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6.3: Hefe Signalgebung 564
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PROTOKOLLE

6.3: Hefe Signalgebung 564

Überblick

Hefen bzw. Hefepilze sind einzellige Organismen. Im Gegensatz zu Bakterien sind sie allerdings Eukaryonten und besitzen einen Zellkern. Die Zellsignalisierung läuft in Hefen ähnlich wie bei anderen eukaryontischen Zellen ab. So heftet sich beispielsweise ein Ligand, also beispielsweise ein Protein, an einen Rezeptor der Zelloberfläche. Die Bindung stimuliert sekundäre Messenger-Kinasen. Diese sind Enzyme, welche spezifische Substrate phosphorylieren. So werden Transkriptionsfaktoren der Genexpression reguliert, aktiviert oder deaktiviert. Viele der intrazellulären Signalkaskaden der Hefe haben ähnliche Gegenstücke im Menschen. Das macht Hefepilze zu geeigneten Modellen für die Untersuchung von intrazellulären Signalübertragung beim Menschen.

Signalkaskaden treiben die Hefevermehrung an

Hefen gehören dem Pilzreich an. Sie nutzen Signalkaskaden zur Auslösung von verschiedenen Funktionen. Insbesondere werden sie im Zusammenhang mit der Fortpflanzung der Hefepilze genutzt. Hefen können sich unter Verwendung von Paarungshormonen, die Peptide sind, fortpflanzen. Peptide sind kurze Ketten von Aminosäuren. Hefekolonien bestehen sowohl aus diploiden als auch haploiden Zellen. Beide Zelltypen können sich der Mitose unterziehen. Nur diploide Zellen können sich jedoch der Meiose unterziehen. Wenn diploide Zellen eine Meiose durchlaufen, sind die vier entstehenden haploiden Zellen nicht identisch zueinander. Man bezeichnet sie als Sporen. Tatsächlich erzeugt die Teilung einer diploiden Zelle in vier Sporen zwei Geschlechter von Hefezellen, nämlich jeweils zwei Zellen des Typs MAT-a und MAT-alpha.

MAT-a Zellen schütten Paarungssignale aus, die Pheromone genannt werden und die MAT-alpha-Zellen anziehen und umgekehrt. Die sich paarenden Pheromone binden an G-Protein-gekoppelte Rezeptoren auf den Zellmembranen. Nach der Bindung initiiert das G-Protein eine Mitogen-aktivierte Protein (MAP)-Kinasekaskade. In dieser Signalkaskade phosphoryliert ein Mitglied der MAP-Kinase-Proteinfamilie spezifisch eine andere MAP-Kinase, die wiederum eine andere phosphoryliert. Dieser Prozess läuft sich wiederholend fort. Die Kinasen phosphorylieren schließlich Transkriptionsfaktoren, welche die Expression von fast 200 Genen verändern. So wird die Zelle für die Paarung empfänglich gemacht. Diese Veränderungen bewirken eine Verlängerung der Zellmembran und des Cytoplasmas in Richtung des Pheromons. Diese Dehnung wird als „Shmooing“, bezeichnet und folgt dem Pheromonkonzentrationsgradienten, bis sie sich die Zelle mit ihrem Partner verbindet. Die beiden Hefezellen verschmelzen und kombinieren ihre Chromosomen zu einer einzigen diploiden Zelle.

Quorum-Signaling in Hefen

Selbst wenn Hefen viele zelluläre Signalgeber verwenden, die den Signalmechanismen in komplexeren mehrzelligen Organismen ähneln, sind Hefen immer noch einzelne Zellen. Es sind Einzeller, die ähnlich wie Bakterien in Kolonien leben. Wie Bakterien nutzen auch die Hefepilze Quorum Sensin-Signale zwischen Zellen und teilweise sogar zwischen ganzen Kolonien. Bei einer hohen Zelldichte beginnen die Hefen, ein Quorum-Signal zu produzieren. Dieses Signal aggregiert die einzelnen Zellen zu ganzen Kolonien. Es können Subkolonien entstehen, welche spezialisierte Funktionen aufweisen. Quorum-Signale müssen nicht aus komplexen Molekülen wie z.B. Proteinen bestehen. Hefen können beispielsweise Ammoniak produzieren, was eine niedermolekulare Verbindung ist und in diesem Fall als Quorum-Signal fungiert. Es teilt Hefezellen in Zonen der Lebensfähigkeit und Zonen der Apoptose (programmierter Zelltod). An den Rändern einer Kolonie, wo Ammoniak am wenigsten konzentriert ist, vermehren sich die Zellen. Wenn genügend Ammoniak produziert wird, kann es das Wachstum der gesamten Kolonie sowie das Wachstum benachbarter Kolonien hemmen.

Hefepilze können menschliches Gewebe befallen

Hefeinfektionen beim Menschen umfassen Soor (wo sich schmerzhafte weiße Flecken im Mund bilden), Candida-Ösophagitis (Soor, der sich in die Speiseröhre ausbreitet), vaginale Hefeinfektionen (die vaginale Schmerzen, Juckreiz und Brennen verursachen), Hautjucken und Hautausschläge. Hierzu gehört beispielsweise auch der bekannte Sportlerfuß (Tinea pedis) und viele weitere. Die gefährlichste Form der Hefepilzinfektion tritt auf, wenn der Pilz in die Blutbahn eindringt (Fungämie). Dies ist für den menschlichen Körper lebensbedrohlich. Alle Pilzinfektionen breiten sich aus, wenn die Pilze wachsen und sich gegenseitig wie oben beschrieben gegenseitig Signale aussenden.


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