Pressemitteilung der TU München vom 04.09.2011

Interaktion zwischen Tumorsuppressor-Protein und Chaperon aufgeklärt:

Das Protein p53 spielt eine essentielle Rolle in der Krebsentstehung. Es verhindert, dass aus einer gesunden Zelle eine Krebszelle wird, indem es bei Schädigungen des Erbguts den kontrollierten Zelltod einleitet. Das Hitzeschockprotein Hsp90 wiederum aktiviert und stabilisiert p53. Nun haben Wissenschaftler der Technischen Universität München (TUM) aufgeklärt, wo und mit welchen Mechanismen die beiden Proteine interagieren. Über ihre Ergebnisse berichten sie in der aktuellen Ausgabe der Zeitschrift Nature Structural and Molecular Biology.

In jeder Zelle gibt es Tausende von Proteinen, deren Aktivität und Lebensdauer reguliert werden müssen, um den Lebenszyklus der Zelle von der Zellteilung bis zum Zelltod zu steuern. Das Hitzeschockprotein Hsp90 spielt hierbei eine zentrale Rolle. Es ist ein sogenanntes „Chaperon“, eine Art „Anstandsdame“ oder „Qualitätskontrolleur“. Es prüft und steuert die Qualität und Aktivität einer Vielzahl wichtiger Signalproteine und hilft ihnen, die richtige Gestalt anzunehmen. Wenn die Zelle durch Hitze oder Sauerstoffmangel hohem Stress ausgesetzt ist, wird es vermehrt hergestellt, um eine Schädigung der Partnerproteine zu verhindern.

Eines der wichtigsten Partnerproteine von Hsp90 ist das Tumorsuppressor-Protein p53. Es verhindert an mehreren Stellen der Zelle die Krebsentstehung und wird daher auch als „Wächter des Genoms“ bezeichnet. Bei DNA Schäden sorgt p53 dafür, dass die Zelle sich nicht mehr teilt und aktiviert Reparaturmechanismen. Reichern sich zu viele Erbgutschäden an, leitet das Protein den kontrollierten „Selbstmord“ der Zelle ein. Ist p53 inaktiv, teilt die Zelle sich trotz Schäden weiter – ein Tumor entsteht. Bei mehr als der Hälfte aller Tumore ist das p53 Protein geschädigt oder inaktiviert, kann also die Kontrollfunktion nicht mehr ausüben.

Hsp90 wiederum bindet an p53 und hält es in einem funktionalen Zustand bis es seine eigentliche Funktion, nämlich die Bindung an bestimmte Elemente der DNA, erfüllen kann. Wie und wo die Bindung von p53 an Hsp90 dabei genau erfolgt, war bisher jedoch unklar und strukturell nicht charakterisiert.

Am Department Chemie der TU München gelang es nun einem Team von Biochemikern um Professor Horst Kessler, in Kooperation mit der Gruppe von Professor Johannes Buchner, Inhaber des Lehrstuhls für Biotechnologie, die Details der Bindung von p53 an Hsp90 aufzuklären. Horst Kessler war von 1989 bis 2008 Inhaber des Lehrstuhls für Organische Chemie und Biochemie der TU München, und ist seit Oktober 2008 Carl-von-Linde-Professor am Institute for Advanced Study der TU München (TUM-IAS).

Mit Hilfe der kernmagnetischen Resonanzspektroskopie (NMR) konnten die Wissenschaftler am Bayerischen NMR-Zentrum in Garching zum ersten Mal die Interaktionsflächen zwischen Hsp90 und p53 charakterisieren und zeigen, dass p53 in einer bereits strukturierten Form an Hsp90 bindet. Dadurch wird p53 in einem funktionalen Zustand gehalten bis diese Interaktion durch seinen eigentlichen Bindungspartner DNA aufgelöst wird. Um p53 im richtigen Zustand zu halten, müssen dabei mehrere Interaktionsflächen an verschiedenen Stellen des Hsp90 Proteins in fein abgestimmter Weise zusammen wirken.

