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Zytostatika lösen die oxidative Bremse im Zellzyklus aus

01.05.2000
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-TitelGovi-Verlag

FREIE RADIKALE

Zytostatika lösen die oxidative Bremse im Zellzyklus aus

von Sebastian Müller, Heidelberg, Axel H. Schönthal, Los Angeles, und Enrique Cadenas, Los Angeles

Schon lange ist bekannt, dass reaktive Sauerstoffspezies in Form von oxidativem Stress an pathogenetischen Prozessen beteiligt sind. Heute wird ihre Rolle differenzierter gesehen. ROS wirken auch bei physiologischen Regulationsmechanismen als Signalstoffe mit. Neu erkannt wurde ihre Beteiligung an der Steuerung des komplexen Zyklus der Zellteilung. Pharmakologisch interessant: Die sehr häufig in der Klinik eingesetzten Chinonderivate, zum Beispiel Doxorubicin, entfalten ihre antikanzerogene Wirkung über die Bildung von Sauerstoffradikalen und den direkten Eingriff in die Zellzyklusmaschinerie der Krebszelle. Die neuen Erkenntnisse zur Regulation des Zellzyklus, zur Rolle des Inhibitors p21 und des Tumorsuppressors p53 eröffnen neue Strategien bei der Entwicklung wirksamerer Medikamente.

Es gehört heute zum etablierten Wissen, dass freie Radikale oder - besser und umfassender formuliert - reaktive Sauerstoffspezies (ROS) neben einer Zell- und Gewebeschädigung wichtige regulatorische Funktionen in aeroben Zellen wahrnehmen. ROS werden ständig bei verschiedenen Stoffwechselvorgängen in unterschiedlichen Kompartimenten der Zelle freigesetzt, ob es die Atmungskette in den Mitochondrien oder die ß-Oxidation in den Peroxisomen ist. Intakte Zellen verfügen über differenzierte enzymatische und nicht enzymatische Mechanismen, diese potenziell schädlichen Oxidantien zu entgiften. Oxidativer Stress definiert sich als eine Imbalance von Oxidantien und Antioxidantien und wird heute als ein maßgeblicher Faktor bei der Entstehung verschiedener Erkrankungen (neurodegenerative Erkrankungen, Arteriosklerose, Reperfusionsschäden) und Tumoren, aber auch beim Alterungsvorgang betrachtet.

Die chemische Stabilität und Reaktivität von ROS variiert sehr stark, und sie können im Prinzip mit allen Zellkomponenten, seien es Eiweiße, Kohlenhydrate, Nukleinsäuren oder Fette, reagieren. Zahlreiche Studien haben gezeigt, dass die zelluläre Freisetzung von Sauerstoffspezies die antioxidative Abwehr überwältigen kann: Freie Radikale wurden vermehrt bei bestimmten Krankheiten gefunden und lassen sich durch antioxidativen Therapien wirksam angehen. Typische Fingerabdrücke für oxidative Schäden lassen sich unter pathologischen, aber auch normalen Bedingungen in DNA, Fetten, Proteinen und Kohlenhydraten nachweisen. Oxidativer Stress scheint ganz spezifisch solche Enzyme zu stimulieren, die Oxidantien abbauen oder Zellstrukturen reparieren.

Diese etablierte pathogenetische Rolle wird in den letzten Jahren eher differenziert gesehen. Offensichtlich sind einige Vertreter der ROS an physiologischen Signalwegen der Zelle beteiligt, und die Wirkung von oxidativem Stress scheint nicht nur durch Zellschäden bedingt zu sein. Vielmehr können feinste Änderungen im Redoxgleichgewicht der Zelle Funktionen ändern, als Signal agieren, Botenstoffe simulieren oder induzieren (1). So kann Wasserstoffperoxid die Wirkung des Hormons Insulin simulieren, das Eisen-regulierende Protein IRP-1 anschalten (2, 3) sowie antioxidative Enzyme (4) und die Proteinphosphorylierung (5) aktivieren. Intrazelluläre Änderungen des Redoxstatus können zur spezifischen Aktivierung von Genen und Enzymen, zur DNA-Synthese und zu Wachstumsänderungen führen. Es gibt inzwischen Beispiele, dass ROS das Wachstum von Zellen stimulieren oder hemmen und den Zelltod im Sinne einer Nekrose oder eines organisierten programmierten Zelltodes (Apoptose) auslösen können (6, 7).

