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Enzyme als Schlüssel für neue Therapeutika

30.07.2001  00:00 Uhr
PHOSPHATASEN

Enzyme als Schlüssel für neue Therapeutika

von Alexander Maassen, Marburg

Die reversible Phosphorylierung von Proteinen gehört zu den wichtigsten zellulären Kontrollmechanismen. Enzyme aus der Gruppe der Kinasen und Phosphatasen übernehmen bei diesem Prozess eine Schlüsselfunktion. Unter Schirmherrschaft der Europäischen Gesellschaft für Molekularbiologie (EMBO) trafen sich vom 8. bis zum 12. Juli internationale Forscher zu einer Fachtagung in Marburg . Susanne Klumpp von der Abteilung Biochemie des Fachbereiches Pharmazie der Philipps-Universität war es erstmals gelungen, die Konferenz nach Deutschland zu holen.

Es ist verständlich, dass bei der ungeheuren Anzahl von Reaktionen, die nebeneinander in einer Zelle ablaufen, eine strikte Regulation notwendig ist, damit Zelle und der entsprechende Organismus nicht im Chaos versinken. Diese Regulation intrazellulärer Prozesse ist nur der erste Schritt. Will ein Organismus als Verbund aus Milliarden von Zellen überleben, so ist auch eine intensive Kommunikation zwischen den Zellen erforderlich. Eines der wichtigsten Werkzeuge, die die Zelle dafür verwendet, ist die reversible Phosphorylierung von Proteinen. Für die Entdeckung dieses Prozesses in den 50er Jahren wurden Fischer und Krebs 1992 mit dem Nobelpreis für Medizin ausgezeichnet.

Enzyme wechseln zwischen aktiven und inaktiven Formen, indem Phosphat-Gruppen kovalent an Aminosäuren gebunden und wieder abgetrennt werden. Dank Röntgenstrukturanalysen und der NMR-Spektroskopie versteht man mittlerweile recht gut, wie die Phosphat-Gruppen ihre Funktion als Schalter der enzymatischen Aktivität wahrnehmen können. In der Regel sind es sterische und vor allem elektrostatische Effekte der negativ geladenen Phosphat-Gruppen, die zu einer Konformationsänderung der Proteine führen und damit die Struktur des katalytischen Zentrums entscheidend verändern.

Damit diese Konformationsänderungen auch tatsächlich als Schalter wirken können - zumindest als Schalter, den man mehrmals an- oder ausschalten kann - muss die Phosphat-Gruppen reversibel gebunden werden. Wie an fast allen wichtigen Kontrollmechanismen in der Zelle sind verschiedene Enzyme, in diesem Fall sogar verschiedene Enzymklassen, beteiligt. Kinasen binden das g-Phosphat von ATP oder GTP an das Protein, während ihre Gegenspieler, die Phosphatasen, den Rest durch Hydrolyse wieder entfernen. Die Bedeutung dieser Steuerungsmechanismen lässt sich daran erkennen, dass etwa die Hälfte aller in der Zelle vorkommenden Proteine eine oder sogar mehrere Phosphat-Gruppen tragen.

Schwerpunkt Phosphatasen

Die überwiegende Anzahl der Tagungsbeiträge beschäftigten sich mit Phosphatasen, also den Enzymen, die die Phosphat-Gruppen wieder abspalten. Nach bisher vorliegenden Daten des menschlichen Genom-Projektes rechnet man mit insgesamt 100 bis 200 verschiedenen Phosphatasen im menschlichen Organismus. Bedenkt man die ungeheure Zahl an chemischen Reaktionen, die durch sie reguliert werden, so ist dies zunächst überraschend wenig. Doch die Natur hat dieses Problem durch einen modularen Aufbau gelöst, indem sie die Phosphatasen wie bei einem Baukasten durch weitere Proteine ergänzt. Bestandteile dieses Baukastens sind beispielsweise Adapterproteine, die die Phospatasen an bestimmte Orte der Zelle dirigieren, sowie Inhibitor- und Aktivatorproteine.

Meist finden sich diese Bauelemente nicht nur in Form eigener Proteine, sondern zusätzlich in der Phosphatase selbst als Untereinheiten ("targeting subunits", "regulatory subunits"). Und wie in jedem guten Baukasten gibt es neben den vielen kleinen Bausteinen auch große Stützelemente ("scaffolding proteins"), auf die die weiteren Bausteine aufgesetzt werden können und an denen sich ganze Signalkomplexe nicht nur aus Phosphatasen und ihren Hilfsproteinen, sondern auch aus Kinasen und anderen Proteinen bilden.

