Gap Junctions: Schnelle Antwort auf Toxine

22. Oktober 2013
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Benachbarte Zellen kommunizieren über besondere Strukturen miteinander. Wie schnell diese inter-zellulären Kommunikationskanäle (Gap Junctions) auf Krankheitserreger reagieren, haben Wissenschaftler jetzt erstmals beschrieben.

Benachbarte Zellen sind über kleine Kanäle, sogenannte Gap junctions, miteinander verbunden. Über die Kanäle tauschen sie chemische und elektrische Signale aus und können so im lebenden Gewebe miteinander kommunizieren. Jeweils sechs einzelne Protein-Untereinheiten (Connexine) bilden einen Halbkanal. Zwei Halbkanäle zweier benachbarter Zellen verbinden sich zu einer durchgehenden Pore, über die die Zellen Ionen und kleine Moleküle austauschen. Tausende dieser Poren lagern sich innerhalb der beiden Oberflächenmembranen der Zellen zu einem Gap Junction Plaque zusammen. Diese spielen vor allem in der Herzmuskulatur und als „elektrische Synapsen“ im Gehirn eine wichtige Rolle. Genetische Mutationen in Connexinen sind ursächlich für eine Vielzahl menschlicher Krankheiten wie nicht-syndromische Taubheit.

Bislang dachte man, dass diese zellulären Strukturen relativ fest und langlebig, also über viele Stunden stabil seien. „Wir konnten jetzt zeigen, dass von Bakterien produzierte Gifte innerhalb von wenigen Sekunden dramatische strukturelle Veränderungen in den Gap Junction Plaques auslösen“, sagt Professor Rainer Duden vom Institut für Biologie der UzL und Mitglied im Exzellenzcluster Entzündungsforschung. Die in der Studie verwendeten Gifte werden von human-pathogenen Bakterien, die Cholera oder Darmruhr auslösen, während einer Infektion ausgeschieden.

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Benachbarte Zellen kommunizieren über kleine Kanäle miteinander. © Irina Majoul, UzL

Wesentlich dynamischer als bisher angenommen

Mit Hilfe hochaufgelöster schneller Fluoreszenz-Mikroskopieverfahren erzeugten die Wissenschaftler um Duden dreidimensionale Bilder von Gap Junction Plaques. In ihren Experimenten gaben sie fluoreszent markiertes bakterielles Toxin auf Zellen mit Gap Junction Plaques, die sie ebenfalls farblich sichtbar gemacht haben, und verfolgten, wie diese reagieren. „Die durch Toxine innerhalb kürzester Zeit ausgelösten Struktur-Veränderungen innerhalb der Gap Junctions sind reversibel“, sagt Duden. Die Zelle reagiere also aktiv auf den durch das Toxin verursachten Stress und repariere die Gap Junction Plaques, erklärt der Wissenschaftler. Diese Ergebnisse zeigen, dass Gap Junctions wesentlich dynamischere biologische Strukturen sind, als bisher angenommen wurde.

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Gap Junctions reagieren innerhalb von Sekunden auf bakterielle Toxine. © Irina Majoul, UzL

Originalpublikation:

Fast structural responses of gap junction membrane domains to AB5 toxins
Rainer Duden et al.; PNAS, doi: 10.1073/pnas.1315850110; 2013

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