p21-Protein kontrolliert den Zellzyklus

Unsere Kenntnisse über die Regulation von Zellwachstum und Zellteilung sind in den vergangenen zehn Jahren enorm gewachsen. Bis vor kurzem hatte man sich mit einer eher morphologischen Beschreibung zufrieden geben müssen. Um sich zu vermehren, durchläuft die Zelle verschiedene immer wiederkehrende, also zyklische Phasen. Dieser Zellzyklus dauert bei bestimmten Insektenzellen nur acht Minuten, bei Leberzellen aber mehr als ein Jahr. Rein morphologisch erscheint die eigentliche Zellteilung, die Mitose oder M-Phase, am interessantesten. Die Interphase erscheint hingegen wenig spektakulär. Besonders durch molekularbiologische Techniken wissen wir heute, dass in dieser scheinbar ruhigen Interphase die Zelle durchaus sehr geschäftig ist. So muss in einer relativ kurzen Synthesephase oder S-Phase die DNA verdoppelt werden. In der relativ langen G1-Phase nimmt die Zelle an Größe zu und überwacht die äußeren Rahmenbedingungen für ihr Wachstum. Die G2-Phase ermöglicht es ihr, die Vollständigkeit der DNA-Replikation und noch einmal optimale Zellteilungsbedingungen zu überprüfen. Zellen in der G1-Phase können aus diesem Standardzyklus ausscheren und für Minuten bis Jahre in einer G0- oder Ruhephase verharren.

Die einzelnen Phasen des Zellzyklus lösen sich nach heutigen Erkenntnissen nicht wie beim Dominoprinzip ab, sondern werden zentral gesteuert. Dieser Kontrollapparat besteht aus einer Vielzahl von Proteinen, die die Umgebung der Zelle, ihren Teilungszustand und DNA-Schäden überwachen und die für die Zellteilung nötigen Syntheseschritte steuern. Die Überwachung der Zellumgebung ist enorm wichtig. Wird die Zelle beispielsweise einem toxischen Stress ausgesetzt, so wäre es sehr gefährlich, gerade in diesem Moment die kondensierte DNA zu teilen und den Aggressoren damit eine große Angriffsfläche zu geben. Daher gibt es drei wichtige Kontrollpunkte (checkpoints). Beispielsweise den G2-Kontrollpunkt (Abbildung 1): An dieser Stelle stoppt die Zelle das Wachstum. Wenn die Umgebungsbedingungen optimal erscheinen, die DNA repliziert ist und die Zelle eine gewisse Größe erreicht hat, wird die Ampel auf Grün für die nachfolgende M-Phase gestellt.

Die Zellteilung wird durch Zyklin-abhängige Kinasen (CDK - cyclin dependent kinases) reguliert. Diese Kinasen begleiten die Zelle gewissermaßen im Zellzyklus mit unterschiedlicher Aktivität und schalten dabei unter anderem Schlüsselenzyme der DNA-Synthese und -Reparatur an und aus. Verschiedene CDK’s wie CDC2 (cell-division cycle, heute CDK1), CDK2, 4 und 6 sind bestimmten Zellzyklusphasen zugeordnet. Beispielsweise besteht eine Funktion der CDK2 während der G1-Phase in der Phosphorylierung des Retinoblastom-Genprodukts (pRb). Durch die Phosphorylierung (pRb-P) wird der assoziierte Transkriptionsfaktor E2F freigesetzt, der wiederum wichtige Gene für die DNA-Replikation anschaltet (Abbildung 2). Sowohl pRb als auch E2F sind essenziell für den Übergang der Zelle von der G1- zur S-Phase.

