DEUTSCHES ÄRZTEBLATT
Die reversible
Proteinphosphorylierung
Nobelpreis für Medizin oder Physiologie 1992 für die medizinische
Grundlagenforschung
A m 12. Oktober 1992 entschied die Nobelpreisversammlung am Karolinska Institut in Stockholm, Schweden, den diesjähri- gen Nobelpreis für Medizin oder Physiologie an Edmond H. Fischer und Edwin G. Krebs vom Institut für Biochemie der Universität von Washington in Seattle USA für ihre Entdeckung der Reversiblen Protein- phosphorylierung als eines biologischen Regulationsmechanismus zu verge- ben.
„Wir stolperten damals regel- recht in dieses Forschungsgebiet hin- ein . . . Wir wußten nicht, wo es en- det und wir wissen es bis heute nicht . . . Vor allem hatten wir keine Ahnung, daß die Proteinphosphory- lierung einer der häufigsten und wei- testreichenden Regulationsmecha- nismen des Überlebens und der Funktion von Säugetierzellen ist. Um derartige Entdeckungen durch unse- re jüngeren Kollegen zu ermögli- chen, sollten die Forschungsinstitu- tionen nicht nur Projekte fördern, die sich mit einer speziellen Krank- heit beschäftigen, sondern vor allem auch solche, die der Grundlagenfor- schung zuzurechnen sind", erklärte Edwin Krebs den Reportern unmit- telbar nach der Bekanntgabe des Preises.
Die Interaktion von Prote- inen wird strikt kontrolliert
Eine einzelne Säugetierzelle enthält Tausende von Proteinen. Die Zelle kann nur durch die komplexe Interaktion dieser Proteine existie- ren, wachsen oder ihre differenzier-ten Aufgaben wahrnehmen (Tabelle 1). Wie wird die Interaktion der Pro- teine reguliert? Einer der entschei- denden Mechanismen ist die von Fi- scher und- Krebs entdeckte reversible Proteinphosphorylierung (Abbildung 1): Zunächst wird durch ein Enzym, die Proteinkinase, eine Phosphat- gruppe des energiereichen ATP (ADP-P) auf das zu regulierende Protein übertragen. Das resultieren- de Phosphoprotein ändert seine
Tabelle: Beispiele der Re- gulation biologischer Pro- zesse durch reversible Pro- teinphosphorylierung
D Kontraktion von Herzmus- kel-, Skelettmuskel- und Bron- chialmuskelzellen
> Mobilisation von Glukose aus Glykogen in der Leber- und Muskelzelle
> Sekretion von Hormonen durch Phosphorylierung sekre- torischer Vesikelproteine
> Signaltransfer von Hormo- nen, Wachstumsfaktoren und Zytokinen durch Phosphorylie- rung ihrer spezifischen Zell- oberflächenrezeptoren
> Regulation der Zellform und Mobilität durch Beeinflus- sung der Phosphorylierung von Zytoskelettproteinen
> Regulation der DNS- Synthese, der Zellteilung und der Synthese von Boten-RNA durch Phosphorylierung von Protoonkogenen und anderen Kernproteinen
D Regulation der Lebensdau- er von Boten-RNA durch Phosphorylierung von Stabili- sierungsfaktoren
D Regulation der Lebensdau- er und Aktivität von Enzymen und anderen Proteinen
D Regulation der Aktivität von Ionenkanälen
Konformation und dadurch seine biologischen Eigenschaften. Im Falle eines Enzyms kann seine katalytische Aktivität durch die gebundene Phos- phatgruppe um den Faktor 1000 er- höht werden, bei einer Muskelzelle kommt es zur Kontraktion etc. (Bei- spiele in Tabelle 1). Um aber regu- liert zu werden, muß es für jedes Phosphoprotein auch die Möglich- keit geben, die kovalent gebundene Phosphatgruppe wieder abzustoßen.
Dies wird durch ein weiteres Enzym, das der Aktivität der Proteinkinase entgegenwirkt, die Phosphatase er- reicht (Abbildung 1). Ob ein Protein als Phosphoprotein oder im dephos- phorylierten Zustand vorliegt, hängt dann von der Balance zwischen der Kinase und der Phosphatase ab.
Dieses delikate Gleichgewicht — eben die reversible Proteinphospho- rylierung — bedarf daher selbst der Kontrolle. Da sowohl Kinasen als auch Pho-sphatasen selbst durch die reversible Proteinphosphorylierung reguliert werden können, kann sich eine Kaskade von reversiblen Prote- inphosphorylierungen ausbilden, die zum Beispiel durch die Einwirkung eines zirkulierenden Hormons das Signal dieses Hormons um den Fak- tor eine Million oder mehr amplifi- ziert (Abbildung 2). Bei der reversib- len Proteinphosphorylierung handelt es sich daher um einen lebenswichti- gen biologischen Regulationsmecha- nismus höchster Präzision, der den Erfordernissen des komplexen Orga- nismus schnell und effektiv nach- kommen kann.
