Bärtierchen schützen Proteine, die kurz vor dem Tod stehen

Stephanie kam 2021 als stellvertretende Redakteurin zu Drug Discovery News. Sie promovierte 2019 an der University of California Los Angeles und hat für das Discover Magazine geschrieben,...

Mit ihren pummeligen Beinen und Stupsnasen sehen Bärtierchen sicherlich nicht so aus, als ob sie in ihren spindelförmigen Krallen Geheimnisse über Leben und Tod bergen, aber sie tun es. Diese charismatischen Tiere – oft Wasserbären oder Moosferkel genannt – haben einzigartige Anpassungen entwickelt, um in Umgebungen zu gedeihen, in denen nur wenige andere überleben können.

Während sie normalerweise an wasserreichen Orten leben, von Schneedecken im Himalaya bis hin zu Moos, das auf einem Parkplatz wächst, können Bärtierchen Dehydrierung, Gefrieren, Temperaturen über dem Siedepunkt von Wasser und sogar Vakuum und Strahlung im Weltraum überleben (1,2). Zu diesem Zweck entziehen Bärtierchen ihrem Körper Wasser und verlangsamen ihren Stoffwechsel auf nur 0,01 Prozent seiner normalen Rate. Dabei gehen sie in ihre „Tun“-Form über, einen Zustand suspendierter Animation, in dem sie jahrzehntelang leben können. Wenn Bärtierchen nur ein wenig Wasser ausgesetzt werden, erhalten sie wieder ihr normales, pralles Aussehen.

„Wir hören immer das Sprichwort: ‚Leben ist Wasser‘ und wir wissen, dass jeder Stoffwechsel Wasser erfordert“, sagte Thomas Boothby, Tardigradologe an der University of Wyoming. „Wie kann man ein Leben ohne Stoffwechsel führen? Das ist fast eine philosophische Frage.“

Da Bärtierchen die Grenze zwischen Leben und Tod überschreiten, bieten sie Wissenschaftlern die Möglichkeit zu verstehen, was es bedeutet, am Leben zu sein – und vielleicht auch, wie man Lebewesen am Leben erhält. Mit dem Aufkommen neuer genetischer Werkzeuge und einer wachsenden Gemeinschaft von Bärtierchenforschern untersuchen Wissenschaftler, wie Bärtierchen Stressbedingungen überleben, in der Hoffnung, diese Erkenntnisse in stabilere Arzneimittelformulierungen umzusetzen. Mit ihrer Fähigkeit, vor gefährlichen Strahlungswerten zu schützen, könnte die Bärtierchenbiologie sogar Menschen bei langfristigen Weltraummissionen zum Mond und Mars unterstützen.

Während die Sonne hoch in den Himmel steigt, beginnt das Wasser rund um die Bärtierchen, die in einer Pfütze aus Teichschlamm leben, langsam zu verdunsten. Wenn die Umgebung austrocknet, beginnen die Zellen der Bärtierchen, Wasser zu verlieren, und die Konzentration der Moleküle in ihnen steigt immer höher.

„Austrocknung ist kein Alles-oder-Nichts-Stress“, erklärte Boothby. „Es ist ein Kontinuum von Belastungen.“

Wenn zelluläre Strukturen zusammengedrückt werden, steigt die Wahrscheinlichkeit, dass Proteine ​​miteinander aggregieren. Wenn die Zelle nicht mehr genug Wasser enthält, um Wasserstoffbrückenbindungen mit Proteinen zu bilden, entfalten sich die Proteine ​​und verlieren ihre Funktion. Irgendwie haben Bärtierchen einen Weg gefunden, den Verlust der Proteinfunktion durch Austrocknung zu verhindern, und Wissenschaftler hatten bis vor wenigen Jahren keine Ahnung, wie ihnen das gelang.