Die Aktivität der CDK‘s wird durch zwei wichtige Proteinfamilien, die Zykline und die CDK-Inhibitoren, reguliert. Zykline sind die Voraussetzung für eine Kinaseaktivität und können als regulatorische Untereinheit aufgefasst werden. 1993 beschrieb Wafik El-Deiry erstmals ein Protein mit dem Molekulargewicht von 21 kDa, das durch Bindung an den CDK/Zyklin-Komplex die Kinaseaktivität inhibieren konnte (8). Dieses Protein p21 (auch CIP1 oder WAF1 genannt) gehört zu einer wachsenden Gruppe von CDK-Inhibitoren, den CKI‘s (cyclin dependent kinase inhibitors) wie p27, p57 und p16, die das Zellwachstum hemmen können (9). Das Verhältnis von CDK‘s und CKI‘s beeinflusst nicht nur den Zellzyklus, sondern entscheidet auch darüber, ob eine Zelle in einen programmierten Zelltod überführt wird. Zusätzlich weisen neuere Untersuchungen darauf hin, dass p21 zudem eine Verbindung zur Zelladhäsionsmaschinerie herstellt (10).

Der Tumorsuppressor p53 aktiviert p21

Ein weiteres wichtiges Protein im Rahmen der Zellproliferation ist p53. Dieses Protein wird bei einer DNA-Schädigung, zum Beispiel durch Gamma-Strahlung, aktiviert und kontrolliert viele Zellantworten. Eine ganz wichtige Funktion besteht in der Hemmung des Zellwachstums und in der Aktivierung von Mechanismen, die zur Apoptose führen. Über diese Mechanismen kann p53 Tumorwachstum verhindern und wird daher als Tumorsuppressor bezeichnet. Andererseits liegt bei vielen Tumoren p53 durch Mutationen in inaktivierter Form vor. P53 kann nun p21 direkt transkriptionell aktivieren und über diesen Mechanismus einen Wachstumsstillstand der Zell auslösen.

P21 bindet an CDK’s, blockiert diese Zellzykluskontrolleure und führt die Zelle so einen G1-Arrest. Über die Bindung an ein anderes Protein, das PCNA (proliferating cell nuclear antigen), hemmt es die DNA-Synthese. Zellen, denen das p21-Gen fehlt, unterliegen nach einer DNA-Schädigung durch zytotoxische Medikamente keinem Wachstumsstopp. Vielmehr teilen sie sich ungeachtet der zunehmenden DNA-Schäden ungehemmt weiter und sterben, bedingt durch die überforderte DNA-Reparatur, schneller ab als Kontrollzellen (11).

P21 spielt aus diesen Gründen eine zentrale Rolle bei der Zellteilung und bündelt verschiedene Signale in ihrer Wirkung auf den Zellzyklus. Es konnte gezeigt werden, dass eine Einschleusung von p21 in die Tumorzellen das Wachstum von verschiedenen Tumoren in Hirn, Lunge, Prostata, Knochen und Darm sowohl in der Zellkultur als auch in vivo wirksam inhibiert. Man geht heute davon aus, dass die Aktivierung von p21 durch Zytostatika wahrscheinlich einen wichtigen Wirkmechanismus dieser Medikamente darstellt. Die Problematik gewinnt an Aktualität, wenn man bedenkt, dass das Tumorsuppressor-Protein p53 in 50 Prozent aller menschlichen Tumoren mutiert ist und moderne Ansätze in der Tumorpharmakologie daher versuchen, Zytostatika zu finden, die nicht von einer intakten Funktion von p53 abhängen.

P21-Aktivierung mit und ohne p53-Beteiligung

Der Mechanismus der p21-Aktivierung durch exogene Stimuli ist weitgehend unklar: p21 kann durch eine Vielzahl unterschiedlicher Substanzen wie Wachstumsfaktoren, Zytokine, Tumorpromotoren, typische Zytostatika wie Adriamycin, Etoposid und Gamma-Strahlung, welche alle die DNA schädigen und ROS bilden, induziert werden (12, 13). Die Regulation ist komplex und beinhaltet sowohl transkriptionale – also auf der Ebene der DNA-Transkription stattfindende - als auch posttranskriptionale – auf der translationalen Ebene ablaufende, beispielsweise die Proteinsynthese betreffende - Mechanismen. Der bekannteste transkriptionale Aktivierungsweg von p21 geht über p53. Diese Regulation erfolgt über zwei Bindungsstellen für p53 innerhalb der p21-Promotorsequenz (8). Daneben sind noch Bindungsstellen für andere Transkriptionsfaktoren im p21-Promotor entdeckt worden, die potenziell bedeutend sein könnten (14). Man kann generell zwei Aktivierungswege von p21 unterscheiden (Abbildung 3): Der eine ist p53-abhängig und wird hauptsächlich bei DNA-Schädigung nach Bestrahlung beschritten (15). Der andere ist p53-unabhängig und wird eher durch Mitogene, Adriamycin oder oxidativen Stress (16) vermittelt.

