Pressemitteilung der Universität Freiburg vom 16.10.2009

Freiburger Wissenschaftler entdecken neuen Mechanismus der Protein-Qualitätskontrolle in den Kraftwerken der Zelle

Forscher des Instituts für Biochemie und Molekularbiologie und des Exzellenzclusters für biologische Signalstudien (bioss) der Universität Freiburg haben einen neuen Mechanismus entdeckt, wie die Lebensdauer von Proteinen in Mitochondrien, den so genannten Kraftwerken der Zelle reguliert, wird. Diese Organellen sind nicht nur die wichtigsten Energielieferanten, sondern beherbergen eine Vielzahl verschiedener Stoffwechselwege und steuern darüber hinaus auch den so genannten programmierten Zelltod. Geringste Beeinträchtigungen dieser Funktionen können bereits zu schweren Erkrankungen, wie zum Beispiel Diabetes, Krebs oder auch neurodegenerativen Erkrankungen, wie Parkinson oder Alzheimer, führen.

Für die vorliegende Studie, die gerade in der renommierten Fachzeitschrift Cell publiziert wurde, verwendeten die Forscher Mitochondrien aus Bäckerhefe, einem Modellorganismus, der nach denselben Prinzipien funktioniert wie die Zellen des Menschen. So werden auch in der Hefe die meisten mitochondrialen Proteine im Zellkern kodiert und müssen nach ihrer Synthese in dieses Organell eingeschleust werden. Hierfür erhalten diese Proteine Signalsequenzen, die sie zu Erkennungsstellen auf den Mitochondrien leiten und die Passage in das Innere erlauben.

Dort angekommen, werden diese Signalsequenzen wieder von einem ganz bestimmten Enzym entfernt. Genau diese Signalsequenzen haben nun die Freiburger Forscher gemeinsam mit einem Team aus Dortmund systematisch untersucht und für mehr als 600 mitochondriale Proteine bestimmt.

Die größte Überraschung dabei war, dass viele dieser Signalsequenzen nicht nur einmal, sondern noch ein zweites Mal geschnitten werden. Das hierfür verantwortliche Enzym wurde ebenfalls im Rahmen dieser Untersuchungen entdeckt. „Es handelt sich hierbei um ein von Bakterien bis zum Menschen hochkonserviertes Protein“, sagt Nora Vögtle, Doktorandin am Freiburger Graduiertenkolleg „Membranproteine und Biologische Membranen“ und Erstautorin der Publikation. Diese zusätzliche Prozessierung stellt sicher, so die Ergebnisse der Studie, dass die Proteine vor einem vorzeitigen Abbau geschützt werden.

Dem Freiburger Projektleiter Prof. Dr. Chris Meisinger zufolge liefern diese Ergebnisse gänzlich neue Einsichten in den Abbau von Proteinen in Zellorganellen und können zur Aufklärung vieler verschiedener Krankheitsmechanismen dienen.

Veröffentlichung:
F.-Nora Vögtle, Stefanie Wortelkamp, René P. Zahedi, Dorothea Becker, Claudia Leidhold, Kris Gevaert, Josef Kellermann, Wolfgang Voos, Albert Sickmann, Nikolaus Pfanner und Chris Meisinger. (2009): „Global Analysis of the Mitochondrial N-Proteome Identifies a Processing Peptidase Critical for Protein Stability“, in: Cell, 139(2), S. 428-439.

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Pressemitteilung der Universität Freiburg vom 16.09.2009

Ein Ergebnis der Systembiologie-Forschung an der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg

Die Doppelhelix der DNA, das genetische Material einer jeden lebenden Zelle, enthält die Gene in einer linearen Anordnung, deren Information während der Wachstums- und Entwicklungsprozesse hintereinander in eine Boten-RNA (mRNA) abgelesen wird. So steht es in den Lehrbüchern.

Die Forschergruppe um Prof. Dr. Wolfgang R. Hess von der Universität Freiburg berichtet im renommierten Wissenschaftsmagazin Molecular Systems Biology (aktuelle online-Veröffentlichung vom 15.09.09: „Evidence for a major role of antisense RNAs in cyanobacterial gene regulation“) von einer Nutzung beider Stränge der DNA-Doppelhelix. Sie beobachtete in dem Cyanobakterium Synechocystis, dass häufig nicht nur von einem Strang die Information für die Bildung eines Eiweißes abgelesen wird, sondern auch der parallel verlaufende Gegenstrang aktiv ist. Dadurch entsteht ein zweites RNA-Molekül mit umgekehrter Orientierung, eine so genannte antisense-RNA.