„Vor fünf, sechs Jahren kam ein Postdoktorand der Biologie hier an der UNC in mein Büro und sagte, er habe die Gene gefunden, die es Bärtierchen ermöglichen, die Austrocknung zu überleben“, sagte Gary Pielak, Proteinchemiker an der University of North Carolina (UNC). Kapellenhügel. „Dieser Typ war Thomas Boothby.“

Gemeinsam berichteten Boothby, Pielak und ihre Kollegen, dass Bärtierchen bei austrocknenden Bedingungen einzigartige Proteine ​​exprimieren, die als intrinsisch ungeordnete Proteine ​​(TDPs) des Bärtierchens bezeichnet werden (3). Während Bärtierchen keine TDPs benötigen, um ihr normales Leben im Wasser zu führen, können sie ohne sie nicht leben, da ihr wässriges Zuhause austrocknet. Als die Forscher TDPs in Bakterien und Hefen exprimierten, erhöhten die Proteine ​​die Austrocknungstoleranz dieser Organismen um fast das Hundertfache.

Seit dieser Entdeckung haben Bärtierchenforscher eine Reihe verschiedener TDPs identifiziert, die am Schutz von Bärtierchen während der Austrocknung beteiligt sind (4). Aber wie genau TDPs und andere Aspekte der Bärtierchenbiologie das Tier schützen, bleibt eine offene Frage.

Diese Studien stützten sich zum größten Teil auf die Expression von Bärtierchenproteinen in Modellsystemen wie Hefe und Bakterien, da viele hochentwickelte genetische Manipulationstechniken bei Bärtierchen nicht möglich waren – bis jetzt.

Kazuharu Arakawa, ein Tardigradologe an der Keio-Universität, und sein Team haben kürzlich ein System namens TardiVec entwickelt, das es Wissenschaftlern ermöglicht, Bärtierchen-Gene in den Tieren selbst zu untersuchen (5). Das erste, was sie taten, war die Expression des grün fluoreszierenden Proteins (GFP) unter der Kontrolle des Promotors für das Aktinprotein, einem Gen mit einem hohen Expressionsmuster.

„Wir waren wirklich aufgeregt“, sagte Arakawa. „Den Lieblingsorganismus strahlend strahlen zu sehen, ist etwas ganz Besonderes.“

Um besser zu verstehen, wie Bärtierchen sich während der Austrocknung schützen, markierten Arakawa und sein Team Proteine, von denen bekannt ist, dass sie am Austrocknungsschutz beteiligt sind, mit GFP. Zu ihrer Überraschung wurden diese TDPs nur in bestimmten Zelltypen exprimiert – nicht in jeder Zelle.

Beispielsweise stellten die Forscher fest, dass Bärtierchen nur das zytoplasmatisch reichlich vorhandene hitzelösliche Protein (CAHS) TDP in Epidermiszellen exprimieren. Ein weiteres vor Austrocknung schützendes Protein, das sekretorische reichlich hitzelösliche Protein (SAHS), wurde fast ausschließlich in Speicherzellen exprimiert, bei denen es sich um frei schwebende Zellen im Bärtierchen handelt, von denen man annimmt, dass sie Energie speichern.

„Wenn beim Menschen die Zellen beschädigt werden, geraten unsere Zellen in Apoptose“, sagte Arakawa. „Bei Bärtierchen funktioniert das nicht so, daher muss jede einzelne Zelle bei Bärtierchen vor der Austrocknung geschützt werden.“ Warum Bärtierchen einige vor Austrocknung schützende Proteine ​​nur in bestimmten Zellen exprimieren, ist rätselhaft.

„Es verkompliziert die Situation. Was wir zu wissen glaubten, war nur ein Teil der Geschichte“, sagte Arakawa.

In Zukunft plant Arakawa, das TardiVec-System zu nutzen, um die Mechanismen zu identifizieren, die die Austrocknungstoleranz steuern, indem Bärtierchenarten mit unterschiedlichen Fähigkeiten zur Austrocknungstoleranz untersucht werden. Beispielsweise kann Ramazzottius verieornatus innerhalb von 15 bis 30 Minuten in einen Tun-Zustand übergehen, Hypsibius exemplaris muss zunächst etwa 24 Stunden in einer halbtrockenen Umgebung verbringen und die Art Thulinius ruffoi kann überhaupt nicht austrocknen.

„Indem wir die Bärtierchen-spezifischen Gene, die wir bei Ramazzottius gefunden haben, ohne Vorkonditionierung in Thulinius oder den natürlichen Zustand von Hypsibius einführen, können wir diese Bärtierchen möglicherweise so manipulieren, dass sie Austrocknung tolerant sind“, erklärte Arakawa.

