Diphthamid ist eine Achillesferse, die sowohl Pflanzen als auch Tiere teilen

Das Biomolekül Diphthamid ist für die ordnungsgemäße Bildung von Proteinen in Zellen unerlässlich. Bei der Infektion des Menschen mit Diphtherie wird Diphthamid durch das Diphtherie-Toxin so verändert, dass lebensbedrohliche Komplikationen als Folge einer gestörten Proteinbildung auftreten können. Bisher war Diphthamid nur in Tieren und Pilzen bekannt. Ein Forscherteam um Professorin Ute Krämer, Inhaberin des Lehrstuhls für Molekulare Genetik und Physiologie der Pflanzen an der Ruhr-Universität Bochum, hat nun gezeigt, dass das Biomolekül auch in Pflanzen vorkommt. Die Forscher zeigten auch, dass seine Bildung durch bestimmte Umweltfaktoren beeinflusst werden kann. Dies wurde in der Zeitschrift veröffentlicht Naturkommunikation am 11. Juli 2022.

Die Studie wurde in der Abteilung von Ute Krämer unter Beteiligung der Forschungsgruppe von Professor Raffael Schaffrath an der Universität Kassel und Professor Lorenz Adrian an der Technischen Universität Berlin sowie anderer Forschungsgruppen in Deutschland durchgeführt.

Pflanzen ohne Diphthamid wachsen weniger

Das Biomolekül Diphthamid ist eine natürliche Modifikation des sogenannten Elongationsfaktor-2-Proteins vieler Organismen. Dieses Protein gehört zu den Bausteinen, die für den Aufbau aller Proteine ​​in der Zelle verantwortlich sind. „Diese Modifikation ist seit langem als Angriffspunkt des Diphtherie-Toxins bekannt, das bei Diphtherie-Infizierten lebensbedrohliche Komplikationen verursachen kann, indem es die zelluläre Synthese von Proteinen verhindert“, erklärt Ute Krämer. „Bakterienbedingte Diphtherie-Infektionen sind seit der Antike dokumentiert und bis ins 19. Jahrhundert, bevor ein Impfstoff entwickelt wurde, sehr gefürchtet.“

Bislang war Diphthamid nur in tierischen Organismen und Bäckerhefe identifiziert und eingehend untersucht worden – als Modellorganismus für die medizinische Forschung. Das Team von Ute Krämer hat nun gezeigt, dass Diphthamid auch in Pflanzen gebildet wird und eine wichtige Funktion erfüllt: Fehlt der Pflanze die Fähigkeit, Diphthamid zu bilden, kommt es zu einer erhöhten Fehlerquote bei der Proteinbiosynthese. Darüber hinaus wird das Pflanzenwachstum aufgrund einer verminderten Zellteilung reduziert. Mehrere zusätzliche Veränderungen in zentralen zellulären Regulationsprozessen könnten zur Verursachung der Wachstumseinschränkung beitragen.

Stress beeinflusst die Diphthamidbildung

Auch in Pflanzen findet den Ergebnissen der Studie zufolge der wesentliche Initialschritt der von Säugetieren und Hefen bekannten Biosynthese von Diphthamid statt. Folglich ist es wahrscheinlich, dass dies auch für die nachfolgenden Schritte zu dem jetzt in Pflanzen nachgewiesenen Diphthamid der Fall ist. „Völlig neu ist jedoch, dass nicht nur Gendefekte zu einem Verlust von Diphthamid führen können“, erklärt Ute Krämer. „Umweltstress, insbesondere ein Überschuss des Nährstoff-Spurenelements Kupfer oder des Umweltgifts Cadmium, hemmt auch die Diphthamidbildung in Pflanzen.“

Bei erhöhten Kupferkonzentrationen zeigten auch menschliche Zellen einen Diphthamidmangel. Diese Ergebnisse identifizieren einen neuen Faktor, der die Wachstumsraten von Pflanzen beeinflusst, und sie könnten auch zu einem besseren Verständnis der Entstehung von Krankheiten beitragen. „Nun muss untersucht werden, ob auch Pflanzenpathogene Diphthamid als Achillesferse nutzen – so wie der Diphtherie-Erreger beim Menschen“, sagt Ute Krämer.