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Überaktive Ras-Proteine zügeln

08.04.2002
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Krebstherapie

Überaktive Ras-Proteine zügeln

von Christina Hohmann, Berlin

Farnesyltransferase-Inhibitoren könnten zu den neuen Hoffnungsträgern in der Krebstherapie avancieren. Sie hemmen die Produktion von Ras-Proteinen, die durch eine genetische Veränderung ständig aktiv sind und so für die Entstehung vieler Tumoren verantwortlich sind.

Die Krebsentstehung beruht meist auf Mutationen in drei Arten von Genen: den (Proto-)Onkogenen, den Tumorsuppressorgenen oder Genen der DNA-Replikation, Reparatur und der Zellzykluskontrolle. Ein neuer Ansatz in der Krebstherapie versucht, gegen die molekularbiologischen Mechanismen, die der Kanzerogenese zu Grunde liegen, anzugehen. Meist führt die Mutation eines Gens zum vollständigen Funktionsverlust des entsprechenden Proteins ("loss of function"). Für eine medikamentöse Therapie sind diese veränderten Proteine ein schlechtes Angriffsziel, da die zerstörte Funktion nicht einfach durch Zuführen von kleinen Molekülen wiederhergestellt werden kann. Einen besseren Angriffspunkt bilden dagegen Proteine, bei denen eine Mutation zu einem unkontrollierten Funktionsgewinn ("gain of function") führt, wie etwa bei den (Proto-)Onkogenen. Sie bleiben durch die Mutation ständig aktiv. Durch klassische Screeningverfahren kann man Moleküle suchen, die diese unkontrolliert aktiven Proteine hemmen.

Besonders geeignete Kandidaten für eine solche Therapie sind die Ras-Proteine, da sie die am häufigsten mutierten Gene in menschlichen Tumoren sind. In 20 bis 30 Prozent der humanen Karzinomen, vor allem in Pankreas, Colon und Bronchien, sind veränderte Ras-Gene zu finden.

Insgesamt sind in menschlichen Zellen bisher drei verschiedene Ras-(Proto-)Onkogene bekannt: Harvey-, Kirsten- und N-Ras. Die von ihnen codierten Proteine besitzen einen identischen N-Terminus der Aminosäurekette, unterscheiden sich aber in ihrem C-Terminus. Eine Mutation in jedem der drei Ras-Gene kann zur Krebsentstehung führen. Mit Abstand am häufigsten ist allerdings das Kirsten-Ras-Gen verändert. Die beiden anderen Typen sind eher selten betroffen.

Welche physiologische Funktion haben aber die Ras-Proteine? Sie sind als GTP-bindende Proteine Teil eines Signaltransduktionsweges, der Zellwachstum, Differenzierung und weitere zelluläre Prozesse reguliert. Normalerweise liegt das Ras-Protein in inaktiver Form an Guanosindiphosphat (GDP) gebunden an der Innenseite der Zellmembran vor. Bei einem externen Signal - zum Beispiel wenn ein Wachstumsfaktor an den transmembranen Rezeptor bindet - wird das gebundene GDP gegen GTP (Guanosintriphosphat) ausgetauscht. Dadurch nimmt das Ras-Protein seine aktive GTP-bindende Form ein und löst verschiedene Prozesse aus. Danach schalten sich die Ras-Proteine selbst wieder aus: Sie besitzen eine GTPase-Aktivität, mit der sie GTP zu GDP hydrolysieren und sich somit selbst inaktivieren. Dabei unterstützt das GTPase activating Protein (GAP) die schwache GTPase-Funktion von Ras.

Beim Wildtyp-Ras-Protein ist eine ständige Stimulation durch extrazelluläre Signale nötig, um das Protein in der aktiven Form zu halten. Bei einer Mutation verliert das Protein seine GTPase-Aktivität, vermutlich durch eine gestörte Wechselwirkung mit GAP, wodurch es GTP nicht mehr zu GDP hydrolysieren kann und somit kontinuierlich angeschaltet bleibt. Daher stimuliert es fortwährend die Proliferation, was zu einer Tumorentstehung führt.

Die Reifung unterdrücken

Die verlorene GTPase-Funktion durch eine Therapie wiederherzustellen ist äußerst schwierig. Ein besserer Ansatz dagegen ist, die überaktiven Ras-Proteine zu hemmen. Die Suche nach solchen Inhibitoren, die schon in den 80er-Jahren begann, war aber wenig erfolgreich. Daher konzentrierte die Forschung sich auf einen anderen Aspekt der Ras-Physiologie: Die Proteine entstehen im Cytoplasma als unreife Vorstufen, so genannte Propeptide, die noch chemisch verändert werden müssen, bevor sie an die Innenseite der Membran gelangen und ihre Funktion erfüllen können. Diese posttranslationale Modifikation betrifft den C-Terminus des Ras-Propeptids (Pro-Ras), vor allem die letzten vier Aminosäuren, die so genannte CAAX-Box. Dabei steht C für Cystein, A für eine aliphatische Aminosäure und X für eine beliebige Aminosäure. An dieser CAAX-Box finden mindestens drei chemische Reaktionen statt. Zuerst überträgt das Enzym Farnesyltransferase (FTase) einen Isoprenylrest von Farnesyldiphosphat (FDP) auf die Seitenkette des Cysteins. Dann werden die drei endständigen Aminosäuren (AAX) abgespalten. Anschließend wird das nun den C-Terminus bildende Cystein methyliert.

