Im soeben erschienenen Sonderband „Metal Metabolism in Animals“ des International Journal of Molecular Sciences versammelt der Zoologe Reinhard Dallinger international führende Forscherinnen und Forscher aus der aufstrebenden Disziplin der „Metallomics“. Diese relativ junge und in hohem Maße interdisziplinäre Fachrichtung untersucht Interaktionen, Transformationen und Funktionen von Metallen in biologischen Systemen. Die insgesamt zwölf Beiträge aus Molekularbiologie, Bioinformatik, Zoologie, Medizin, Physiologie und Ökotoxikologie zeigen, wie umfassend und vielfältig die Wechselwirkungen von Metallen mit organischen Molekülen im Zellstoffwechsel sind.
Diese Schlüsselrolle metallhaltiger Biomoleküle erklärt Dallinger so: „Proteine und andere Bio-Moleküle sind in Lebensprozessen häufig nicht die allein treibenden Kräfte. Es sind vielfach auch Metall-Ionen, die an Biomoleküle angelagert sind. Metalle als Co-Faktoren verleihen den Proteinen zusätzliche Eigenschaften, die diese für sich alleine nicht besitzen würden“. Beispiele dafür sind unter anderem zahlreiche enzymatische Reaktionen in der Zelle, die ohne Metalle nicht möglich sind. Auch in pathologischen Abläufen, wie bei bestimmten Stoffwechselerkrankungen (z.B. Morbus Wilson) sowie Allergien (z.B. Nickelallergie) sind Metalloproteine von zentraler Bedeutung. Die Metallomics liefern daher auch Ansatzpunkte für neue Diagnose- und Therapiemöglichkeiten.
„Metallomics“: Junge Disziplin entschlüsselt Lebensprozesse
50 bis 60 Prozent aller Proteine gelten laut aktuellem Forschungsstand als „Metalloproteine“, also als metallhaltige Eiweißkomplexe. Schließlich werden etwa 80 Prozent der Elemente unseres Periodensystems als Metalle klassifiziert. Aufgrund deren natürlicher Häufigkeit sowie Verfügbarkeit in der Erdkruste werden beispielsweise oftmals Eisen-, Zink- oder Kupfer-Ionen in Metalloproteine eingebaut. Eine der großen noch weitgehend offenen Forschungsfragen ist in diesem Kontext allerdings, wie die richtigen Metalle zur richtigen Zeit an das richtige Protein gelangen. Warum? „Weil trotz des enormen Bedarfs an diversen Metall-Ionen deren freie Verfügbarkeit im Cytoplasma im niedrigsten Konzentrationsbereich liegt“, betont Dallinger. Dieser Zustand könne nur dank komplexer Transport- und Signalwege aufrecht erhalten werden, in die zahllose Metall-bindende Biomoleküle involviert seien.
„Exakt dazu bedarf es spezifischer Anpassungen der Makromoleküle an die Chemie der Metalle“, sagt der Wissenschaftler. Bereits sehr geringe Konzentrationen von Kupfer, Zink, Eisen und anderen Metallen spielen bei der Regulation intrazellulärer Abläufe eine wichtige Rolle. Andererseits können zu hohe Konzentrationen lebenswichtiger oder anderer Metalle in der Umwelt dazu führen, dass diese unkontrolliert in die Zellen gelangen und dort toxische Reaktionen auslösen, indem sie beispielsweise von unerwünschten Bindungspartnern aufgenommen werden oder andere, essentielle Metallionen von ihren Bindungsstellen verdrängen.
Zwei laufende FWF-Projekte
Dallingers Arbeitsgruppe für „Ökotoxikologie und Molekulare Physiologie“ liefert seit langen Jahren international anerkannte Beiträge zum verbesserten Verständnis des tierischen Metallstoffwechsels. Aktuell erforscht das Team im Zuge zweier vom österreichischen Wissenschaftsfonds FWF geförderter Projekte einerseits die Evolution der Struktur von Metallothioneinen bei Schnecken, andererseits jene Mechanismen, durch die es bei Einwirkung von Stressfaktoren zur Expression von Metallothionein-Genen bei dieser Tierklasse kommt. Metallothioneine sind als eine spezielle Familie von Metalloproteinen im gesamten Tierreich verbreitet. Sie enthalten besonders viele Aminosäuren mit Schwefelatomen (so genannte „Cysteine“). Diese können Metalle binden. Auch der Mensch verfügt – etwa in der Leber, der Niere oder im Nervensystem – über Metallothioneine. „Diese Proteine binden nicht nur toxische Schwermetalle wie Cadmium, Quecksilber und Silber, sondern sie binden auch die für Menschen und Tiere lebenswichtigen Metalle Zink und Kupfer“, sagt der Wissenschaftler.
Das Besondere an Landschnecken ist allerdings, dass sie im Gegensatz zu den meisten anderen Tieren mithilfe Metall-selektiver Metallothionein-Varianten (so genannter „Isoformen“) unterschiedliche Metalle – wie Cadmium und Kupfer – spezifisch binden und entgiften, bzw. deren Verfügbarkeit regulieren können. Der Schlüssel zu dieser Fähigkeit liegt in der besonderen evolutionären Anpassung der Metallothioneine in dieser Tiergruppe. Diese Anpassung hat dazu geführt, dass eine Metallothionein-Isoform aufgrund ihrer Aminosäurenstruktur selektiv Cadmium-Ionen bindet und entgiftet, eine zweite hingegen nur Kupfer-Ionen zum Zweck ihrer Regulation. Infolgedessen werden die beiden mitunter negativ interagierenden Metalle bei diesen Tieren über strikt getrennte Stoffwechselwege geführt.
Die Grundlagen für derartige Spezifitäten zu untersuchen, kann prinzipiell dazu beitragen, die Voraussetzungen für die Bindung von Metall-Ionen an Metalloproteine und deren Rolle besser zu verstehen“, so Dallinger. Aufgrund der großen, wissenschaftlichen Fortschritte unter anderem in Molekularbiologie, analytischer Chemie, Biochemie, Physiologie und Genetik kann die junge Disziplin der „Metallomics“ Stoffwechselwege metallhältiger Proteine gezielt erforschen und damit besser verstehen. Die in der Sonderausgabe des International Journal of Molecular Sciences gesammelten Beiträge vermitteln einen Einblick in die Diversität dieser Forschungsrichtung.
(Gabriele Rampl)