Bei der kernmagnetischen Resonanzspektroskopie wird eine Probe aus gelösten Proteinen in ein extrem starkes homogenes Magnetfeld gebracht und mit komplizierten Folgen von Radiofrequenzimpulsen bestrahlt. Die Atomkerne im Protein reagieren darauf mit einer charakteristischen Antwortfrequenz, die von der Umgebung des jeweiligen Kerns abhängt und von den Wissenschaftlern gemessen werden kann. „Jeder einzelne angeregte Kern zeigt dabei eine eigene Frequenz“, erklärt Kessler. „Auf diese Weise können wir feststellen in welcher Beziehung die einzelnen Kerne zueinander stehen und so auf die Struktur des Proteins schließen.“ Bindet p53 an Hsp90 ändern sich die Antwortfrequenzen an bestimmten Stellen des Proteins. An Hand dieser Änderungen können die Wissenschaftler sehen, an welche Stellen von Hsp90 das p53 Protein bindet.

Die neuen Erkenntnisse über die Interaktionsflächen zwischen Hsp90 und p53 haben eine große Bedeutung für die Entwicklung neuer Krebsmedikamente. Denn Hsp90 stabilisiert nicht nur intaktes p53 sondern vor allem auch mutierte Versionen des Proteins. Dies führt zu einer negativen Wirkung des Chaperons. Der Grund: Das durch Hsp90 aufrecht erhaltene defekte p53 bindet seinerseits an aktives p53 und inaktiviert es – ein Tumor kann entstehen. Medikamente, die an den gefundenen Stellen angreifen, könnten in Zukunft verhindern, dass Hsp90 an defektes p53 in Krebszellen binden und stabilisieren kann. „Viele der in Tumoren veränderten p53 Varianten sind weniger stabil als intaktes p53 und benötigen daher Hsp90 umso mehr“, erklärt Franz Hagn, Erstautor der Studie. „Hemmt man diese Interaktion, wird vor allem das mutierte p53 entsorgt. Dadurch kann das intakte p53 seine Funktion noch erfüllen, geschädigte Zellen beseitigen und den Krebs verhindern.“

In ihrer Studie stellten Kessler, Buchner und ihr Team fest, dass p53 nicht nur wie bislang vermutet an die mittlere Domäne von Hsp90, sondern ebenfalls mit hoher Affinität an einen Bereich der C-terminalen Domäne des Proteins bindet. Verantwortlich für die Stabilität dieser Bindung sind dabei an beiden Bindungsstellen von Hsp90 negativ geladene Aminosäuren. „Diese Stellen ähneln der DNA, deren Phosphatrückrat ebenfalls negativ geladen ist“, erklärt Kessler. „Hsp90 ahmt also den eigentlichen Partner von p53 nach. So wird der Komplex aus beiden Proteinen zusammen gehalten.“ Dabei bleibt p53 in seinem Ursprungszustand erhalten und kann weiterhin an DNA binden.

Die Arbeit wurde unterstützt durch das TUM Institute for Advanced Study, die Deutsche Forschungsgemeinschaft (SFB 594), den Exzellenzcluster Center for Integrated Protein Science Munich (CIPSM), das Elitenetzwerk Bayern, den Fonds der Chemischen Industrie sowie der European Molecular Biology Organization.

Originalpublikation:
Structural analysis of the interaction between Hsp90 and the tumor suppressor protein p53 Franz Hagn, Stephan Lagleder, Marco Retzlaff, Julia Rohrberg, Oliver Demmer, Klaus Richter, Johannes Buchner and Horst Kessler Nature Structural & Molecular Biology, DOI: 10.1038/nsmb.2114

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Medienmitteilung der Universität Basel vom 12.08.2011

Wenn sich Wellen treffen, entsteht eine neue einzelne Welle. Dieses Interferenz genannte Phänomen kennt man von Schall- oder Lichtwellen. Interferenzmuster lassen sich aber auch für grosse organische Moleküle beobachten, womit die Wellennatur dieser Teilchen nachgewiesen werden kann. Chemikern der Universität Basel ist es nun zusammen mit Kollegen der Universität Wien gelungen, Moleküle herzustellen, die sich für solche Untersuchungen speziell eignen. Synthese und Ergebnisse der Interferenzexperimente wurden unlängst im «European Journal of Organic Chemistry» veröffentlicht.

