18.11.2011 · Mit Wachstum verbindet man in der Biologie zumeist die Zellteilung. Doch es gibt eine Alternative, die viele Pflanzen nutzen. Den genauen Mechanismus konnten Forscher jetzt aufklären.
Von Valentin Frimmer
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Die Entwicklung einer Tomate ist gewiss kein Spektakel. Ihr Volumen nimmt kaum wahrnehmbar zu, und die anfänglich grüne Schale färbt sich sehr gemächlich. In ihrem Inneren geht es derweil äußerst lebhaft zu. Eine Vielzahl von Proteinen ist damit beschäftigt, die Tomate organisiert wachsen zu lassen. Es gilt, wildes Wuchern unbedingt zu vermeiden. Um geordnet mehr Zellmasse und Gewebe erzeugen zu können, betreibt das Gemüse neben der allseits bekannten Zellteilung auch Endoreduplikation. Obwohl außerhalb der Fachwelt eher unbekannt, schätzen Experten deren Anteil am globalen Biomassewachstum auf bis zu fünfzig Prozent. Von der Zellteilung unterscheidet sich die Endoreduplikation in einem wesentlichen Punkt: Die Zelle verdoppelt zwar auch ihr Erbgut, anschließend kommt es aber nicht zur Teilung und Bildung zweier Tochterzellen. Sie überspringt gewissermaßen den Teilungsprozess und dupliziert mit jedem Zyklus die Anzahl ihrer Chromosomen. Das ermöglicht der Zelle, und damit der ganzen Tomate, zu wachsen. Denn die Vervielfachung ihrer Chromosomen erlaubt ihr, mehr Enzyme und Zellbausteine zu synthetisieren, um innerhalb einer besonders großen Zelle Stoffwechsel betreiben zu können. Allerdings muss dieses Wachstum streng überwacht werden. Wächst oder teilt sich die Zelle exzessiv, ist Krebs die Folge.
Trotz ihrer elementaren Bedeutung ist die Regulation der Endoreduplikation bisher eher spärlich beforscht worden. Wissenschaftler vom Deutschen Krebsforschungszentrum in Heidelberg konnten nun an endoreduplizierenden Zellen der Fruchtfliege Drosophila ein vollständiges Modell dieses Kontrollmechanismus konstruieren. Wie die meisten zellulären Prozesse ist auch dieser Mechanismus ein Zusammenspiel Dutzender Proteine und Botenstoffe, die in einem komplexen Netzwerk miteinander verwoben sind. Die entscheidende Rolle bei der Regulation der Endoreduplikation spielt ein Eiweiß mit der Bezeichnung E2F1, wie die Forscher um Norman Zielke in der Zeitschrift "Nature" (doi: 10.1038/nature10579) berichten. Es sorgt für einen zyklischen Ablauf der Endoreduplikation. Im Wesentlichen umfasst dieser Zyklus zwei Phasen. Zunächst sorgen spezialisierte Proteine für eine Verdopplung des Erbgutes, der DNA-Replikation. In einer zweiten Phase erholt sich die Zelle, wächst und bereitet sich auf eine weitere Replikation vor.
Um Chaos zu vermeiden, ist es für die Zelle von größter Bedeutung, diese Phasen nicht wahllos, sondern hintereinander ablaufen zu lassen. Die Kontrolle dieses Nacheinanders ist die Aufgabe von E2F1. Abwechselnd liegt es in niedrigen und hohen Konzentrationen innerhalb der Zelle vor und sorgt so für die Abstimmung der Phasenübergänge. Während der DNA-Replikation muss das Protein in hoher Konzentration vorliegen, denn es ist für die Funktion vieler daran beteiligter Enzyme notwendig. Anschließend wird E2F1 abgebaut. Andernfalls würde die Erbgut-Verdopplung unkontrolliert fortgesetzt werden und zu großen Schäden führen. Für den Abbau sorgt ein weiteres Protein, CLR4, welches besonders während der DNA-Synthese gebildet wird. Es versieht E2F1 mit einer speziellen Markierung, die zu dessen Zerstörung führt. Dadurch wird auch die Aktivität des Proteins Geminin unterdrückt.
Normalerweise muss dieses verhindern, dass es wieder zu einer DNA-Replikation kommt, ohne dass sich die Zelle zuvor teilt. Bei der Endoreduplikation ist aber genau das erwünscht. Geminin wird frühzeitig abgeschaltet, und die Vorbereitungen für eine erneute Verdopplung des Erbgutes werden auch ohne vorherige Zellteilung getroffen. Anschließend steigt die E2F1-Konzentration wieder an und führt zu einer erneuten DNA-Replikation, der Kreis schließt sich. Die Regulation der Endoreduplikation beruht im Grunde also auf der Regulierung eines einzigen Schlüsselproteins. Durch periodische Änderung der E2F1-Konzentration kann die Zelle den Zyklus Schritt für Schritt steuern und überwachen.
Zudem stellten die Forscher fest, dass eine chronische Unterversorgung der Zelle mit Nährstoffen und die dadurch ausgelöste Wachstumshemmung zu einer dauerhaft niedrigen Konzentration von E2F1 führen. Die Zelle ist also in der Lage, die Konzentration dieses Proteins an die entsprechende Versorgungssituation anzupassen. Als Konsequenz kommt es zu einem totalen Stopp der Endoreduplikation. Der ist notwendig, denn ohne zusätzliches Wachstum wäre Endoreduplikation eine Verschwendung der knappen Energiereserven der Zelle. E2F1 dient also als eine Art Wachstumssensor, der innerhalb der Zelle die Chromosomenvervielfältigung an das Zellwachstum anpasst.
Die Forscher glauben, dass im Umkehrschluss eine künstliche Erhöhung der E2F1-Konzentration bei gutem Nährstoffangebot das Zellwachstum steigert. Noch ist der Nachweis dafür nicht erbracht, aber die Wissenschaftler träumen bereits davon, durch stimulierte Endoreduplikation den Ertrag landwirtschaftlicher Nutzpflanzen massiv steigern zu können.
