Das Protein, das Fallen stellt

Neutrophile Granulozyten

Killer mit kompliziertem Namen: Neutrophile Granulozyten, auch Neutrophile genannt, sind die häufigsten und giftigsten Zellen unseres Immunsystems. Sie sind bei einer Infektion als erste Immunzellen zur Stelle und verfügen über verschiedene Mechanismen und Giftstoffe, um Krankheitserreger zu bekämpfen. Neutrophile erledigen ihre Aufgabe so effektiv und schnell, dass wir es in den meisten Fällen gar nicht mitbekommen, wenn Erreger in unseren Körper eindringen. Ohne diese Immunzellen würden Krankheitserreger uns regelrecht überrennen.

Die Fähigkeit, Erreger effizient zu beseitigen, hat jedoch einen Preis. Werden Neutrophile fälschlicherweise oder zu stark aktiviert, kann sich ihr biotoxisches Arsenal gegen den eigenen Körper wenden und schweren Schaden anrichten. Inzwischen bringen Forschende Neutrophile mit verschiedenen Autoimmunerkrankungen wie zum Beispiel Blutvergiftung in Verbindung.

Unsere Forschungsgruppe hat vor mehr als zwanzig Jahren einen spezifischen Mechanismus der Erregerabwehr bei Neutrophilen entdeckt. Wir haben damals gezeigt, dass Neutrophile ihr Chromatin – also ihre DNA plus Verpackungsproteine – wie ein Netz auswerfen können, um Bakterien zu fangen und dann mit Zellgiften abzutöten. Diese Strukturen haben wir Neutrophil Extracellular Traps genannt, kurz NETs.

Wenn das Erbgut zweckentfremdet wird 

Diese Entdeckung hatte uns verblüfft. Zum einen, weil wir bei einer eigentlich gut erforschten Zelle einen neuen und grundlegenden Mechanismus nachgewiesen und zum anderen, weil wir gezeigt haben, dass Chromatin auch eine Funktion als Immuneffektor hat. Dabei wird DNA für die Erregerabwehr mit NETs zweckentfremdet – so, als würde man sich mit einer schweren Enzyklopädie gegen einen Einbrecher verteidigen. Nicht der eigentliche Zweck, aber im Zweifelsfall sehr effektiv – und das Buch würde wahrscheinlich unter dem Einsatz leiden. Auch der Einsatz von DNA bei Neutrophil Extracellular Traps ist ein radikaler Schritt für die Neutrophilen: Werfen sie ihre DNA als NETs aus, sterben sie.

Jetzt, zwanzig Jahre nach dieser Entdeckung, haben wir gezeigt, wie Neutrophile es bewerkstelligen, ihr Chromatin gegen Krankheitserreger einzusetzen. Der entscheidende Faktor für die Entstehung von NETs ist ein Molekül, das bereits in Neutrophilen bekannt war: Myeloperoxidase. Dieses Protein stellt hypochlorige Säure her, ein starkes Zellgift, das auch als Bleichmittel verwendet wird. Wir haben gezeigt, wie Myeloperoxidase den Funktionswechsel der DNA vermittelt. Und zusätzlich bindet Myeloperoxidase an DNA, um auf den NETs seine antimikrobielle Wirkung direkt zu entfalten [1].

Auf die Spur dieser Entdeckung haben uns Aufnahmen mit einem hochauflösenden Fluoreszenzmikroskop gebracht. Dort konnten wir erkennen, dass Myeloperoxidase nicht zufällig auf den DNA-Strängen der NETs verteilt ist. Die einzelnen Proteine lagen in gleichmäßigen Abständen voneinander entfernt. Dieses Abstandsmuster deckte sich mit dem der Nukleosomen, der Verpackungseinheit des Chromatins (Abb. 1).

Ein Perlenkettenmuster auf der DNA legt die Spur

Damit DNA in den Zellkern passt, ist sie als Chromatin dicht gepackt. Diese Verpackung wird durch Proteine, die sogenannten Histone, vermittelt. Histone lagern sich zu einem tonnenförmigen Komplex zusammen, um den die DNA ungefähr zweimal gewickelt wird. Histonkomplex und DNA ergeben zusammen ein Nukleosom. Zwischen den Nukleosomen liegt noch ein Stück freie DNA, und so reihen sich die Nukleosomen wie eine Perlenkette in gleichmäßigem Abstand aneinander.

Dieses Perlenkettenmuster der Nukleosomen deckte sich genau mit dem Bindungsmuster der Myeloperoxidase. Daher lag der Verdacht nahe, dass Myeloperoxidase nicht an zufällige Stellen der DNA bindet, sondern spezifisch an Nukleosomen. Durch Bindungsexperimente mit Nukleosomen und Myeloperoxidase konnten wir unseren Verdacht bestätigen. Mithilfe von Kryo-Elektronenmikroskopie haben wir dann eine dreidimensionale Rekonstruktion der Bindung erstellt. So konnten wir zeigen, dass je ein Myeloperoxidase-Dimer an die Nukleosomen andockt (Abb. 2).

Neue Funktion eines altbekannten Proteins

Das Myeloperoxidase-Dimer rutscht dabei wie ein Keil in das Chromatin. Ein Teil bindet die DNA, das andere den Histonkomplex. Für die Bildung der NETs wird nach einer Infektion der Zellkern der Neutrophilen mit Myeloperoxidase geflutet, sodass das Chromatin schnell und effizient entpackt und ausgeworfen werden kann. Das Besondere an diesem Mechanismus ist, dass er keine Energie verbraucht. Energieabhängige Entpackungsmechanismen der DNA waren bereits von der Zellteilung bekannt. Myeloperoxidase verdrängt DNA jedoch rein räumlich von den Histonkomplexen.

Durch unsere Experimente haben wir auch entdeckt, dass monomere Myeloperoxidase – also ein einzelnes Protein – ebenfalls an Nukleosomen bindet. Das einzelne Protein aber löst die Nukleosomen nicht auf. Ganz im Gegenteil: Es schützt die Nukleosomen, an die es bindet, davor, von Dimeren aufgespalten zu werden.

So bleiben einige Nukleosomen intakt, wenn die DNA als NET ausgeworfen wird. Wir vermuten, dass diese Bindung die antimikrobielle Wirkung der NETs verstärkt. Die monomere Myeloperoxidase, die an die Nukleosomen bindet, kann zudem außerhalb der Zelle hypochlorige Säure herstellen und so sehr effizient Erreger abtöten.

Mit unserer Studie zeigen wir, dass Myeloperoxidase eine zentrale und doppelte Funktion bei der Entstehung von Neutrophil Extracellular Traps hat. Zum einen entpackt sie als Dimer die DNA, damit diese von Neutrophilen ausgeworfen werden kann, zu anderen bindet sie als einzelnes Protein an Nukleosomen, um gegen Erreger zu wirken.

Fehler im Verlauf der Chromatin-Interaktion und Destabilisierung könnten zu Krankheiten führen, die mit einer gestörten NET-Bildung zusammenhängen, wie zum Beispiel Infektionen, Autoimmunerkrankungen und Krebs. Unsere Forschung kann neue Möglichkeiten für Diagnose und Therapie eröffnen, indem sie auf die nicht-katalytischen Funktionen von Myeloperoxidase abzielt.

Literaturhinweise