Biochemie

Wie Proteine als molekulare Schalter unsere Zellen regulieren, wie man sie künstlich herstellen und verändern kann und wie wir molekulare Werkzeuge nutzen, um Krebs, HIV und Diabetes zu beeinflussen.

Trifft zum Beispiel ein Protein auf eine Zelle, taucht es in sie ein oder dockt es an die Zellmembran an, kann dies wahre Kaskaden von Signalen auslösen, die wiederum entscheidende Prozesse im Körper starten. Dabei können unglaubliche Spezifitäten und gleichzeitig millionenfache Verstärkungseffekte verursacht werden, indem ein Protein nach seiner Aktivierung mehrere andere Proteine aktiviert, die in Form eines Kaskadeneffekts weitere Proteine an- oder ausschalten können. Zum Beispiel kann der Spiegel eines bestimmten Hormons beeinflußt werden, das durch Einschalten derjenigen Komponenten, die für die Zellteilung wichtig sind, das Wachstum auslöst. Oder aber ein anderes Signal wird ausgelöst, das dafür sorgt, daß eine bestimmte Zelle in den geregelten Zelltod überführt wird.

Ein Beispiel aus Herbergs Arbeit: Als Folge einer HIV-Infektion werden bestimmte weiße Blutkörperchen, die T-Zellen, inaktiviert und so in ihrer Immunantwort gehemmt. Nun versucht Herberg, ein bestimmtes Enzym zu blockieren, welches über eine mehrstufige Signalkette zu dieser Inhibierung (Verhinderung)
der T-Zellaktivierung führt. Wird diese Signalkette gezielt unterbrochen, kann die T-Zelle wieder aktiviert werden, selbst wenn ein Virus die Zelle bereits befallen hat. Herberg sagt: „Es wird nicht versucht, die virale Infektion in den Griff zu kriegen, sondern ich reagiere in der späten Phase der Infektion auf das Virus, wenn der Befall durch dasselbe nicht mehr zu verhindern ist. Künftige Therapien könnten eventuell darauf aufgebaut werden.“

Mit der Aufklärung des menschlichen Genoms im Rahmen des Humanen Genom Projekts haben die Wissenschaftler ein erstes Etappenziel erreicht, in dem sie nun wissen, welche Gene die Erbinformation für die Herstellung welcher Proteine enthalten. Der erwartete Durchbruch im Verständnis der Krankheitsentstehung und Behandlung ist jedoch noch nicht geschafft. Der Genomforschung folgt die Proteomforschung. Sie hat gerade erst begonnen und widmet sich – im Gegensatz zum Genom – einem hochdynamischen System, das sich ständig in seiner Antwort auf Umwelteinflüsse oder Krankheiten verändert.

Ein Proteom ist das zu einem bestimmten Zeitpunkt und unter exakt definierten Randbedingungen quantitativ ermittelte Proteinmuster eines Organismus, einer Zelle, einer Organelle oder einer Körperflüssigkeit.

Die Vielfalt an Proteinen (hunderte bis tausende) in einer Zelle wird dadurch erheblich vergrößert, daß jedes Protein in verschiedenen Zuständen vorliegen kann. Deshalb hat eine Kartierung und Auflistung aller möglichen Proteine, die von einem Genom produziert werden können, nur einen relativ geringen
Informationswert. Für die biologische Aktivität und Wirkung eines Proteins sind vor allem seine Menge und bestimmte chemische Veränderungen des Proteins von Bedeutung.

In der Human Proteom Organisation (HUPO) (www.hupo.org) haben sich die Wissenschaftler in nationalen Gruppen die Aufgabe international geteilt. Die Chinesen kartieren die Proteine in der Leber, die Amerikaner die Proteine des Blutplasmas und die Deutschen die Proteine, welche die Prozesse im Hirn
steuern. Herberg arbeitet im HUPO-Projekt mit und koordiniert jene Arbeitsgruppe, welche die internationalen Standards der Proteomanalyse und die Durchführung der Analyseverfahren festlegt, um zu vergleichbaren Ergebnissen zu gelangen.

Ein zentrales Verfahren in der Proteomforschung ist die Massenspektrometrie, die vor allem zur Identifikation von Proteinen benutzt wird. Dazu werden alle Proteine eines bestimmten Zelltyps oder Gewebes mit biochemischen Methoden voneinander getrennt und mit speziellen Enzymen in kleine Stücke verdaut, deren Masse genau bestimmt wird. Ein Hochleistungscomputer identifiziert die Proteine durch einen Vergleich mit Massen aller bekannten Proteine, die theoretisch im Computer „verdaut“ werden. In Analogie zum genetischen Fingerabdruck, wie er in der Kriminologie eingesetzt wird, wird dieses Identifikationsverfahren als Massenfingerabdruck bezeichnet.