Durch das Verständnis, wie Bärtierchen die harten Belastungen der Dehydrierung überleben, hoffen Arakawa und sein Team, diese Erkenntnisse auf die Konservierung biologischer Materialien für die menschliche Gesundheit anwenden zu können, sei es die Stabilisierung von Impfstoffen und Biologika oder die Konservierung von Blutspenden über längere Zeiträume.

Während mehrere Forschungsteams TDPs eingesetzt haben, um Modellproteine ​​vor dem Abbau durch Dehydrierung zu schützen, wollte Boothby wissen, ob dieser Schutz auch auf lebensrettende Biologika ausgedehnt werden könnte.

In einem aktuellen Vorabdruck testeten er und sein Team, ob Bärtierchen-CAHS-Proteine ​​den menschlichen Blutgerinnungsfaktor VIII (FVIII) im trockenen Zustand unter verschiedenen Temperaturbelastungen stabilisieren können (6). FVIII ist eine wichtige Komponente im Blutgerinnungsweg und wird von Ärzten zur Blutstillung bei Traumapatienten und bei Menschen mit der genetisch bedingten Blutgerinnungsstörung Hämophilie eingesetzt. Derzeit fügen Hersteller dem FVIII Polyethylenglykol hinzu, um es bei Raumtemperatur stabil zu machen, aber dieser Stabilisierungsgrad ist für Menschen, die an bestimmten heißen Orten leben, immer noch nicht gut genug.

„Die Raumtemperatur, was das wirklich bedeutet, beträgt bis zu etwa 30 °C, aber natürlich gibt es viele Orte auf der Welt, wo die Umgebungstemperatur deutlich über 30 °C liegt“, sagte Boothby. Ärzte in Texas berichteten, dass „Menschen Schwierigkeiten haben, diese Arzneimittel in ihren Häusern aufzubewahren, weil es im Sommer zu Hause heißer als 30 °C wird“, fügte er hinzu.

Das Team entwickelte Varianten des CAHS-D-Proteins mit unterschiedlichen biophysikalischen Eigenschaften und stellte fest, dass bestimmte Varianten FVIII unter bestimmten Bedingungen besser schützten. Beispielsweise bildet eine Variante namens CAHS D 2X Linker leichter ein Gel als das Standard-CAHS D-Protein. Als Boothby und sein Team FVIII mit 2X Linker mischten, konnten sie FVIII sechs aufeinanderfolgende Zyklen lang dehydrieren und rehydrieren, ohne seine Blutgerinnungsfunktion zu beeinträchtigen. Auch diese Variante hielt FVIII im trockenen Zustand 10 Wochen lang stabil.

„Das ist wirklich wichtig, denn auf dem Feld gibt es oft keine wirklich präzise kontrollierte Luftfeuchtigkeit, sodass es zu einer teilweisen Rehydrierung oder einer stärkeren Austrocknung kommen kann“, erklärte Boothby. „Es ist wichtig, diese Schwankungen der Flüssigkeitszufuhr tolerieren zu können.“

Als sie FVIII mit einer anderen Variante namens CAHS D Linker Region vermischten, die überhaupt kein Gel bilden kann, stellten sie fest, dass diese Variante FVIII in trockenem Zustand bei Temperaturen von bis zu 95 °C zwei Tage lang stabilisierte, was fast doppelt so hoch ist Temperatur, die jemals auf der Erde gemessen wurde: 56,7 °C im Death Valley im Jahr 1913.

„Wir sind wirklich an der Frage des biophysikalischen Zustands dieser Proteine ​​interessiert“, sagte Boothby. „Eine nicht gelierende Variante, wie schützt sie ein Protein gegenüber der gelierenden Variante? Das hilft uns wirklich bei zukünftigen technischen [und] angewandten Zielen, bei denen wir das Protein modifizieren wollen, um eine bestimmte Art von Arzneimittel oder Biologikum zu stabilisieren.“

