Damit Zellen funktionieren, fressen sie sich permanent ein kleines bisschen selber auf. Was sie nicht mehr gebrauchen, wird geschluckt, verdaut – und dann nach Möglichkeit recycelt. Wie diese zelleigene Wiederaufbereitungsanlage arbeitet, hat der Japaner Yoshinori Ohsumi in den 90er-Jahren durch Experimente mit Hefezellen herausgefunden.

Für seine Erkenntnisse zu den Mechanismen der Autophagie – die in den Zellen von Homo sapiens kaum anders als bei der Bäckerhefe sind – wurde dem Wissenschaftler am Montag der diesjährige Nobelpreis für Medizin zugesprochen. Der Preis ist mit acht Millionen Schwedischen Kronen, rund 830.000 Euro, dotiert und wird traditionell am 10. Dezember, dem Todestag Alfred Nobels, überreicht.

Ernsthaft gerechnet hatte mit der Auszeichnung des japanischen Zellbiologen, der am Tokyo Institute of Technology arbeitet, kaum jemand. Das zeigte sich auch in Berlin beim „Nobel Viewing“ – einer Veranstaltung, bei der die Wissenschaftselite der Stadt die Liveübertragung aus Stockholm verfolgte. Die Organisatoren, der World Health Summit und die Berliner Medizinische Gesellschaft, hatten die anwesenden Forscher zuvor gebeten, Tipps abzugeben, wer in diesem Jahr das Rennen machen würde. Auf Ohsumi hatte keiner der Berliner gesetzt.

Für Hungerzeiten

Auch den Forscher selbst traf der Anruf aus Stockholm am späten Nachmittag seiner Zeit anscheinend ziemlich unvorbereitet: Ohsumi habe zunächst nur mit einem „Aaahhh...“ reagiert, berichtete Thomas Perlmann vom Nobelkomitee auf der Pressekonferenz am Montagvormittag im schwedischen Karolinska-Institut. Überrascht und sehr, sehr erfreut sei der Wissenschaftler gewesen.

Das Wort Autophagie kommt aus dem Griechischen und bedeutet tatsächlich nichts anderes, als dass sich Zellen selber aufessen. Dieser Selbst-Kannibalismus auf mikroskopisch kleiner Ebene ist in vielen Situationen überlebensnotwendig. Durch ihn stellen sich Zellen beispielsweise in Zeiten der Nahrungsknappheit selber Energie und Baustoffe bereit. Dringen bei einer Infektion Bakterien oder Viren in die Zellen ein, können sie sich mittels Autophagie wieder von ihnen befreien.

Funktioniert diese Wiederaufbereitungsanlage und damit auch die Selbsterneuerung der Zellen nicht, kann das leicht zu Krankheiten wie Krebs, Parkinson oder Alzheimer führen. Bei Parkinson und Alzheimer etwa gelingt es den Zellen dann nicht, schädliche Eiweißablagerungen, die das Gehirn nach und nach zerstören, abzubauen und zu entsorgen.

„Ohsumis Entdeckungen haben zu einem neuen Paradigma in unserem Verständnis darüber geführt, wie die Zelle ihre Inhalte recycelt“, heißt es in der Begründung des Nobelkomitees. Wenig sei über das Phänomen bekannt gewesen, bis der Wissenschaftler in einer Serie brillanter Experimente Gene identifiziert habe, die für die Autophagie unabdingbar seien.

Es ist nicht das erste Mal, dass ein Nobelpreis einem Forscher zugesprochen wird, der auf dem Gebiet der zellulären Müllbeseitigung arbeitet. Der belgische Wissenschaftler Christian de Duve erhielt im Jahr 1974 den Medizin-Nobelpreis für seine Entdeckung der Lysosomen. Das sind winzige Bläschen, in denen Enzyme vorhanden sind, die für den Abbau zelleigener Abfallstoffe – etwa größerer Proteinkomplexe oder auch ganzer Zellorganellen – gebraucht werden. Dreißig Jahre später, 2004, teilten sich drei Wissenschaftler aus Israel und den USA den Chemie-Nobelpreis für ihre Entdeckung, wie sich die Zelle mithilfe des Proteins Ubiquitin von kleineren, nicht mehr benötigten Eiweißstrukturen befreit.

Ohsumis Forschung baut auf all diesen Erkenntnissen auf. Der Biologe konnte zum ersten Mal zeigen, dass selbst so einfache Gebilde wie Hefezellen Autophagie betreiben – in ihrer Vakuole, einem Zellbestandteil, der den Lysosomen menschlicher Zellen entspricht. Ohsumi stellte genveränderte Hefezellen her, denen bestimmte für den Abbauprozess erforderliche Enzyme fehlten. Gleichzeitig initiierte er die Selbstverdauung, indem er die Zellen hungern ließ. Auf diese Weise sammelten sich in den Vakuolen innerhalb weniger Stunden so viele kleine Vesikel an, dass sie mikroskopisch sichtbar wurden.

