Struktur und Funktion des antifungalen Proteins PAF

Schimmelpilze (Aspergillus, Fusarium) sind in der Natur weit verbreitet und sind meist am Abbau organischen Materials beteiligt. Somit sind sie verantwortlich für den Verderb von Nahrungsmitteln, oder für die Schädingung von Nutzpflanzen. Gleichzeitig können Aspergilli bei Personen mit geschwächter Immunabwehr gefährliche Krankheitserreger sein, die besonders innere Organe, wie z.B. die Lunge, schädigen und häufig zum Tod führen. In den letzten Jahren ist die Zahl von lebensbedrohlichen opportunistischen Pilzinfektionen dramatisch angestiegen. Dies ist besonders auf die Zunahme von Patienten mit krankheitsbedingter Immunschwäche, z.B. durch HIV, zurückzuführen, ebenso wie auf einen vermehrten Einsatz von Immunsuppressiva, z.B. bei Organtransplantationen und in der Krebstherapie. Im Gegensatz zu bakteriellen Infektionen ist die Behandlung von Pilzinfektionen sehr schwierig, da nur eine begrenzte Anzahl an Antimykotika zur Verfügung stehen. Unsere Forschungsgruppe arbeitet schon seit längerem an der Identifizierung und Charakterisierung von biotechnologisch nutzbaren Proteinen und Molekülen, die von filamentösen Pilzen produziert werden. Einer der bedeutensten Mikroorganismen ist Penicillium chrysogenum, der in der Antibiotikaproduktion (Penicillin) eingesetzt wird. Wir konnten aus dem Kulturmedium dieses Organismus ein Protein isolieren, das eine starke wachstumshemmende Wirkung auf Schimmelpilze, wie z.B. Aspergillus fumigatus, Aspergillus nidulans oder Aspergillus niger, zeigt. Ein Einsatz dieses Proteins in der Medizin, aber auch in der Nahrungsmittelkonservierung oder im Pflanzenschutz wäre vorstellbar. Über die genauen Eigenschaften dieses Proteins ist allerdings noch wenig bekannt. Mittels modernster gentechnischer, biochemischer und zellbiologischer Methoden möchten wir die Struktur und Funktion des Proteins untersuchen. Erst die genaue Kenntnis vom Wirkungsmechanismus wird es ermöglichen, dieses Protein als vielversprechendes Antimykotikum in Betracht zu ziehen oder neue Strategien für die Behandlung von Pilzinfektionen und die Vermeidung von Pilzbefall von Nahrungsmitteln und Pflanzen zu entwickeln.

Der Penicillin-produzierende Schimmelpilz Penicillium chrysogenum gibt das kleine, kompakte und sehr stabile Eiweißmolekül (Protein) PAF in grossen Mengen in den Kulturüberstand ab. Dieses Protein hemmt die Keimung von Sporen sowie das Hyphenwachstum zahlreicher wichtiger pflanzen- und human-pathogener Schimmelpilze, wie z. B. Botrytis cinerea, Aspergillus (A.) fumigatus, A. niger, A. nidulans. Die Wachstumshemmung geht bei sublethalen Konzentrationen des Proteins mit massiven Veränderungen in der Zellmorphologie einher, was sich als Verkrüppelungen und atypische Verzweigungen der Pilzhyphen äussert. Die verminderte Sensitivität eines A. nidulans Stammes, der eine Mutation in einem Protein (heterotrimäres G-Protein) trägt, das eine wichtige Rolle in der Vermittlung von Signalen aus der Umgebung in die Zelle spielt, bekräftigt unsere Hypothese, dass Rezeptoren in der äusseren Zellbegrenzung (Plasmamembran) für die Spezifität und die Toxizität von PAF eine wichtige Rolle spielen. Unsere Untersuchungen ergaben, dass der wachstumshemmende Effekt in sensitiven Organismen auf einen streng regulierten Mechanismus zurückzuführen ist, der einen programmierten Zelltod (Apoptose) hervorruft, ähnlich jenem in Säugetieren. Als Auslöser für den Apoptose-ähnlichen Mechanismus könnte neben der oben erwähnten Signalvermittlung eine Anreicherung von Sauerstoffradikalen in der Zielzelle sein, die wir nach der Behandlung mit PAF nachweisen konnten. Sauerstoffradikale führen zur Schädigung von Biomolekülen, z.B. von Eiweißen, Fetten, Bausteinen der Erbsubstanz, und damit zur Zerstörung von Zellstrukturen, z.B. Zellkern, Mitochondrien, Plasmamembran. Darüberhinaus konnten wir eine Veränderung der Eigenschaften der Plasmamembran nach Einwirkung von PAF beobachten. Sie äusserte sich in einer erhöhten Durchlässigkeit für Kaliumionen, was zu eine Veränderung der Ladung (Hyperpolarisation) der Plasmamembran führte und wiederum zur Einleitung des Apoptose-ähnlichen Zelltods beitragen könnte. Weiters konnten wir nachweisen, dass das antifungale Protein PAF in das Zellinnere von sensitiven Hyphenpilzen aktiv aufgenommen wird. Dieser Vorgang gleicht dem regulierten Aufnahmemechanismus (Endozytose) von Substanzen und Molekülen über die Oberfläche von Säugetierzellen. Aufgrund seiner Stabilität und des Umstandes, dass PAF keine negativen Effekte auf Säugerzellen in Kultur zeigte, ist dieses antifungale Protein ein vielversprechender Kandidat für die Entwicklung eines neuartigen Wirkstoffs, der sowohl in der Medizin als auch in der Landwirtschaft und in der Lebensmittelindustrie zur Behandlung und Prävention von pilzlichen Infektionen eingesetzt werden könnte. Gerade für den Einsatz in der Medizin werden laufend neue antifungale Substanzen gesucht, da die Häufigkeit von lebensbedrohenden Pilzinfektionen innerhalb der letzten Jahrzehnte rasant zugenommen hat. Aus diesem Grund ist die genaue Untersuchung der Wirkungsweise von PAF von größter Wichtigkeit und eine notwendige Voraussetzung, um in Zukunft PAF vorteilhaft zur Bekämpfung von Infektionen einsetzen zu können oder neue Strategien für eine verbesserte Therapie zu entwickeln.