Die Bedeutung der p53-abhängigen Aktivierung von p21 wird generell darin gesehen, das genetische Material zu schützen. P53 wird durch Zytostatika oder Bestrahlung aktiviert, also Bedingungen, unter denen die DNA geschädigt wird. Das induzierte Protein p21 arretiert über die Hemmung der CDK‘s letztlich die Zelle in der G1-Phase. Die weitere Zellteilung wird dadurch gestoppt, wodurch der besonders gefährliche Phase der Mitose mit der breitflächigen DNA-Exposition vermieden wird.

Die p53-unabhängige p21-Aktivierung ist weniger gut untersucht. P21 kann ebenfalls transkriptional, zum Beispiel durch STAT-Proteine, aktiviert werden. Diese Proteine werden durch oxidativen Stress aktiviert, und man hat Bindungstellen im p21-Promotor für diese Transkriptionsfaktoren gefunden.

Ein Wachstumsstopp gibt einer Zelle die nötige Zeit, um DNA-Schäden zu reparieren, und garantiert somit, dass Mutationen nicht an die Tochterzellen weitergegeben werden. In diesem Zusammenhang werden p53 und Rb oft als Genomwächter bezeichnet mit p21 als wichtigem Vermittler (17). Verschiedene Laboratorien widmen sich der Frage, über welchen Mechanismus ROS die Expression und Aktivität von p21 regulieren. Als ROS-Quellen mit regulatorischer Bedeutung wurden redoxzyklierende Aziridinylbenzochinone (18 - 21), Hypoxanthin/Xanthinoxidase (22), Hyperoxie (23) und Änderungen des Schwefel-Disulfid-Status (16, 24) identifiziert. Auf die Ergebnisse soll etwas näher eingegangen werden.

Chinonderivate als Zytostatika

Die Grundstruktur der Chinone findet man bei den Anthracyclinen wie Doxorubicin und Daunorubicin (25). Ein experimentell oft genutzter Vertreter dieser Klasse ist das Bisaziridinyl-Benzochinon (DZQ). Der genaue Wirkmechanismus dieser Substanzen ist noch unklar (25). Nach heutigem Wissensstand wirken Aziridinylchinone einerseits stark alkylierend, andererseits bilden sie reaktive Sauerstoffverbindungen (26). Die alkylierenden Eigenschaften erfordern eine Protonierung am Aziridinylstickstoff durch Reaktion mit geeigneten Nukleophilen. Die ROS-Bildung wird durch die Chinongruppe bestimmt, die klassischerweise Redoxzyklen durchlaufen kann und dabei Sauerstoffradikale freisetzt (27). Redoxzyklierende Chinone können molekularen Sauerstoff zu H2O2 oder Superoxid reduzieren. H2O2 ist besonders gefährlich wegen seiner Reaktion mit Eisen (Fenton-Reaktion), die zu den äußerst toxischen Hydroxylradikalen führt. Zur Reduktion der Chinone sind NADPH-abhängige Reaktionen nötig. Dabei können die Chinone in einer Zwei- oder Ein-Elektronen-Reaktion reduziert werden. Auf die Diaphorase, die Chinone in einem Zwei-Elektronen-Schritt reduziert, wird später näher eingegangen. Die Fähigkeit der Chinone, oxidativen Stress auszulösen, scheint eine wichtige Rolle beim antikanzerogenen Potenzial dieser Substanzen zu spielen.

Aziridinylchinone sind in der Lage, p21 zu aktivieren und dadurch das Wachstum von Tumorzellen zu inhibieren (18). In unserem Labor wurde intensiv an verschiedenen Mechanismen gearbeitet. Die Untersuchungen schlossen die Frage der Bioaktivierung, die Bildung von Sauerstoffradikalen, die Aktivierung von p21 und schließlich den Effekt auf die Zellproliferation ein. An verschieden substituierten Chinonen wurde die Funktion der einzelnen chemischen Gruppen erforscht (28). So wurde deutlich, dass die Chemie der funktionellen Gruppen für die Freisetzung von ROS entscheidend ist. Wird beispielsweise die Aziridinyl-Gruppe durch eine Carboethoxyamino-Gruppe ausgetauscht, ist kaum noch eine Bildung von ROS zu beobachten (18). Allerdings müssen auch zellspezifische Charakteristika berücksichtigt werden, welche die biologische Aktivierung von Chinonen nachhaltig beeinflussen.