Bei den Gebilden handelte es sich um sogenannte Autophagosomen, wie sie auch in menschlichen Zellen vorhanden sind. Mithilfe einer doppelten Membran können diese Zellorganellen zellulären Müll in ihr Inneres einschließen (siehe Grafik). Anschließend verschmelzen sie mit den enzymgefüllten Lysosomen. In den so entstehenden Autophagolysosomen werden die Abfallstoffe zersetzt und deren Bausteine zur Wiederverwertung bereitgestellt.

Ohsumi und seine Kollegen veröffentlichten ihre Ergebnisse im Jahr 1992 wenig spektakulär im Fachblatt Journal of Cell Biology, das nicht gerade zu den hochrangigsten Wissenschaftszeitschriften zählt. Entscheidender für die Erlangung des Nobelpreises waren ohnehin erst die nächsten Schritte: Der Forscher untersuchte im Anschluss an sein erstes Experiment Tausende genveränderter Hefezellen der Art Saccharomyces cerevisiae und konnte so 15 Erbanlagen ausmachen, die für die Autophagie unentbehrlich sind. Diese publizierte er nur ein Jahr später – erneut in einem eher wenig bekannten Journal.

Weltweite Aufmerksamkeit wurde dem Japaner erst zuteil, als nach und nach klar wurde, dass der von ihm erforschte Mechanismus beim Menschen nicht viel anders als bei der Hefe funktioniert – und er sowohl bereits bei der Embryogenese, also der Entstehung von neuem menschlichen Leben, als auch bei vielen altersbedingten Krankheiten eine zentrale Rolle spielt.

Dass Ohsumi den Preis für die Entdeckung der Autophagie-Mechanismen verdient hat, daran besteht unter Experten kein Zweifel. „Er war von Anfang an die treibende Kraft auf diesem Gebiet“, sagt Volker Haucke, Direktor des Leibniz-Instituts für Molekulare Pharmakologie in Berlin-Buch, der sich selbst mit der Autophagie beschäftigt.

Therapien in Sicht

Er kennt den japanischen Kollegen schon seit Jahren von Kongressen und beschreibt ihn als einen sehr bescheidenen Mann und einen exzellenten Grundlagenforscher, der seiner Zeit voraus gewesen sei. Der von Ohsumi in Hefezellen entdeckte Prozess sei von Fachkollegen zunächst eher als Skurrilität wahrgenommen worden, habe sich dann aber als fundamental für alle Organismen, Zellen und höheren Lebensformen erwiesen, sagt Haucke.

Der Berliner Forscher ist überzeugt, dass die Autophagie-Mechanismen neue Wege eröffnen, Krankheiten zu verstehen und zu behandeln. Vor allem bei neurodegenerativen Leiden wie Alzheimer und Parkinson sieht er große Chancen. „Im Alter wird die Autophagie vermutlich heruntergefahren, sodass große Eiweißaggregate nicht mehr abgebaut werden, was die Funktion der Zellen beeinträchtigt“, sagt Haucke.

Zurzeit setze man in der Forschung auf pharmakologische Substanzen, die die Müllabfuhr in den Zellen wieder ankurbeln. Das in Rotwein enthaltene Resveratrol sei dazu etwa in der Lage, aber auch sogenannte Polyamine wie Spermidin, das der Körper selbst herstellt. „Diese Substanzen könnten sich als Elixiere erweisen, die das Leben verlängern“, sagt der Biochemiker.

Erste Therapien, die das Autophagie-Prinzip nutzen, könnte es dem Forscher zufolge schon bald geben, weil Wirkstoffe wie Resveratrol und Spermidin natürliche Substanzen seien, die nicht der Zulassung bedürfen. Haucke: „Zuerst müssen wir das Autophagie-System aber genau verstehen und wissen, wie es reguliert wird.“ Vielleicht sind derartige Erkenntnisse eines Tages noch einmal einen Nobelpreis wert.

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Der Preisträger

Yoshinori Ohsumi wurde am 9. Februar 1945 im japanischen Fukuoka geboren. Er studierte in Tokio  Chemie, dann Molekularbiologie, die sich in den 1970er-Jahren gerade im Aufbruch befand.  An der Rockefeller University in New York arbeitete er bis 1977 als Post-Doktorand beim Molekularbiologen und Medizin-Nobelpreisträger Gerald Edelman.
An der Universität Tokio wurde er 1988 Assistenzprofessor.  Später folgten Stationen wie  Okazaki und Hayama, wo er als Professor lehrte und forschte, zuletzt seit 2009  als Ehrenprofessor am Tokyo Institute of Technology. Mit den Experimenten an Hefezellen, die ihm den Nobelpreis brachten, startete er in den frühen 90er-Jahren.