist natürlich auch bei anderen Spezies wie Tier und Mensch anwendbar. Auch dort könnte die innovative Vorgehensweise dazu beitragen, bisher unbekannte Angriffspunkte von Krankheitserregern aufzuspüren und diese als Ziele für neue Therapien zu nutzen.