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| Dr. Oliver Rauh bei elektrophysiologischen Messungen im Labor in Rheinbach. Foto: Eric Lichtenscheidt/H-BRS |
Viren als Baumeister komplexer Proteine: PNAS-Studie zum Ursprung der Tandem-Kaliumkanäle
Forschende der TU Darmstadt und der Hochschule Bonn-Rhein-Sieg haben gemeinsam mit internationalen Partnerinnen und Partnern in einem Algenvirus ein Gen für einen Tandem-Kaliumkanal entdeckt. Der Fund stützt die Annahme, dass Riesenviren wesentlich zur Evolution komplexer Proteine beigetragen haben. Die Ergebnisse sind in der Fachzeitschrift „Proceedings of the National Academy of Sciences“ (PNAS) erschienen.
Dass selbst auf den ersten Blick unbedeutsam erscheinende Phänomene das Potential für große wissenschaftliche Entdeckungen und technische Entwicklungen in sich tragen, zeigte unlängst die Vergabe des Medizinnobelpreises: Die ausgezeichneten Forscher wollten verstehen, wie es Grünalgen möglich ist, sich in kürzester Zeit zum Licht zu orientieren. Dabei entdeckten sie eine Klasse von bis dahin unbekannten Ionenkanälen, die direkt durch Licht gesteuert werden, und begründeten damit die Optogenetik, die es nun Forschenden weltweit ermöglicht, die Komplexität des Gehirns zu entschlüsseln. Ionenkanäle sind Proteine, die in biologische Membranen eingebettet sind und deren Durchlässigkeit für elektrisch geladene Teilchen (Ionen) ermöglichen.
In einem neu erschienenen Artikel in PNAS berichtet nun ein internationales Team unter Beteiligung von Forschenden des Fachbereichs Biologie der TU Darmstadt und des Fachbereichs Angewandte Naturwissenschaften der Hochschule Bonn-Rhein-Sieg (H-BRS), dass nicht nur Grünalgen, sondern auch Viren, die diese Grünalgen infizieren, Quelle interessanter Proteine sein können. Bei der Untersuchung des Erbguts eines riesigen Mimi-Virus, das marine Grünalgen der Spezies Pyramimonas orientalis befällt, entdeckten die Wissenschaftler ein Gen, das den Bauplan für einen sogenannten Tandem-Kaliumkanal bereitstellt.
Tandem-Kaliumkanäle erfüllen in Physiologie des Menschen wichtige Funktion
Tandem-Kaliumkanäle gehören zu den Ionenkanälen. Ionenkanäle sind wesentlich an einer großen Zahl von Zell- und Körperfunktionen beteiligt, zu denen unter anderem die Aufrechterhaltung des Salz- und Wasserhaushalts, die Empfindung von Wärme und Schmerzen sowie die Erzeugung von Aktionspotentialen in Nervenzellen gehören. Aufgrund der Fähigkeit von Tandem-Kaliumkanälen, Kaliumionen (K+) durch Zellmembranen zu leiten, erfüllen sie in der Physiologie des Menschen wichtige Funktionen. Sie stabilisieren beispielsweise das elektrische Membranpotential und regeln so die elektrische Erregbarkeit von Nervenzellen.
In ihrer Struktur weisen Tandem-Kaliumkanäle gegenüber allen anderen Kaliumkanälen eine Besonderheit auf: Während Kaliumkanäle üblicherweise aus vier identischen Untereinheiten bestehen, die gemeinsam die K+-durchlässige Pore bilden, sind im Falle der Tandem-Kaliumkanäle jeweils zwei der vier porenbildenden Untereinheiten direkt miteinander verbunden. Aus dieser tandemartigen Verbindung der Untereinheiten leitet sich ihr Name ab.
H-BRS-Forschende stellten das Protein im Reagenzglas her
Anders als für alle anderen Typen von Kaliumkanälen gibt es für die Tandem-Kaliumkanäle keine Vorläufer in Bakterien, was in der Vergangenheit Fragen bezüglich ihres evolutionären Ursprungs aufgeworfen hat. Um die Funktion des neu entdeckten Tandem-Kanals zu untersuchen, stellten Dr. Oliver Rauh und Jonas Toews von der H-BRS das Protein im Reagenzglas her und bauten es in künstliche Lipidmembranen ein. Dies erlaubte es ihnen, die Eigenschaften des Ionenkanals, genauer gesagt den Fluss von Ionen durch die Kanalpore, mit Hilfe elektrischer Messungen zu studieren. „Unsere Experimente belegen, dass dieses Gen für ein Protein mit den funktionellen Eigenschaften eines Kaliumkanals kodiert“, berichtet Dr. Oliver Rauh, der als Wissenschaftler im DFG-Forschungsverbund „CytoTransport“ an der H-BRS arbeitet.
Verblüffende Entdeckung: Gen scheint viralen Ursprung zu sein
Die Autoren der Studie haben darüber hinaus die Verwandtschaftsbeziehungen zwischen dem neu entdeckten Virus-Kanal und bereits bekannten Tandem-Kaliumkanälen untersucht und dabei eine verblüffende Entdeckung gemacht: Anders als für die meisten Virus-Gene angenommen, ist das neu entdeckte Kaliumkanal-Gen nicht durch Diebstahl aus dem Erbgut des Wirts im Virusgenom gelandet. Vielmehr scheint das Gen viralen Ursprungs zu sein. „Dieser Befund unterstreicht einmal mehr eine neue Sichtweise, nach der die riesigen Mimi-Viren, zu denen das genannte Virus zählt, eine zentrale Rolle in der Evolution von Proteinen höherer Organismen gespielt haben“, betont Professor Gerhard Thiel vom Fachbereich Biologie der TU Darmstadt.
Die Ergebnisse der Studie unterstreichen ferner, dass diese Viren reichhaltige Quellen für sehr interessante Proteine sind. So wurde in demselben Virus von anderen Forschenden bereits ein lichtgesteuerter Ionenkanal entdeckt, der ebenso wie die aus Grünalgen stammenden Ionenkanäle für optogenetische Anwendungen verwendet wird.
Proteine viralen Ursprungs, so wie der neu entdeckte Tandem-Kaliumkanal, stellen darüber hinaus häufig deutlich einfacher aufgebaute und dadurch kleinere Versionen ihrer eukaryotischen Verwandten dar. Aufgrund dieses minimalistischen Aufbaus sind virale Proteine besonders gut als Bausteine für das gezielte Design von Proteinen mit ganz neuen Eigenschaften geeignet, so die Autoren.
Publikation:
Oliver Rauh, Sebastian Mach, Oliver Clarke, Jonas Toews, James L. Van Etten, Mike Althaus, Anna Moroni and Gerhard Thiel: A functional two-pore-domain K+ channel from a large DNA virus. In: Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), October 23, 2026, DOI: 10.1073/pnas.2626158123
www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2626158123
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