Wenn sie beispielsweise einen bestimmten proteinbasierten Impfstoff, der zur Aggregation neigt, im trockenen Zustand stabilisieren wollen, „dann haben wir eine ziemlich gute Vorstellung davon, was unsere Top-Kandidaten aus unseren Varianten wären“, fügte er hinzu. „Wir wollen die Mechanismen erforschen, mit denen diese Proteine ​​funktionieren, damit wir sie dann für uns arbeiten lassen und in unseren Formulierungen die Dinge tun können, die wir von ihnen erwarten.“

Für Roger Chang, einen Computerbiologen am Albert Einstein College of Medicine, müssen Bärtierchenproteine ​​nicht bei der Konservierung von Biologika aufhören. Sie könnten eines Tages auch neue Medikamente gegen menschliche Krankheiten inspirieren. Chang interessierte sich schon immer für Organismen, die im Extremfall der Überlebensfähigkeit leben. Er begann seine Forschungskarriere mit der Bakterienart Deinococcus radiodurans, dem strahlenresistentesten Organismus aller Zeiten.

„Es handelt sich um ein Bakterium und nicht um ein komplexes tierisches System. Das ist einer der Gründe, warum die Untersuchung von Bärtierchen interessant wurde, weil sie evolutionär sicherlich viel näher am Menschen sind“, sagte Chang. Er und sein Team fragten sich, ob ungeordnete Proteine ​​von Bärtierchen und anderen extremotoleranten Organismen menschliche Zellen vor Stress schützen könnten, insbesondere vor chemischem Stress durch ein Chemotherapeutikum (7).

Chang und sein Team untersuchten etwa 300 Proteine ​​oder Proteinfragmente mit ungeordneten Regionen, indem sie sie in menschlichen Zellen exprimierten. Sie umfassten Proteine ​​von extremophilen Organismen, einschließlich Bärtierchen, Nematoden und dem Chinesischen Riesensalamander, aber sie berücksichtigten auch sowohl vollständige als auch verkürzte Formen menschlicher Proteine.

„Wenn wir ein Therapeutikum entwickeln wollen, könnte es sein, dass man, wenn man so etwas aus dem menschlichen Proteom extrahieren könnte, weniger Bedenken hinsichtlich immunogener Wirkungen hätte, vielleicht weil es menschlicher und nicht so fremd ist“, sagte Chang .

Anschließend behandelten die Forscher die Zellen mit dem gängigen Chemotherapeutikum Camptothecin, das Zellen durch Auslösen der Apoptose abtötet. Sie fanden heraus, dass, obwohl die meisten Proteine ​​keine evolutionäre Beziehung zueinander hatten, sie alle in ähnlichem Maße vor dem chemischen Stress schützten.

Was das Team am meisten überraschte, war, dass ihre wichtigsten Schutzproteine ​​keine Bärtierchen waren, sondern Fragmente der menschlichen Proteine ​​APOE4 und APOE2. (APOE4 ist vor allem für seine Rolle bei der Alzheimer-Krankheit bekannt.) Sie erkannten, dass diese APOE-Proteinfragmente eine Reihe von alpha-helikalen Wiederholungen enthielten, die auch ungeordnete Proteine ​​extremophiler Organismen aufweisen.

„Wenn man nur diese Wiederholungsregion herausnimmt, ist das der Teil, der den intrinsisch ungeordneten Proteinen der extremotoleranten Spezies ähnelt. Das ist die Variante von APOE, die am schützendsten ist“, sagte Chang.

Die Forscher stellten fest, dass die schützenden APOE-Fragmente winzige Cluster im Zytoplasma bildeten, und fragten sich daher, ob sie und möglicherweise ihre anderen ungeordneten Proteintreffer Zellen vor Apoptose schützen könnten, indem sie an der Apoptose beteiligte Proteine ​​in Kondensaten, membranlosen Strukturen, die bestimmte Zellkomponenten voneinander abgrenzen, absondern der Rest der Zelle. Während sie feststellten, dass viele ihrer schützendsten Treffer Kondensate bildeten, bildeten sie größtenteils keine Kondensate um Schlüsselkomponenten des Apoptosewegs. Nur ein synthetisches ungeordnetes Protein tat dies.