Ähnliche Beobachtungen sind in jüngster Zeit an höheren Organismen, darunter dem Menschen, gemacht worden. Für Bakterien gab es bisher jedoch nur vereinzelte Hinweise auf ein solches Geschehen, vor allem im Zusammenhang mit so genannten extrachromosomalen Elementen, das sind zum Beispiel Antibiotika-Resistenzen-tragende Plasmide oder auch Bakteriophagen, Viren, die Bakterien angreifen. Die Beobachtungen der Forschergruppe um Prof. Dr. Wolfgang R. Hess zeigen nun, dass solche antisense-RNAs auch bei Bakterien sehr häufig sein können und vermutlich aktiv in die Regulation der Erbinformation verstrickt sind. Damit zeigt sich, dass auch diese eigentlich recht einfach gebauten Organismen komplexer sind als bisher gedacht. Cyanobakterien sind in jüngster Zeit verstärkt in den Fokus der Wissenschaft geraten wegen ihres Potenzials zur Herstellung wünschenswerter Biomoleküle durch direkte Nutzung der Sonnenenergie (Photosynthese). Die mögliche Rolle einer großen Zahl solcher antisense-RNAs in Bakterien muss bei der Nutzung dieser Organismen berücksichtigt werden und kann auch in der Medizin zu neuen Konzepten in der Abwehr human-pathogener Bakterien führen.

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Pressemitteilung der TU München vom 18.09.2009

Biochemiker der TU München verlängern Wirkzeit pharmakologischer Substanzen

Viele Biopharmazeutika bestehen aus kleinen Proteinen, die rasch wieder aus dem Körper ausgeschieden werden. Wissenschaftler der Technischen Universität München (TUM) verbinden die kleinen Proteine mit einer Art molekularem Ballon, der sich aufbläht und dadurch die Halbwertszeit der Proteine im Körper verlängert. Die TUM-Ausgründung XL-protein GmbH hat begonnen, die neue Technologie mit Blockbuster-Potenzial weiterzuentwickeln.

Wer an chronischer Hepatitis B leidet, wird häufig mit dem Gewebshormon Interferon behandelt. Das Problem: Interferon ist ein sehr kleines Protein, deshalb wird es bereits nach kurzer Zeit wieder über die Niere ausgeschieden. Für den Patienten bedeutet das alle zwei Tage eine hoch dosierte Spritze, damit die Wirkung der Substanz nicht vorzeitig nachlässt.

Deutlich länger bleibt Interferon dagegen im Körper, wenn es chemisch mit einem synthetischen PEG-Molekül (Polyethylenglycol) gekoppelt ist. PEG ist eine Art Knäuel aus einem langkettigen Polymerfaden, das Wasser aufsaugt und sich dadurch aufbläht. Auf diese Weise wird das PEG-Molekül so groß, dass es nicht durch die feinen Poren der Niere passt – das angekoppelte Interferon wird daher länger im Blutkreislauf gehalten, und der Patient muss nur eine Spritze alle ein bis zwei Wochen erhalten.

Wissenschaftler der TU München um Prof. Arne Skerra vom Lehrstuhl für Biologische Chemie am Wissenschaftszentrum Weihenstephan haben jetzt mithilfe der Gentechnik einen Aminosäurefaden entwickelt, der sich ähnlich wie PEG verknäult und Wasser anlagert. Im Gegensatz zu vielen PEG-Verbindungen besteht jedoch nicht die Gefahr, dass sich dieses Anhängsel im Körper anreichert. Vielmehr wird es – über einen längeren Zeitraum – ausgeschieden oder biologisch abgebaut. Denn der Aminosäurefaden ist aus lediglich drei der 20 natürlich vorkommenden Aminosäuren zusammengesetzt: Prolin, Alanin und Serin, kurz PAS.

Der Proteinwirkstoff Interferon, der ja seinerseits aus Aminosäuren aufgebaut ist, lässt sich dadurch auch auf einfache Weise in „PASylierter“ Form gewinnen. In ersten Versuchen mit Tieren stellten die TUM-Wissenschaftler fest, dass ein PASyliertes Interferon eine um den Faktor 60 verlängerte Halbwertszeit im Blut aufweist, so dass damit tatsächlich verlängerte Dosierungsintervalle ermöglicht werden.

Ein weiterer Vorteil liegt in der vereinfachten biotechnologischen Herstellung, denn die DNA-Stücke, die die Informationen für den PAS-Aminosäurefaden beziehungsweise das Interferon tragen, werden einfach aneinandergehängt und dann zum Beispiel in ein Bakterium eingepflanzt. Das Bakterium produziert das PASylierte Interferon gleichsam am Stück, so dass anders als bei einer chemischen Kopplung von PEG mit Interferon wesentlich weniger Herstellungsschritte nötig sind. Skerra: „Dadurch werden die Produktionskosten erheblich sinken.“

PASylieren lassen sich prinzipiell alle kleinen Proteine, die bereits als Medikamente eingesetzt oder bei Pharmafirmen derzeit entwickelt werden, wie zum Beispiel Wachstumsfaktoren oder funktionelle Antikörperfragmente: ein riesiger Markt für die neue Technologie. Prof. Skerra hat deshalb zusammen mit seinen Mitarbeitern die Gründung einer neuen Biotech-Firma vorangetrieben, der XL-protein GmbH, die im Frühjahr ihre Geschäftstätigkeit aufgenommen hat. „Unsere Technologie hat das Potenzial dazu, Blockbuster-Medikamente einer neuen Generation hervorzubringen“, ist der TUM-Biochemiker überzeugt. Mehrere der neuen Wirkstoffe seien bereits im Stadium der fortgeschrittenen präklinischen Entwicklung.