Was machen nun eigentlich diese cNPK-Enzyme, mit denen sich Herberg beschäftigt? Im Prinzip, so Herberg, übertragen diese Enzyme ein Phosphoratom aus unserem Energiespeichermolekül ATP auf ein Zielprotein und verändern damit die Funktion des Zielproteins. Der Prozeßheißt Phosphorylierung und ist einer der wichtigsten Regelmechanismen der höheren Zelle. Für die Entdeckung der Proteinkinasen, zu denen die cNPKs gehören, erhielten Edmond H. Fischer und Edwin G. Krebs 1992 den Nobelpreis. Die
Übertragung des Phosphoratoms wirkt wie ein Ein-Aus-Schalter, wodurch weitere Prozesse innerhalb der Signalkaskaden ausgelöst oder gehemmt werden. Da es über 500 Proteinkinasen gibt, von denen die meisten viele verschiedene Unterformen haben, gibt es eine extrem hohe Zahl dieser Schalter. Allen gemeinsam ist ihre dreidimensionale Grundstruktur, die durch die Analyse von Kristallstrukturen von cNPKs Anfang der 90er Jahre in San Diego zuerst aufgeklärt werden konnte (vgl. Abb. Modeling und Kristallstruktur) Ein Fehler im Prozeßder Phosphorylierung kann zum Beispiel Krebs auslösen, das unkontrollierte, unkoordinierte Wachsen und Teilen der Zelle. Gemeinsam ist allen Signalkaskaden, daß die Proteine, die hier als Schalter, Adapter, Verstärker und Modulatoren arbeiten, miteinander in direkten Kontakt treten. Deshalb fragt Herberg vor allem nach der Bindungskinetik der Proteine, nach ihrer Eigenschaft, sich rasch oder zögernd, für kurze oder lange Zeit an andere Moleküle zu binden. Wenn ein Protein sich rasch an ein anderes Molekül bindet, kann ein Signalimpuls rasch gegeben werden. Bindet es sich für lange Zeit, bleibt der Impuls womöglich lang erhalten. Aber unter welchen Bedingungen löst sich das Protein, und wie schnell? Wie schnell wird der Signalimpuls ausgeschaltet?

Um die Bindungs- und Reaktionskinetik der Proteine unmittelbar zu beobachten und zu messen, sind die Proteine zu klein. Also messen Herberg und seine Wissenschaftler die Abläufe indirekt.

Ein Verfahren, das die Kasseler Biochemiker hierzu mit Erfolg anwenden, ist die Surface Plasmon Resonance (SPR), ein Phänomen aus der Physik, bei dem mit Hilfe von Licht Konzentrationsänderungen auf einer Sensoroberfläche als Verschiebung eines Schattens gemessen werden.

Auf einem Chip, dessen Glasoberfläche mit einer hauchdünnen Schicht aus Gold versehen ist, wird eines der Moleküle angekoppelt, dessen Bindungseigenschaften untersucht werden sollen. Sodann werden andere Bindemoleküle in winzigen Flußzellen mit einem Volumen von 20 Nanoliter (20 Milliardstel eines Liters!) über den Chip geschickt, um die Bindung dieser Moleküle an die am Chip angehefteten Bindungspartner nach dem SPR-Prinzip zu messen.

Um herauszufinden, ob die vorbeifließenden Moleküle ohne Reaktion vorbeiströmen, ob sie anhaften und unter welchen Bedingungen sie haften bleiben oder sich wieder lösen, bestimmten Wellenlänge bestrahlt. Zwar wird das Licht zu einem überwiegenden Teil reflektiert, aber ein kleiner Teil des Lichtes
durchstrahlt den Goldchip. Dieses durchscheinende Licht wird durch jene Moleküle beeinflußt, die sich aus der Flußzelle an das Molekül auf der Chipoberfläche gebunden haben. Der SPR-Biosensor arbeitet als Massendetektor, so daß die Bindung der Biomoleküle in Echtzeit beobachtet werden kann. Auf diese Weise können die Wissenschaftler bestimmen, ob ein Molekül angedockt hat oder ob es sich vom Protein auf dem Chip gelöst hat. Das Bindungsverhalten von Proteinen mit unterschiedlichsten Molekülen lässt sich mit dieser Methode unter verschiedenen Bedingungen messen.

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