Das Toxin-Antitoxin-System

Die meisten Bakterien, die unsere Umwelt besiedeln, stellen für uns Menschen keinerlei Bedrohung dar. Eine geringe Zahl zusätzlicher bakterieller Gene reicht jedoch aus, um einen harmlosen Einzeller in einen gefährlichen, Antibiotika-resistenten Krankheitserreger zu verwandeln. Die Mehrheit dieser „Virulenzfaktoren“ wird durch so genannte mobile genetische Elemente (MGE) von Bakterium zu Bakterium übertragen. Dieser Austausch von Genen kann selbst zwischen entwicklungsgeschichtlich sehr weit entfernten Arten stattfinden und ist einer der Hauptgründe für die rasante Entstehung neuer multiresistenter Keime.

Für diese neugewonnen Vorteile gehen die Bakterien jedoch meist einen Pakt mit dem Teufel ein. Denn da die MGE von instabiler Natur sind und ständig Gefahr laufen, beispielsweise während der Zellteilung aus dem bakteriellen Genom entfernt zu werden, beherbergen sie neben den Virulenz- und Resistenzgenen auch Toxin-Antitoxin-Systeme. Diese kleinen DNA-Abschnitte bestehen aus nur zwei Genen, die eine fatale Abhängigkeit erzeugen: Einmal Teil des bakteriellen Erbguts, beginnt das Bakterium die beiden Genprodukte des TA-Systems herzustellen.

Dabei entsteht einerseits ein stark toxisches Protein („Toxin“), welches die Zelle von innen zu vergiften droht, andererseits aber auch ein „Antitoxin“, welches das Toxin durch Bindung neutralisiert. Durch die Anwesenheit des Antitoxins kann ein Bakterium nach Aufnahme eines Toxin-/Antitoxin-Systems daher zunächst scheinbar unbehelligt weiterexistieren. Perfiderweise werden die Antitoxin-Moleküle jedoch schneller von zellulären Abbaumechanismen zerstört als das Toxin. Dadurch ist die Zelle auf eine ständige Neusynthese des Gegengifts angewiesen, um der Vergiftung durch die Toxine zu entgehen. Verliert nun eine Zelle das mobile genetische Element mit dem Toxin-/Antitoxin-System, wird die Produktion des Antitoxins unterbunden. Dadurch wird das Toxin freigesetzt und es kommt zum „programmierten“ Zelltod des Bakteriums. Übrig bleiben nur die Zellen, die mobile genetische Elemente mit dem Toxin-/Antitoxin-System besitzen.

Durch diesen Selektionsmechanismus können die mobilen genetischen Elemente verhindern, dass sie aus dem Erbgut verschwinden, auch wenn die Bakterien nicht durch ein Antibiotikum bedroht werden. Auch in Abwesenheit eines entsprechenden Selektionsdrucks bleiben sie – und damit auch etwaige Resistenz-Gene – erhalten, obwohl sie für die Zellen eine potenzielle Gefahr darstellen. Toxin-/Antitoxin-Systeme haben folglich einerseits das Potenzial, Bakterien abzutöten, andererseits können sie aber auch für die Stabilisierung von Resistenzen verantwortlich sein – Grund genug für die Antibiotika-Forschung, sie in den Fokus weiterer Untersuchungen zu rücken.

In letzter Zeit mehren sich auch Hinweise darauf, dass Toxin-/Antitoxin-Systeme noch einen weiteren Vorteil bringen und im Laufe der bakteriellen Evolution weitere Funktionen übernommen haben. Droht einer bakteriellen Population beispielsweise der Hungertod, scheinen manche TA Systeme den "altruistischen" Tod einer Subpopulation zu bewirken, um durch die Freisetzung ihrer Nährstoffe das Überleben der bakteriellen Gesamtpopulation zu gewährleisten.

AM/HR

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