In diesem Zusammenhang ist das Flavoenzym Diaphorase wichtig, das in Verbindung mit anderen Chinonreduktasen Chinone in einer Zwei-Elektronentransfer-Reaktion zu Hydrochinonen reduziert (27). Dieses Enzym wird in besonders hoher Aktivität in Tumorzellen gefunden; es soll eine wichtige Rolle bei der enzymspezifischen bioreduktiven Medikamentenaktivierung spielen (29). Chemisch gesehen katalysiert die Diaphorase die Bildung stark alkylierender Produkte, die direkt die DNA schädigen. Interessant ist ein zweiter Aspekt: Über die Diaphorase-katalysierte Reaktion können redoxlabile Hydrochinone gebildet werden, die die Bildung freier Radikale fördern (27, 30). Bei diesem Prozess entstehen Superoxidanionen, welche die Hydrochinon-Oxidation weiter propagieren (26).

Sowohl der oxidative als auch der reduktive Abbau von Semichinonen hat gravierende Konsequenzen für die Konzentration von freien Radikalen und beide Abbauwege können durch Superoxiddismutase (SOD) oder und Glutathion (GSH) beschleunigt werden. SOD entfaltet ihre Wirkung über eine rasche Entfernung von Superoxid aus dem Reaktionsgleichgewicht und beschleunigt so die Autoxidation des Semichinons. Der reduktive Abbau wird vor allem durch GSH gefördert und führt zur Bildung von Schwefelradikalen. Beide Zerfallswege der Semichinonradikale können zu oxidativem Stress führen mit allen Konsequenzen für Signalprozesse, Zellwachstum und Zellzyklusmaschinerie.

Wir haben im Labor Aziridinylchinone mit verschiedenen Substituenten an Kolonkarzinomzellen mit unterschiedlicher Diaphorase-Expression oder -Aktivität untersucht. Die Behandlung der Karzinomzellen führte zu einem konzentrations- und zeitabhängigen Anstieg von p21-mRNA und Proteinlevel (18). Die p21-Aktivierung konnte komplett verhindert werden, wenn der Radikalfänger N-Acetylcystein eingesetzt wurde. Das Nicht-Schwefelanalogon N-Acetylalanin hat keinen Einfluss. H2O2 und das Hydroxylradikal scheinen besonders bei der p21-Aktivierung involviert zu sein. Untersuchungen mit verschiedenen Chinonen haben gezeigt, dass DZQ ein bevorzugtes Substrat für die Diaphorase ist und nach Bioaktivierung Hydroxylradikale in besonders hoher Menge gebildet werden.

Beispielsweise führte die Behandlung von Diaphorase-reichen HT29-Zellen mit DZQ zu einer etwa 25fach stärkeren H2O2-Bildung als in BE-Zellen, die keine Diaphorase-Aktivität haben (19). Mittels Elektronenspinresonanz unter Verwendung des Spin-trap-Verfahrens konnte eine intensive Bildung von Hydroxyladdukten in HT29-Zellen nachgewiesen werden. Die Bildung von Hydroxylradikalen konnten wir mit einem Hemmstoff der Diaphorase, Dicoumarol, deutlich unterdrücken. Ganz anders verhielten sich die Diaphorase-freien BE-Zellen. Hier wurden überwiegend Superoxidaddukte gefunden, deren Konzentration durch Dicoumarol nicht beeinflusst wurde.

Diese Experimente zeigten, dass eine bioreduktive Aktivierung der Chinone durch Diaphorase eine entscheidenden Rolle für die Radikalbildung und sukzessive für die p21-Induktion und den Wachstumsstopp spielen kann. Ob sich diese Erkenntnisse in neue therapeutische Konzepte umsetzen lassen, wird gegenwärtig intensiv untersucht.