Es gibt definitiv viele faszinierende und beeindruckende weiterentwickelte Anpassungen in der Natur, von denen wir lernen können, und ich denke, wir kratzen wirklich nur an der Oberfläche. – Roger Chang, Albert Einstein College of Medicine

„Es ist wahrscheinlich, dass diese Kondensate, die sich bilden, entweder umfassend oder spezifisch mit anderen zellulären Komponenten interagieren und diese entweder stabilisieren oder sie einfach vom Rest des Zytoplasmas entfernen und ihnen nicht erlauben, normal zu funktionieren“, sagte Chang.

Er und sein Team rätseln derzeit über den möglichen Zusammenhang zwischen den schützenden APOE-Proteinfragmenten und der Alzheimer-Krankheit. Chang möchte vor allem eine Plattform zur Herstellung synthetischer ungeordneter Proteine ​​entwickeln, die jedes menschliche Protein binden und stabilisieren kann. Sie könnten beispielsweise ungeordnete Proteine ​​erzeugen, die sich an Proteine ​​binden, die beispielsweise auf oxidativen Stress reagieren, um die Entstehung von Krankheiten zu verhindern.

„Es ist faszinierend, dass die Natur Lösungen gefunden hat, um wirklich extreme Bedingungen zu überstehen“, sagte Chang. „Es gibt definitiv viele faszinierende und beeindruckende weiterentwickelte Anpassungen in der Natur, von denen wir lernen können, und ich denke, wir kratzen wirklich nur an der Oberfläche.“

Eine der lebensfeindlichsten Umgebungen ist der Weltraum, aber selbst dort hält sich das zähe kleine Bärtierchen hartnäckig. Wissenschaftler haben Bärtierchen in eine erdnahe Umlaufbahn gebracht und sie dabei sowohl dem Vakuum als auch der intensiven Strahlung des Weltraums ausgesetzt. Sie haben herausgefunden, dass sie den Flug überlebt haben (8). Als im Jahr 2019 ein israelischer Mondlander, der unter anderem Bärtierchen transportierte, auf den Mond stürzte, landeten einige Bärtierchen schließlich im Weltraum – obwohl neuere Untersuchungen darauf hindeuten, dass sie den Aufprall wahrscheinlich nicht überlebt haben (9).

Obwohl Bärtierchen produktive Raumfahrer sind, haben sie sich von Natur aus nicht zu kleinen tierischen Astronauten entwickelt.

„Offensichtlich leben Bärtierchen nicht in einer Umgebung mit sehr hoher Strahlung“, sagte Arakawa. „Sie sind nicht dafür gemacht, Strahlung zu ertragen, aber sie sind dafür gemacht, Austrocknung zu ertragen, die genauso viel Stress bedeutet wie eine hohe Strahlungsdosis.“

Strahlung verursacht zwei Hauptbelastungen in Zellen: oxidativen Stress und DNA-Schäden. Auch Bärtierchen müssen sich während der Austrocknung mit beiden Belastungen auseinandersetzen, daher gehen Forscher davon aus, dass Bärtierchen wahrscheinlich ähnliche Mechanismen nutzen, um sich sowohl vor Austrocknung als auch vor Strahlung zu schützen.

Die Forscher identifizierten insbesondere ein Protein namens Damage Suppressor Protein (Dsup), das nur bei Bärtierchen vorkommt. Bei der Expression in menschlichen Zellen band es an Nukleosomen, DNA-Abschnitte, die um Chromatin gewickelt sind, und unterdrückte durch Röntgenstrahlung verursachte DNA-Schäden um 40 Prozent (10,11). In einem aktuellen Vorabdruck untersuchten Chang und seine Kollegen von Weill Cornell Medicine und der Harvard University, wie Dsup die DNA in menschlichen Zellen vor Strahlenschäden schützte (12). Die Forscher fanden heraus, dass Dsup auf epigenetischer Ebene wirkt und zu einer weniger repressiven Chromatinumgebung führt.

„Obwohl es von Bärtierchen stammt, scheint es eine besondere Reaktion in Bezug auf die Transkriptionsaktivität in menschlichen Zellen zu zeigen, die sehr interessant ist“, sagte Chang.