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Presseinformation der LMU München vom 24.08.2009

Parkinson-Gene sichern die neuronale Energieversorgung

Bei einer Parkinson-Erkrankung sterben Neuronen im Mittelhirn ab. Welche Mechanismen hier zugrunde liegen, ist noch weitgehend unklar. Bekannt ist aber, dass etwa jeder zehnte Krankheitsfall auf Defekte in sogenannten Parkinson-Genen zurückzuführen ist. Außerdem scheinen Mitochondrien, die Kraftwerke der Zellen, eine wichtige Rolle zu spielen. Ein Forscherteam um PD Dr. Konstanze Winklhofer und Professor Christian Haass legt nun Ergebnisse vor, die diese beiden Beobachtungen zusammenführen. Demnach sichern zwei Parkinson-Gene die Funktion der Mitochondrien in den Nervenzellen. „Für uns Forscher ist es sehr hilfreich, wenn Erkrankungen durch Fehlfunktion bestimmter Gene ausgelöst werden können, so wie es bei der Parkinson-Erkrankung der Fall ist“, sagt Winklhofer. „Wenn wir die genaue Funktionsweise dieser Gene entschlüsseln, können wir viel über die Ursachen und den Verlauf des Leidens lernen wie auch über mögliche therapeutische Ansätze.“ Ebenfalls beteiligt an der Untersuchung war die Arbeitsgruppe von Professor Dr. Wolfgang Wurst vom Institut für Entwicklungsgenetik am Helmholtz Zentrum München. (Journal of Biological Chemistry, 21. August 2009)

Allein in Deutschland leiden zurzeit mindestens 250.000 Menschen an der Parkinson-Erkrankung. Die betroffenen Patienten zittern unkontrolliert und können sich nur langsam oder kaum mehr bewegen, während ihre Muskeln versteifen. Die Ursache ist der Untergang von Nervenzellen in der Substantia nigra, einem Bereich des Mittelhirns, der Dopamin als Botenstoff produziert. Dieser Botenstoff überträgt Informationen in den Kontrollzentren für Bewegungsabläufe. Ein Mangel an Dopamin hat somit eine Bewegungsstörung zur Folge.

„Funktionsgestörte Mitochondrien werden schon seit den 80er-Jahren als mögliche Verursacher der Parkinson-Erkrankung vermutet“, sagt Privatdozentin Dr. Konstanze Winklhofer am Lehrstuhl für Stoffwechselbiochemie an der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) München. Damals entdeckte man, dass Stoffe, die für Mitochondrien giftig sind, eine Parkinson-Erkrankung auslösen können. Eine Beteiligung dieser wichtigen Zellbestandteile am Untergang der Neuronen wäre leicht zu erklären: Mitochondrien versorgen die Zelle mit Energie und spielen eine wichtige Rolle bei der Regulation des Zelltods. Die aktuellen Ergebnisse bestätigen den Zusammenhang nun auf genetischer Ebene.

Demnach sind die beiden Parkinson-Gene PINK1 und Parkin gemeinsam für das Funktionieren der Mitochondrien verantwortlich. Wenn Parkin oder PINK 1 ihre Funktion verlieren, sind die Form und die Aktivität der Mitochondrien gestört. In Folge davon produzieren die zellulären Energielieferanten weniger Adenosintriphosphat, also Kraftstoff für die Zellen. In vorangegangenen Arbeiten konnte das Team um Winklhofer bereits zeigen, dass Parkin eine wichtige Schutzfunktion für Neuronen erfüllt. „Das haben wir nun bestätigt“, berichtet die Biochemikerin. „Denn während Parkin einen Funktionsverlust von PINK1 kompensieren kann, geht das umgekehrt nicht.“

Bis heute gibt es kein Medikament, das ein Fortschreiten der Parkinson-Erkrankung verhindern kann. Die Therapien beschränken sich bislang darauf, dem Gehirn genügend Dopamin zur Verfügung zu stellen, ohne aber ursächlich einzugreifen. Die Forscher hoffen nun darauf, dass die Parkinson-Gene neue Ansatzpunkte für andere Formen der Behandlung oder Prävention liefern, auch bei Fällen, die nicht genetisch bedingt sind. Bis jetzt sind sechs Parkinson-Gene bekannt. Deren Funktionsweise muss aber noch im Detail entschlüsselt werden – wofür die aktuellen Ergebnisse einen ersten Schritt geleistet haben. (CR/suwe)

Publikation:
„Loss of parkin or PINK1 function increases DRP1-independent mitochondrial fragmentation“
Lutz, A.K., Exner, N., Fett, M.E., Schlehe, J.S., Kloos, K., Laemmermann, K., Brunner, B., Kurz-Drechsler, A., Vogel, F., Reichert, A.S., Bouman, L., Vogt-Weisenhorn, D., Wurst, W., Tatzelt, J., Haass, C., and Winklhofer, K.F.
Journal of Biological Chemistry, 21. August 2009, Bd. 284, Ausgabe 34, S. 22938-22951

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