Noch seien die Wissenschaftler jedoch weit davon entfernt, alle Teile dieses hochkomplexen Puzzles beisammen zu haben, berichtete John Scott aus dem US-amerikanischen Portland. Als hilfreich bei der Suche nach neuen Teilen erweisen sich dabei vor allem die Daten der verschiedenen Genom-Projekte. Mit Hilfe der Bioinformatik wird nach den Genen von Proteinen gesucht, die eine mehr oder weniger große Ähnlichkeit zu den bereits bekannten Puzzleteilen haben. Weiter erleichtert wird dieses Vorgehen durch ein immer besseres Verständnis davon, welche Sequenzmotive für die Interaktion der verschiedenen Proteine verantwortlich ist. Im Rahmen der Tagung stellten Forscher einige neue Teile des Puzzles vor, die mit diesen Ansätzen identifiziert wurden.

Besonderes Interesse fand ein Beitrag von Klumpp. Sie präsentierte eine in Säugern bislang noch nicht identifizierte Art von Phosphatasen. Im Gegensatz zu Bakterien, wo viele Phosphorylierungen an der Aminosäure Histidin ablaufen und die entsprechenden Enzyme gut charakterisiert sind, konnte man diese im Säuger bisher nicht identifizieren. Klumpp isolierte erstmals eine Histidin-Phosphatase aus Säugetieren. Sie hat damit möglicherweise anstelle eines neuen Puzzleteils gleich ein ganzes neues Puzzle geliefert. Über die physiologische Bedeutung können bisher noch keine konkreten Aussagen gemacht werden, erste Hinweise zeigen jedoch, dass das Enzym in allen Zellen des Körpers vorkommt. Untersuchungen an dem Fadenwurm Caenorhabditis elegans deuten auf eine besondere Funktion der Histidin-Phosphatase im Nervensystem hin.

Phosphatasen steuern die Apoptose

Breiten Raum in den Diskussionen nahm die Rolle der Phosphatasen bei der Regulation der Zellteilung und des programmierten Zelltods (Apoptose) ein. In unserem Körper sterben permanent Zellen ab. Diese werden vom gesunden Organismus zeitgleich durch neue Zellen ersetzt. Kommt es dabei zu Fehlregulationen, vermehren sich die Zellen unkontrolliert - die Folge: Krebs. Ein hochkomplexes Netzwerk aus Kinasen und Phosphatasen verhindert ein Fehlregulation der Apoptose.

Einen der zentralen Knotenpunkte der Regulation des programmierten Zelltods stellen die Proteine der Bcl-2-Familie dar. Besonderes Merkmal der einzelnen Eiweiße: Sie haben neben einer entweder proapoptotischen oder antiapoptotischen Wirkung eine ausgeprägte Affinität zu anderen Mitgliedern der Proteinfamilie. Dadurch halten sie sich unter normalen Umständen gegenseitig in Schach und gleichzeitig - als Folge dieses "Familienzwistes" - die Zelle auf der Schwelle zwischen Leben und Tod. Einer der entscheidenden Faktoren, um dieses Gleichgewicht aufrechtzuerhalten, ist die reversible Phosphorylierung. Durch sie werden sowohl intrazelluläre Signale, die auf eine drohende Entartung hindeuten können, als auch extrazelluläre Signale an die Bcl-2-Familienmitglieder weitergeleitet. Eine daraus resultierende Verschiebung des Gleichgewichtes führt dann entweder zum Tod der Zelle durch Apoptose oder kann sie vor dem Absterben schützen. Die immense Bedeutung dieser Vorgänge zeigt die Tatsache, dass in der überwiegenden Zahl der menschlichen Tumore Störungen der reversiblen Phosphorylierung gefunden wurden.

Genauere Kenntnis aller an dieser Regulation und Nachrichtenübertragung beteiligten Faktoren und Enzyme sind eine wichtige Basis für die Entwicklung neuer Zytostatika.

Ein schönes Beispiel hierfür lieferte Sara Lavi aus Tel Aviv: Ein an der Regulation der Apoptose beteiligtes Enzym ist die Proteinphosphatase PP2C. Ein Überschuss dieses Enzyms bringt die Regulation aus dem Gleichgewicht und löst die Apoptose aus. Dies nutzt Lavi als neuen Therapieansatz bei verschiedenen Tumorarten. Im Gegensatz zu Ansätzen in der Gentherapie, bringt die Virologin nicht ein Gen, sondern das Enzym selber in die Zellen ein. Dazu appliziert sie intravenös ein synthetisch hergestelltes Copolymer aus einer Trägersubstanz und dem Enzym. Im Bereich von Tumoren sind die Gefäße relativ durchlässig, so dass nur dort das Enzym die Blutbahn verlassen und in die umliegenden Tumorzellen eindringen kann. Erste Versuche am Tier verliefen sehr vielversprechend.