Sie bestätigten auch einige frühere Berichte, dass menschliche Zellen, die zur Expression von Dsup manipuliert wurden, erhöhte adhäsive, proliferative und antiapoptotische Eigenschaften aufweisen. Die Forscher fanden heraus, dass die Hippo- und Wnt-Signalwege, die die Zellproliferation und antiapoptotische Wirkung steigern und bei Fehlregulierung auch die Strahlenresistenz in Krebszellen fördern, in Dsup-exprimierenden Zellen angereichert waren (13).

„Zu diesem Zeitpunkt sind wir wahrscheinlich noch einige Schritte von einer tatsächlichen Therapie entfernt, aber es ist ein Ausgangspunkt“, sagte Chang. Zusätzliche Forschung zu Dsup und anderen TDPs in menschlichen Zellen könnte den Forschern helfen, besser zu verstehen, wie Krebszellen strahlenresistent werden, und vielleicht eines Tages auch, wie man ein Medikament herstellen kann, um die Strahlungstoleranz von Astronauten zu erhöhen.

Langfristige Weltraummissionen zum Mond und Mars werden Astronauten einer höheren Strahlungsbelastung aussetzen, als sie derzeit auf der Internationalen Raumstation (ISS) erleben. Zusätzlich zur Strahlung leben Astronauten monatelang auch in einer Schwerelosigkeitsumgebung. Um die langfristigen Auswirkungen des Lebens im Weltraum besser zu verstehen, hat Boothby gemeinsam mit Wissenschaftlern des Ames Research Center der NASA Bärtierchen mit einem SpaceX Dragon-Frachtraumschiff zur ISS geschickt.

„Wenn wir ein hier auf der Erde geborenes Bärtierchen nehmen und es in den Weltraum schicken, wie reagiert es dann auf diesen Stress?“ fragte Boothby. Er und sein Team wollten nicht nur herausfinden, wie sich Mikrogravitation und Strahlung auf Bärtierchen auswirken, die von der Erde in den Weltraum geflogen werden, sondern auch, wie sich diese Belastungen auf im Weltraum geborene Bärtierchen auswirken.

Während sie zwei Monate auf der ISS verbrachten, durchliefen die Bärtierchen vier Generationen im Weltraum, wobei die Astronauten zu bestimmten Zeitpunkten Bärtierchenproben konservierten. Boothby und sein Team haben kürzlich die Bärtierchenproben aus dem Weltraum zurückerhalten, sie sequenziert und untersuchen nun die Sequenzierungsdaten.

„Indem wir verstehen, wie Bärtierchen mit den Belastungen der Raumfahrt zurechtkommen und sich an sie anpassen, hoffen wir, dass wir nicht nur bessere Gegenmaßnahmen oder Therapien zum Schutz von Menschen im Weltraum entwickeln können, sondern auch zum Schutz von Menschen, die in der Nähe von radioaktivem Material arbeiten oder diesen Situationen hier ausgesetzt sind.“ auf der Erde", sagte Boothby.

Ob sie mit ihren mikroskopisch kleinen Krallen nach den Sternen greifen oder in einem Wassertropfen schweben, Bärtierchen sind einer der wenigen Organismen, die an den Rand des Todes geraten und unversehrt zurückkehren können. Für Arakawa ist dies das, was ihn an Bärtierchen am meisten fasziniert, und diese Idee lässt sich seiner Meinung nach am besten durch eine Bärtierchenart veranschaulichen, die von Moos lebt, das in Beton in Sapporo, Japan, wächst.

„Sie dehydrieren jedes Mal, wenn es einen sonnigen Tag gibt, und rehydrieren dann jedes Mal, wenn es einen regnerischen Tag gibt. Sie gelangen ständig in dieses ausgetrocknete Stadium, fast jeden Tag“, erklärte Arakawa. „Der Stillstand des Lebens ist ein sehr häufiges Ereignis, das im Vergleich zu anderen Arten recht ungewöhnlich ist.“ Aber er fügte hinzu: „Der Übergang zwischen Materie und keiner Materie ist das entscheidende Untersuchungsthema, wenn wir wirklich verstehen wollen, was Leben ist.“

Stephanie kam 2021 als stellvertretende Redakteurin zu Drug Discovery News. Sie promovierte 2019 an der University of California Los Angeles und hat für das Discover Magazine geschrieben,...

Ausgabe Mai 2023