Die von den Autoren verwendete Methode der Molekülinterferometrie erlaubt es, den quantenmechanischen Welle-Teilchen-Dualismus mit grossen organischen Molekülen zu untersuchen. Hierbei interessiert insbesondere die Frage, wie sich die innere Struktur und die Dynamik komplexer Teilchen auf das Wellenverhalten ihrer Schwerpunktsbewegung auswirken. Es handelt sich um die ersten Experimente dieser Art im Graubereich zwischen Quantenwelt und klassischer Mechanik.

Um den Übergang zwischen der Quantenwelt und der klassischen Mechanik zu verstehen, ist es wichtig, Moleküle mit zunehmender Masse und Komplexität zu untersuchen. Für Interferenzexperimente werden zur Erzeugung des Molekularstrahls Verbindungen benötigt, die einen hohen Dampfdruck haben, auch bei hohen Temperaturen stabil bleiben und leicht ionisierbar sind. Die zwei ersten Eigenschaften finden sich bei hoch fluorierten Verbindungen, also Verbindungen, die viele Fluoratome enthalten. Um hohe Molekulargewichte und gute Ionisierungseigenschaften zu erreichen, wählten die Basler Chemiker um Prof. Marcel Mayor einen Ansatz, bei dem sie verzweigte fluorierte Gruppen an einen Porphyrin-Kern anhängten.

Modulare Synthesestrategie

Das Ziel der Forscher war es, einen bestimmten Massenbereich abzudecken und das Moleküldesign bezüglich der gewünschten Eigenschaften zu verbessern. Durch die modulare Synthesestrategie, bei der zunächst die peripheren fluorierten Bausteine synthetisiert und danach an das Porphyrin-Zentrum gekoppelt werden, ist es leicht möglich, die Molekülstrukturen zu modifizieren und im Hinblick auf die Interferenzexperimente zu optimieren.

Die Forscher konnten zeigen, dass mit sieben von ihnen synthetisierten fluorierten Porphyrinen Molekülinterferometrie-Experimente möglich sind. Einige dieser Verbindungen zählen zu den grössten Objekten, für die Welleneigenschaften bislang beobachtet werden konnten, sodass die hier beschriebenen Experimente massgeblich zur Erforschung der Grenzen der Quantenmechanik beitragen.

Im Vordergrund steht dabei die Frage, ob es für den Welle-Teilchen-Dualismus praktische oder prinzipielle Grenzen für Masse und Komplexität gibt. In Zukunft wird daher versucht werden, über die modulare Synthesestrategie die Komplexität solcher Verbindungen weiter zu erhöhen, um Interferenzexperimente mit noch grösseren Objekten zu ermöglichen.

Originalpublikation:
Jens Tüxen, Sandra Eibenberger, Stefan Gerlich, Markus Arndt, Marcel Mayor
Highly Fluorous Porphyrins as Model Compounds for Molecule Interferometry
European Journal of Organic Chemistry, published online 13. Juli 2011 | doi: 10.1002/ejoc.201100638

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Presseinformation der LMU München vom 01.08.2011

Der einfache Weg zur Suzuki-Reaktion

Kohlenstoff ist das zentrale Element der Organischen Chemie – wie auch ein Grundbestandteil aller Lebewesen. Die sogenannte Suzuki-Reaktion generiert auf sehr einfachem Wege Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen als Ausgangspunkt für die Synthese einer fast unendlichen Zahl organischer Moleküle. Ein Forscherteam um den LMU-Chemiker Professor Paul Knochel hat nun eine praktische und generelle Synthesemethode für die entscheidenden Bausteine der Suzuki-Reaktion entwickelt. „Die neue Methode ist sehr breit für unterschiedliche Verbindungen einsetzbar und produziert sehr wenig Abfall“, sagt Knochel. „Sie könnte also sehr interessant für die Industrie sein, die schon jetzt häufig Suzuki-Reaktionen einsetzt, unter anderem für die Entwicklung von medizinischen Wirkstoffen und neuen Materialen wie etwa Flüssigkristalle für Displays.“ (Angewandte Chemie International Edition, 01.  August 2011)

Die Suzuki-Reaktion – oder Palladium-katalysierte Kreuzkupplung von Organobor- mit Organohalogenverbindungen – erlaubt, Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen auf einfachem Wege zu generieren. Daraus wiederum kann dann eine fast unendliche Anzahl verschiedener organischer Moleküle synthetisiert werden. Die Suzuki-Reaktion ist der Grundstein für die Entwicklung neuer medizinischer Wirkstoffe und revolutionärer Materialen. Ihrem Erfinder Akira Suzuki brachte sie 2010 den Nobelpreis für Chemie ein.