Impulse für die Neuropathologie

In den letzten Jahren reifte die Erkenntnis, dass die Apoptose jedoch nicht nur in der Tumortherapie eine große Rolle spielt. Nach einem Schlaganfall ist sie zu einem nicht unerheblichen Anteil verantwortlich für das Absterben der Zellen im Infarktgebiet.

Hier ist es also nicht sinnvoll, die Apoptose zu aktivieren. Sie muss vielmehr unterdrückt werden. Die neuen Erkenntnisse zur Regulation der Apoptose ebnen nun auch den Weg zur Entwicklung neuroprotektiver Medikamente, die durch Abschalten der Apoptose eine Hirnschädigung vermeiden helfen. Solche Therapeutika könnten sich aber auch bei Morbus Alzheimer oder anderen neurodegenerativen Erkrankungen bewähren. Josef Krieglstein aus Marburg präsentierte neue Ergebnisse. Er erklärte, wie die Proteinphosphatase PP2C, die auch Lavi für ihren Therapieansatz verwendet, konkret auf die Regulation der Apoptose einwirkt. Es scheint, als würde sie Bad, ein proapoptotisches Mitglied der zuvor angesprochenen Bcl-2-Proteinfamilie, an einer entscheidenden Stelle dephosphorylieren und somit die Apoptose aktivieren.

Phosphorylierungs-Reaktionen sind aber auch an anderen neuropathologischen Prozessen beteiligt. Angus Nairn von der Rockefeller University in New York, Kollege des Medizinnobelpreisträgers 2000 für Medizin, Paul Greengard, erläuterte die Rolle der Phosphatasen bei der Regulation des Dopamin-Stoffwechsels. Störungen im Haushalt des Neurotransmitters Dopamin sind unter anderem an der Entstehung von Morbus Parkinson, Morbus Huntigton und der Schizophrenie beteiligt. Seine neuen Erkenntnisse über das Zusammenspiel von Phosphatasen und der zugehörigen Inhibitoren bei der Regulation des Dopamin-Stoffwechsels sind der erste Schritt in der Entwicklung neuer Medikamente.

Kontrolle des Blutzuckerspiegels

Eines der ersten Systeme, bei denen die reversible Phosphorylierung als Regelmechanismus identifiziert wurde, ist die Kontrolle des Blutzuckerspiegels. Dementsprechend überrascht es nicht, dass Störungen der reversiblen Phosphorylierung auch eine wichtige Rolle bei der Entstehung von Diabetes spielen. Da die Phosphorylierung jedoch überall an der Signalübertragung beteiligt ist und verschiedene zelluläre Signalwege eng miteinander verknüpft sind, fallen gezielte Eingriffe in dieses System bislang schwer. In Zusammenarbeit mit der Industrie untersuchte Sir Philip Cohen aus Dundee, ein Pionier in diesem Forschungsgebiet, verschiedene Phosphatase- und Kinase-Inhibitoren und ihre Eignung als Therapeutika gegen Krebs, Artrithis und Diabetes.

Erfolgversprechend seien Arbeiten mit einem Wirkstoff, der sehr effizient die Glykogen-Synthase-Kinase 3 hemmt. Das Enzym ist zentral an der Regulation des Glukosestoffwechsels beteiligt. Doch dieses Enzym ist gleichzeitig auch ein Schlüsselenzym während der embryonalen Entwicklung. Daher könnte eine Langzeittherapie bei Diabetikern eventuell Krebs auslösen. Zur Zeit untersuchen die Wissenschaftler, wie diese tödlichen Nebenwirkung umgangen werden können.

Von ähnlich unerwarteten Nebenwirkungen berichtete auch Frau Anna DePaoli-Roach aus Indianapolis (USA). Um das vermutlich an der Entstehung von Diabetes beteiligten Proteins genauer zu untersuchen, schaltete sie das entsprechende Gen in Mäusen aus (Knock-Out-Mäuse). Die Tiere litten dann unter schweren Herzfehlern. Sehr viele von ihnen starben vorzeitig an einem Herzinfarkt und ihr Herz war abnorm vergrößert.

Es bleibt noch viel Forschungsarbeit, so das Fazit in Marburg. Die durch die 40 Vorträge und 80 Poster angeregten Diskussionen dauerten oft bis in die frühen Morgenstunden. In entspannter aber produktiver Atmosphäre wurden viele neue Projekte geplant und Kooperationen vereinbart. Man darf also gespannt sein auf neue Forschungsimpulse.

 

Anschrift des Verfassers:
Dr. Alexander Maassen
Abteilung Biochemie
Fachbereich Pharmazie
Philipps-Universität
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