Der erste ist auch der wichtigste Schritt in dieser posttranslationalen Modifikation. Wenn dieser Prozess durch FTase-Inhibitoren unterdrückt wird, reifen keine die Tumorentstehung vorantreibenden Ras-Proteine mehr heran. Die Identifizierung der Farnesyltransferase im Jahre 1990 erleichterte die Suche nach geeigneten Substanzen erheblich.

Einteilung der Inhibitoren

Eine ganze Reihe von FTase-Inhibitoren sind bereits bekannt. Sie werden nach ihrer Struktur verschiedenen Typen zugeordnet: Bei den Peptidomimetika handelt es sich um Tetrapeptide, die die CAAT-Box nachahmen und somit als Pseudosubstrat für die Farnesyltransferase dienen. Einige sehr effektive und selektive Inhibitoren gehören zu dieser Gruppe.

Die FDP-Analoga gleichen strukturell dem Substrat Farnesyldiphosphat, das die Isoprenylgruppe für die Reaktion liefert. In vitro waren diese Substanzen wirksam, in Tiermodellen zeigten sie allerdings keinen antineoplastischen Effekt. Eine weitere Gruppe von FTase-Inhibitoren, die Bisubstratanaloga, basieren auf der Theorie, dass sich vor der Katalyse ein Komplex aus Enzym sowie den beiden Substraten (CAAX-Box und FDP) bildet. Diese Inhibitoren enthalten daher strukturelle Elemente aus beiden Substraten und sind besonders potent. Daneben gibt es noch weitere Substanzen, die keiner bestimmten Gruppe von FTase-Inhibitoren angehören. So ist zum Beispiel das trizyklische Lonafarnib (SarasarTM) in vitro und in vivo in Tumorzellen aktiv. Und auch der nonpeptidische Wirkstoff R11577 zeigte eine deutliche antineoplastische Wirkung in verschiedenen Tumorzelllinien.

Weniger gut untersucht als die Aktivität der verschiedenen Inhibitoren ist ihre Zytotoxizität. Mindestens 18 Proteine werden in Säugetierzellen in der posttranslationalen Modifikation farnelysiert. Eine Blockade der FTase verhindert also auch ihre Reifung, was nicht ohne Konsequenzen für die Zelle bleibt.

Erste klinische Studien

Mindesten vier FTase-Inhibitoren befinden sich in der klinischen Prüfung. Als erste Substanz wurde R11577 in einer Phase-I-Studie eingesetzt. Patienten mit soliden Tumoren erhielten den Wirkstoff zweimal täglich über fünf Tage alle zwei Wochen. Die dosislimitierenden Toxizitäten der Substanz waren Neuropathie und chronische Müdigkeit.

Der peptidomimetische Inhibitor L-774,123 ist nur parenteral zu applizieren. Bei einer kontinuierlichen Infusion über sieben Tage alle drei Wochen litten die Patienten unter Schwindel, Erbrechen und chronische Müdigkeit. Des weiteren befindet sich die Substanz BMS-214662 in der klinischen Prüfung, allerdings erst in einer frühen Phase.

Besser untersucht ist dagegen Lonafarnib (SCH66336). In präklinischen Modellen und in Phase-I/II-Studien hat sich die Substanz bei einer ganzen Reihe von Tumoren als wirksam erwiesen. Bei einer zweimal täglichen peroralen Gabe über sieben Tage alle drei Wochen traten überwiegend gastrointestinale Nebenwirkungen wie Schwindel, Erbrechen und Diarrhö auf. Dosislimitierende wirkte lediglich die Myelosuppression. Zurzeit befindet sich die Substanz in Phase II der klinischen Prüfung für die Indikationen Leukämie und verschiedene solide Tumoren (nicht kleinzelliges Bronchialkarzinom, Kopf-Hals-Tumoren). Zum klinischen Entwicklungsprogramm gehören außerdem Studien zu Lonafarnib in Kombination mit klassischen Zytostatika. Wie Untersuchungen gezeigt hatten, wirken der FTase-Inhibitor und Paclitaxel synergistisch und auch die Kombination mit Cisplatin, Cyclophosphymid, Doxorubicin oder Fluorouracil zeigt Erfolge. Eine Kombination von FTase-Inhibitoren mit Zytostatika kann in sofern sinnvoll sein, da sie der multifaktoriellen Entstehung der von Tumoren Rechnung trägt. Top

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