Hefezellen nutzen Glukose, eine Zuckerart, zur Energiegewinnung und als Signalstoff. Nehmen sie Glukose auf, beeinflusst das ihren pH-Wert, der anzeigt, ob etwas sauer oder basisch ist. Je höher der pH-Wert ist, desto basischer ist das Zellinnere. Die Forschergruppe von Matthias Peter, Professor für Biochemie an der ETH Zürich, fand nun heraus, dass ein hoher pH-Wert Zellen den entscheidenden Impuls zum Wachsen gibt. Fütterten sie Hefezellen mit Glukose, stieg der pH-Wert im Zellinneren an. Das wird von einem Sensorprotein registriert, welches die Zellteilung anregt.

Schlemmen oder darben

In ihren Versuchen gaben die Forscher Hefezellen abwechselnd viel Glukose und entzogen sie ihnen wieder. Nach Zugabe des Zuckers stieg ihr pH-Wert innerhalb weniger Minuten an. Mussten sie hungern, fiel ihr pH-Wert genauso schnell wieder ab.

Glukoseschwankungen beeinflussen aber nicht nur den pH-Wert. Ein Sensorprotein im Inneren der Hefezelle reagiert ebenfalls darauf. Nur wenn viel Glukose vorhanden ist, wird es aktiv. Bei wenig stellt es seine Funktion ein. Die Forscher vermuteten daher einen Zusammenhang zwischen Sensorprotein und pH-Wert.

Den Beweis dafür brachte ein Experiment, bei dem sie den Hefezellen Zucker gaben, gleichzeitig aber ihren pH-Wert künstlich niedrig hielten. Obwohl die Zellen Nahrung im Überfluss hatten, machten sie keine Anstalten zu wachsen. In die Irre geführt hatte sie das Sensorprotein: Es hatte den niedrigen pH-Wert als Nahrungsmangel interpretiert und war inaktiv geblieben.

Überraschende Sensorfunktion

Obwohl schon länger bekannt ist, dass das Sensorprotein, die V-ATPase, auf den Glukosegehalt reagiert, überrascht ihre Funktion als pH-Sensor. Bislang wusste man nur, dass sie eine Rolle bei Verdauungsprozessen der Hefezelle spielt. Wie sie ihre Zusatzfunktion ausübt, darüber rätseln die Forscher noch. Reinhard Dechant, Postdoktorand am Institut für Biochemie, vermutet, dass sie mit der Verdauung zusammenhängen könnte. Durch die Aktivität der V-ATPase wird möglicherweise ein noch nicht identifizierter Faktor aus der Vakuole, dem «Verdauungsorgan» der Hefezelle, freigesetzt. Dieser Faktor könnte dann das Wachstumssignal übertragen.

Effiziente Nutzung

Der pH-Wert könnte gemäss Dechant ein universelles Wachstumssignal für Zellen sein. Denn nicht nur Hefezellen, sondern auch die von ihm untersuchten Zellen der Bauchspeicheldrüse wachsen bei erhöhtem pH-Wert. Umgekehrt ist der pH-Wert von sich teilenden Zellen höher als der von ruhenden Zellen. Das wurde beispielsweise bei Tumorzellen festgestellt, die sich viel schneller teilen als gesunde Zellen.

In welcher Weise pH-Wert und Wachstum zusammenhängen, ist noch nicht vollständig geklärt. «Wir wissen nicht, was Ursache und was Wirkung ist», schränkt Dechant ein. Für die Zellen hätte der Mechanismus einen grossen Vorteil: Statt jeden Nährstoff einzeln aufspüren zu müssen, könnten sie über den pH-Wert die Verwertung unterschiedlicher Nährstoffe messen.

Literaturhinweis:

Reinhard Dechant, Matteo Binda, Sung Sik Lee, Serge Pelet, Joris Winderickx, Matthias Peter. Cytosolic pH is a second messenger for glucose and regulates the PKA pathway through V-ATPase. The EMBO Journal (2010), 1-12. Published online: 25. Juni 2010. doi: 10.1038/emboj.2010.138