Knochel und sein Team suchten nach einer Weiterentwicklung durch die einfache, billige und allgemeingültige Synthese von neuen Bor-Verbindungen, um diese ohne vorherige Aufreinigung in Suzuki-Reaktionen einsetzen zu können. „Uns ist es gelungen, die Synthese so zu optimieren, dass die Reaktion als ‚Eintopfsynthese‘ abläuft“, sagt Christoph Sämann, der maßgeblich zur Studie beigetragen hat. „Diese Methode hat sich als sehr mild erwiesen, wobei sie viele funktionelle Gruppen toleriert und damit breit für unterschiedliche Verbindungen eingesetzt werden kann.“

Im Unterschied zu herkömmlichen Bor-Verbindungen sind hier zwei zu übertragende organische Reste am Bor vorhanden, die dann ohne Ausbeuteverlust in der Suzuki-Reaktion übertragen werden können. „Das wiederum steigert die Atomökonomie deutlich“, so Knochel. „Es fällt also weniger Abfall an, was vor allem für die Industrie von großer Bedeutung ist.“ (suwe)

Publikation:
„Practical One-pot Preparation of Magnesium Diaryl-, Diheteroaryl- and Dialkenyl-boronates for Suzuki-Miyaura Cross-Couplings“;
Benjamin A. Haag, Christoph Sämann, Anukul Jana, Paul Knochel;
Angewandte Chemie, International Edition, 01.  August 2011.

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Pressemitteilung der Universität Stuttgart vom 20.07.2011

Stuttgarter Chemiker dem Ursprung des Lebens auf der Spur

Nach der RNA-Welt-Hypothese geht das Leben auf der Erde von Ribonukleinsäuren (RNA) aus. Sie übertragen in der Zelle genetische Informationen und können biochemische Reaktionen katalysieren. Das fehlende Puzzlestück bisher: Wie konnte die RNA vor Milliarden von Jahren ohne die Mithilfe von damals noch nicht vorhandenen Enzymen eine Kopie ihrer selbst herstellen, um die genetische Information weiterzugeben? Eine Lücke in der RNA-Welt-Theorie von der Entstehung des Lebens hat die Arbeitsgruppe um Prof. Clemens Richert vom Institut für Organische Chemie der Universität Stuttgart nun geschlossen, wie in der renommierten Fachzeitschrift Nature Chemistry kürzlich berichtet wurde (Online-Vorabbericht). Die Wissenschaftler konnten nachweisen, dass die RNA auch ohne Enzyme effizient abgelesen werden kann, wenn sie auf Oberflächen festgehalten wird.

Bei ihren Experimenten versuchten die Chemiker Christopher Deck, Mario Jauker und Clemens Richert die Reaktionen in einer frühen Phase der Evolution nachzuspielen, in der noch keine Zellen existiert haben. Kurze RNA-Stränge, die durch Polymerisationsvorgänge auf Mineraloberflächen hätten entstanden sein können, banden die Stuttgarter Wissenschaftler an magnetische Eisenodix-Partikel. Die festgehaltenen Stränge umspülten sie täglich mit einer frischen Lösung, in der die RNA-Bausteine für die Verlängerung eines kurzen Gegenstranges – quasi die Buchstaben des genetischen Alphabets – schwammen. Die Ausbeute an neu eingelagerten „Buchstaben“ des Gegenstranges war selbst dann noch hoch, wenn ein „Buchstabe“ eingebaut werden musste, der ohne Enzymhilfe nur schwach an die RNA-Matrize bindet.