Redoxregulation der p53-p21-Signalkaskade

Der zelluläre Redoxstatus spielt eine Schlüsselrolle bei redoxabhängigen Signalkaskaden und in der Kontrolle des Zellwachstums. Änderungen können die Aktivität von Transkriptionsfaktoren beeinflussen. Die Zinkfinger-Domäne verschiedener Transkriptionsfaktoren, zum Beispiel von SP-1, Egr-1 oder Mitgliedern der Steroid- oder Thyreoidhormon-Rezeptorfamilie, ist sehr empfindlich gegenüber Redoxänderungen. Die Cysteinreste, die an der Fingerformierung beteiligt sind, interagieren nur in reduzierter Form mit Zink. Eine Oxidation führt zur Disulfidbildung und verhindert letztendlich die DNA-Bindung. So reduziert die Behandlung von Zellen mit Oxidantien wie H2O2, N-Ethylmaleimid oder Diethylmaleat die DNA-Bindungsaktivität. Diese Effekte sind reversibel und können durch Zugabe von Dithiotreitol, Zinkionen oder Entfernung der Oxidantien rückgängig gemacht werden. Das Antioxidans N-Acetylcystein blockiert die Wirkung der ROS (31).

Obwohl p53 nicht zu den Zink-Fingerpoteinen gehört, verfügt es auch über reduzierte Cysteingruppen, die wichtig für die DNA-Bindung sind. Hier ist Zink mit einem Histidinrest und drei Cysteinresten verbunden. Oxidantien, DNA-schädigende Substanzen oder verschiedene Strahlungsarten schwächen die p53-DNA-Bindung sehr stark, und dies korreliert mit der Oxidation der drei Cysteinreste. Die geminderte DNA-Bindung von p53 bedeutet wiederum eine geringere Aktivierung der Zielgene wie p21.

Trotzdem kann bei Ausschaltung von p53, zum Beispiel durch eine Mutation, immer noch eine p21-Induktion beobachtet werden. So konnte in p53-mutierten Kulturzellen, die mit Diethylmaleat behandelt wurden, dennoch eine p21-Induktion nachgewiesen werden (16). Neben Chinonen ist eine ganze Reihe anderer ROS-generierender Systeme in ihrer Wirkung auf die p21-Aktivierung und das Proliferationsverhalten untersucht worden. So konnte p21 in menschlichen Fibroblasten durch die Xanthin-Xanthinoxidase-Reaktion, bei der sowohl H2O2 als auch Superoxid frei werden, induziert werden. Diese Aktivierung wurde durch das Enzym Katalase blockiert, das H2O2 normalerweise schnell wieder aus der Zelle entfernt (32). P21 kann auch an verschiedenen kultivierten Lungenzellen nach Begasung mit hyperbarem Sauerstoff (Hyperoxie) beobachtet werden. In vivo konnte die p21-Aktivierung vor allem in den peripheren Alveolen nachgewiesen werden. Die Experimente lassen vermuten, dass p21 wahrscheinlich bei der Hemmung des Alveolenwachstums in der neonatalen Lunge unter hyperoxischen Bedingungen eine Rolle spielt (23).

p21-Aktivierung durch UV-Licht und Stickstoffmonoxid

P21 kann auch durch UV-Strahlen induziert werden. UV-Licht löst eine Reihe von komplexen zellulären Antworten aus, unter anderem Aktivierung von Signalkaskaden und Änderungen in der Genexpression. Einige Prozesse sind durch direkte UV-Schäden an Proteinen und DNA bedingt. Es werden aber auch viele Gene durch UV-Strahlen aktiviert, darunter p53 und p21. Generell führt eine p53-Induktion durch UV-Licht über p21 zu einem G1-Arrest (33).

Die Induktion von p53 erfolgt durch direkte DNA-Schäden (Strangbrüche), aber auch durch ROS. Das Ausmaß des oxidativen Stresses kann beispielsweise durch N-Acetylcystein (NAC) vermindert werden. Dieses Molekül verhindert keine DNA-Strangbrüche; man kann daher eine p53-Induktion mit NAC nicht vollständig unterdrücken (34). Vermutlich induzieren die verschiedenen UV-Strahlen (A, B, C) unterschiedliche Zellantworten. Bei UV-C wird p53 besonders durch DNA-Einzelstrangbrüche aktiviert. Hingegen wirken UV-A und UV-B besonders über ROS. Es ist bemerkenswert, dass man die p53-Induktion durch solares UV-Licht mit Radikalfängern wie Vitamin C, NAC und Alpha-Tocopherol hemmen kann (35).

