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Wildtypische Fliege (A) und die tan-Mutante mit deutlich
hellerer Körperfärbung (B).
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Fliegen ohne Tan-Enzym: Hellbraun und
fehlsichtig
Die Mutante "tan" der Taufliege (Drosophila melanogaster), der das
Enzym Tan fehlt, wurde bereits Anfang des 20. Jahrhunderts entdeckt.
Auffällig ist die hellbraune und somit namensgebende Färbung der
Tiere. Fliegen mit dieser Pigmentierungsstörung zeigen gleichzeitig
aber auch eine eingeschränkte Reaktion auf Lichtreize: "Normale
Fliegen orientieren sich in der Natur immer zum Licht hin, während
Tiere ohne Tan-Enzym in dieser Funktion eingeschränkt sind", erklärt
Prof. Hovemann. Die genauen Zusammenhänge zwischen dem Enzym, der
Körperpigmentierung und der Wahrnehmung von Lichtreizen konnten die
Bochumer Forscher erstmals direkt nachweisen.
Vorstufe des Farbstoffs Melanin ...
Tan spielt in unterschiedlichen Vorgängen verschiedene Rollen: In der
Kutikula der sich entwickelnden Körperhülle der Fliege reguliert das
Protein die Dopamin-Konzentration. Dopamin wiederum wird zu dem
dunklen Farbstoff Melanin umgewandelt, welcher an der Ausbildung der
für normale Fliegen typischen dunklen Pigmentbereiche beteiligt ist.
Die Mutante "tan", der das Enzym fehlt, ist deswegen heller als ihre
Artgenossen.
... und Grundlage des Botenstoffs Histamin
Im Facettenauge von Drosophila ermöglicht Tan mit einer fast
identischen chemischen Reaktion die Freisetzung von Histamin aus einem
Vorläufermolekül. "Seine Funktion ist aber eine ganz andere: Histamin
fungiert als Neurotransmitter, der als Reaktion auf Lichtreize aus der
Umwelt von den Photorezeptorzellen im Auge als Botenstoff
ausgeschüttet wird", so Prof. Hovemann. Da dieser Vorgang
kontinuierlich und mit sehr hoher Geschwindigkeit abläuft, muss der
Körper das Histamin "recyceln": Da es nach Gebrauch inaktiviert wird
muss es anschließend wieder verfügbar gemacht werden. Die
Inaktivierung durch eine chemische Modifikation geschieht durch das
von der RUB-Arbeitsgruppe im Jahr 2003 charakterisierte Enzym "Ebony".
Die Aufgabe des Tan-Enzyms liegt dem derzeitigen Modell nach in der
Reaktivierung des Histamins durch die Abspaltung der von Ebony
geleisteten Modifikation. So sorgt Tan dafür, dass das Histamin wieder
zur Weiterleitung optischer Signale zur Verfügung steht. Fehlt das
Enzym, ist zu wenig Botenstoff verfügbar und die Wahrnehmung daher
gestört.
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Nachweis des Proteins in den
Photorezeptoren an Gewebeschnitten der Facettenaugen (A, B).
Elektrophysiologische Antwort von normalen (C) und mutanten
Fliegen (D) auf Lichtreize. |
Welches Gen das Enzym verschlüsselt
Die Arbeitsgruppe konnte das Gen tan erstmals identifizieren. "Die
biochemische Rolle des Proteins konnte zwar schon früh aus anderen
Untersuchungen abgeleitet werden; von welchem konkreten Gen dieses
Enzym verschlüsselt wird, war zuvor jedoch nicht bekannt", erklärt
Prof. Hovemann. Zum Zuge kam hier eine Kombination aus genetischen
Kreuzungsmethoden, elektrophysiologischen und molekularbiologischen
Analysetechniken sowie der Nutzung der öffentlich zugänglichen,
vollständigen Genomsequenz von Drosophila.
Kreislauf des Botenstoffs Histamin scheint geklärt
Im zweiten Teil der Arbeit gehen die Forscher auf die Rolle des
Tan-Enzyms ein. Nach Isolierung des Proteins konnten sie seine
chemische Aktivität untersuchen, indem sie die jeweiligen Vorstufen
von Dopamin und Histamin in der vermuteten Reaktion zugaben. Auf
chemisch-analytischem Wege konnten so die Endprodukte und damit auch
die chemischen Fähigkeiten des Proteins nachgewiesen werden. Die
physiologische Rolle von Tan im Kreislauf des Neurotransmitters
Histamin lässt sich durch Tests der Wahrnehmung optischer Signale
analysieren. "Dabei zeigte sich, dass die Sehfähigkeit von der
vorhandenen Menge an Tan-Protein und damit von der Menge an zur
Verfügung stehendem Neurotransmitter abhängt", so Prof. Hovemann. Die
Ergebnisse schließen eine bisherige Lücke im Wissen über die
Regulation der Pigmentierung und die optische Reizwahrnehmung bei
Drosophila.
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