Bisher hatten Wissenschaftler stets beobachtet, dass die enzymfrei ablaufenden Reaktionen für natürliche RNA irgendwann zum Erliegen kommen. Prof. Richert und sein Team konnten dieses Phänomen ebenfalls registrieren, wenn die RNA-Stränge nicht an eine Oberfläche gebunden waren, sondern mit den RNA-Bausteinen frei in der Lösung schwammen. Der Grund: die einzelnen Bausteine zerfallen langsam und die Zersetzungsprodukte blockieren zunehmend die Ablesereaktion.

Die jetzt veröffentlichten Experimente fanden zwar nur an Sequenzen statt, die keine Gene darstellen, sie stützen aber die Hypothese von der RNA als Urbaustein bei der Entstehung des Lebens. Zukünftig will Richert mit seiner Arbeitsgruppe längere RNA-Sequenzen studieren und noch mehr Einzelschritte in der Entstehung doppelsträngiger RNA in einem einzigen Experiment anstoßen. Beispielsweise könnten Oberflächen aus Tonmineralien sich besser eignen, den als Matrize dienenden RNA-Strang nicht nur entstehen, sondern später auch ablesen zu lassen.

Veröffentlichung:
Christopher Deck, Mario Jauker und Clemens Richert (2011): Efficient enzyme-free copying of all four nucleobases templated by immobilized RNA. Nature Chemistry, DOI: 10.1038/NCHEM.1086.

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Medieninformation der TU Berlin vom 15.07.2011

TU-Forscherteam im Bereich „Grüne Chemie“ auf dem Weg zur nachhaltigen Herstellung von Feinchemikalien

Die Preise für Antibiotika und Virostatika könnten künftig fallen. Wichtige Voraussetzung dafür: Die bislang sehr teure Herstellung von Feinchemikalien für diese Medikamente muss günstiger werden. Daran arbeitet ein Team des Instituts für Chemie an der Technischen Universität Berlin.

Mit Hilfe eines neuartigen Verfahrens wollen Projektleiterin Sonja Jost und ihre vier Kolleginnen und Kollegen Regina Böttcher, Martin Rahmel, Anita Royal und Dr. Axel Wessolowski die Produktion von Feinchemikalien optimieren. Nachhaltigkeit sei dabei das Schlagwort, so Jost. Sie erklärt das Vorhaben: „Eine Katalysatorreaktion in Wasser ist nicht nur kostengünstiger, sondern auch umweltschonend, da wesentlich weniger Chemieabfälle entstehen.“ Bislang wird bei der Herstellung dieser chemischen Rohstoffe oftmals auf umweltgefährdende oder -schädigende Lösungsmittel und teure Katalysatoren zurückgegriffen. Das Projekt heißt „Homogen katalysierte Produktion enantiomerenreiner Vorprodukte mit integriertem Katalysatorrecycling“.

Dass die Katalyse in wässrigen Systemen funktionieren könnte, entdeckte die diplomierte Ingenieurin Jost während ihrer Forschungstätigkeiten am TU-Fachgebiet Technische Chemie. Ende vergangenen Jahres ließ sie sich ihre Entdeckung patentieren. „Die Idee, nur mit Wasser und einigen harmlosen Zusätzen umweltschonend zu produzieren, erschien mir durchaus auf einen industriellen Maßstab übertragbar. Diese Form der kostengünstigen Herstellung von Feinchemikalien hat das Potenzial zu etwas ganz Großem!“

Unterstützt wird das Team von TU-Professor Peter Strasser vom Fachgebiet Technische Chemie. Auch das Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie glaubt an den Erfolg der Chemikerinnen und Chemiker. Das Ministerium fördert sie im Rahmen des EXIST-Forschungstransfer-Programms mit knapp einer halben Million Euro. Innerhalb von 18 Monaten soll nun gezeigt werden, dass das Vorhaben tatsächlich realisierbar ist.

Nach einer erfolgreichen Entwicklung ist eine Ausgründung geplant. „Potenzieller Abnehmer ist die pharmazeutische Industrie“, so Teammitglied Dr. Axel Wessolowski. „Vor dem Hintergrund steigender Zahlen antibiotikaresistenter Bakterien, ist die Neuentwicklung dieser Medikamente ein wichtiges Thema. Und ist es nicht besser, wenn dies zusätzlich auch kostengünstiger und ‚grüner‘ geschehen kann?“ (jb)

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