Der Vollständigkeit halber soll die Aktivierung von p21 durch Stickstoffmonoxid (NO) erwähnt werden. NO ist inzwischen als Signalmolekül mit verschiedenen essenziellen Zellfunktionen fest etabliert. 1998 wurde der Nobelpreis für Medizin für die Entdeckung seiner Zellfunktionen an Robert Furchgott, Louis Ignarro und Ferid Murad verliehen. Erstmals wurde damit ein solch kleines radikalisches Molekül als derart wichtig für die Zellregulation erkannt. NO ist beteiligt an einer Reihe physiologischer und pathophysiologischer Funktionen an der glatten Muskulatur und den Thrombozyten. Zudem moduliert NO die Zellproliferation und Genregulation (36). Über unterschiedliche Mechanismen kann es über eine Aktivierung von p21 das Zellwachstum hemmen, die Neuritenextension von neuronalen Zellen verringern oder Apoptose induzieren.

Neue Ziele für die Tumorforschung

Die Zellteilung ist ein komplexer, fein abgestimmter Mechanismus. In einzelnen Zellzyklusphasen überwacht die Zelle sowohl das eigene Wachstum als auch die äußeren Rahmenbedingungen der Zellteilung. Erscheinen diese ungünstig, wird ein Wachstumsstopp oder Zellzyklusarrest eingeleitet. Dieser verhindert, dass die Zelle unter unwirtlichen oder unfertigen Bedingungen ihre DNA teilt und dabei eine Genomschädigung riskiert. Der CDK-Hemmer p21 und seine Aktivierung durch oxidativen Stress spielen hier eine wichtige Rolle. Seine Aktivierung inhibiert die Motoren des Zellzyklus, die Zyklin-abhängigen Kinasen (CDK), und stoppt damit den Zellzyklus. Die Tatsache, dass p21 besonders stark durch Zytostatika vom Chinontyp induziert wird, hat auf einen wesentlichen Wirkmechanismus dieser Pharmaka aufmerksam gemacht. Diese Medikamente können einen Redoxzyklus eingehen und dabei extensiv Sauerstoffradikale bilden, die wiederum p21 aktivieren, was das Wachstum der Tumorzelle bremst. Damit wird dem Immunsystem die Gelegenheit gegeben, Tumorzellen zu eliminieren.

Diese Ergebnisse weisen einen möglichen Weg in die Zukunft der Medikamentenentwicklung. Ziel ist es, substituierte Chinone zu entwickeln, die besonders effizient ROS bilden können. Ein anderer Weg ist das bessere Verständnis der zellulären Aktivierung von Chinonen, zum Beispiel durch das Enzym Diaphorase, und deren Beeinflussung. Es zeichnet sich immer mehr ab, dass Zytostatika vorwiegend über zwei feinregulierte Mechanismen angreifen: die hier vorgestellte Zellzyklusmaschinerie und den programmierten Zelltod (Apoptose). Die weitere Aufklärung dieser grundlegenden Zellfunktionen wird der Ausgangspunkt für effizientere Therapieansätze in der Behandlung des Krebses sein.

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Weitere Literatur beim Verfasser

Für die Verfasser:
Dr. Sebastian Mueller,
Innere Medizin IV,
Universität Heidelberg,
Bergheimer Str. 58,
69115 Heidelberg,
E-Mail: sebastian.mueller@urz.uni-heidelberg.de

Verzeichnis der Abkürzungen

CDK Zyklin-abhängige Kinasen (cyclin dependent kinases) CDC2 cell-division cycle; synonym für CDK1 CKI CDK-Inhibitoren DZQ 2,5-Bisaziridinyl-1,4-benzochinon GSH reduziertes Glutathion NAC N-Acetylcystein NO Stickstoffmonoxid PCNA proliferating cell nuclear antigen Rb Retinoblastoma-Genprodukt ROS reaktive Sauerstoffverbindungen SOD Superoxiddismutase STAT Signal transducers and activators of transcription

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