Die Entdeckungen von Fischer und Krebs haben weitreichende Konsequen- zen für die Medizin
Fischer und Krebs charakteri- sierten Mitte der 50er Jahre das er- ste Protein, das der reversiblen Pro- teinphosphorylierung unterliegt. Die beiden Forscher arbeiteten damals an der Regulation der Muskelkon- traktion. Um zu kontrahieren, benö- tigt die Muskelzelle Energie in Form von Glukose. Glukose liegt aber le- diglich in limitierter Menge in freier Form vor: Sie ist hauptsächlich in der Leberzelle und in der Muskelzelle in A1 -200 (58) Dt. Ärztebl. 90, Heft 4, 29. Januar 1993
ADP PO
Phosphorylierung (Kinase)
Protein Dephosphorylierung (Phosphatase)
® Protein
ADP
Abbildung 1: Der Mechanismus der reversiblen Proteinphosphorylierung. Der grundlegen- de Mechanismus der reversiblen Proteinphosphorylierung besteht in der Regulation eines physiologischen, das heißt den Erfordernissen des gesamten Organismus angepaßten Gleichgewichts zwischen der Kinase, die eine oder mehrere Phosphatgruppen auf das zu regulierende Protein überträgt, und einer Phosphatase, die diese Phosphatgruppe wieder abspaltet. Es wird geschätzt, das ein Prozent aller Genprodukte für Proteinkinasen kodieren und eine ähnlich große Zahl für Phosphatasen.
ebb-Adrenalin Zyklisches AMP
Zyklisches AMP abhängige Kinase
•000"fflelb,
Inaktive Kinase CD Aktive Kinase
Inaktives Enzym Aktives Enzym
f
Glykogen Glukose
Glukose
Form von Glykogen gespeichert.
Wird das Streßhormon Adrenalin ausgeschüttet (zum Beispiel, wenn die Konzentration der Glukose ab- sinkt), bindet das als Reaktion auf die Hypoglykämie akut aus der Ne- benniere ausgeschüttete Adrenalin an seinen Oberflächenrezeptor der Leberzelle oder der Muskelzelle. Als eine der Reaktionen der Adrenalin/
Rezeptor-Interaktion wird zyklisches AMP (cAMP) gebildet (für dessen Entdeckung Earl Sutherland 1971 den Nobelpreis erhielt). Zyklisches AMP aktiviert eine spezielle Protein- kinase, die das Enzym phosphory- liert, das aus Glykogen Glukose frei- setzt: Die Phosphorylase (für deren Entdeckung Carl und Gerti Cori 1947 den Nobelpreis erhielten). Die phosphorylierte oder aktivierte Form der Phosphorylase mobilisiert nun Glukose aus den Glykogenspeichern der Zelle. Die Konzentration der Glukose im Blut steigt schließlich an und führt im Sinne eines negativen Rückkopplungsmechanismus zu ei- ner Verminderung der Adrenalin- konzentration im Blut. Durch die Verminderung der Adrenalinkon- zentration versiegt der Stimulus für hohe zyklische AMP-Konzentratio- nen, und das Gleichgewicht inner- halb der reversiblen Proteinphos- phorylierungskaskade wird wieder
stand, allerdings mit dem wichtigen Unterschied, daß jetzt Glukose in ausreichender Konzentration für den Stoffwechsel aller Zellen des Organismus zur Verfügung steht (Abbildung 2).
Die Charakterisierung der Phos- phorylase als Enzym und der Prote- inkinase, die dessen Phosphorylie- rung mediiert, stellte damit den ei- gentlichen Durchbruch der For- schungen von Fischer und Krebs dar.
Ihre Entdeckungen stießen ein in- zwischen großes und insbesondere für die Medizin bedeutendes For- schungsgebiet an, dessen weitrei- chende Implikationen während der letzten 30 Jahre schrittweise immer Abbildung 2: Reversible Phosphorylierungs- kaskaden stellen machtvolle intrazelluläre Amplifizierungsmechanismen von Hormo- nen und anderen Agonisten dar, Schemati- sche Darstellung einer Zelle (Hepatozyt oder Muskelzelle), die unter dem Einfluß des katabolen Streßhormons Adrenalin, der Bildung von cAMP und der konsekutiven Aktivierung der cAMP-abhängigen Protein- kinase große Mengen Glukose aus Glyko- gen durch die Phosphorylierung der Phos- phorylase mobilisieren kann. Der Amplifizie- rungsmechanismus ist im Sinne eines en- dokrinen Rückkopplungsmechanismus auf der Ebene der Adrenalinkonzentration und konsekutiv auf der Ebene der reversiblen Phosphorylierungskaskade reguliert.
zugunsten der Phosphatase verscho- ben, die jetzt vermehrt die aktive Form der Phosphorylase durch Ab- spaltung der Phosphatgruppe in ih- ren inaktiven Zustand zurückführt.
Es wird jetzt eine ähnliche Situation hergestellt, die vor der Hypoglyk- ämie und der Ausschüttung von Adrenalin aus der Nebenniere be-
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deutlicher wurden. Es führte zur Entdeckung zahlloser weiterer regu- latorischer Zielproteine, die phos- phoryliert werden, und zur Entdek- kung einer großen Zahl weiterer Proteinkinasen und Phosphatasen.
Man schätzt heute, daß etwa ein Pro- zent aller in der Zelle vorhandenen Proteine Proteinkinasen sind und daß diesen Proteinkinasen eine ähn- lich große Zahl von Phosphatasen gegenübersteht. Diese Kinasen und Phosphatasen regulieren die biologi- sche Aktivität eines hohen Prozent- satzes aller in der Zelle vorhandenen Proteine. Erst während der letzten Jahre begann die pharmazeutische Industrie sich diesen Enzymen zu widmen in der Hoffnung, mit Hilfe spezifisch wirkender Medikamente pharmakologisch auf pathologische Situationen Einfluß zu nehmen, die durch eine Dysfunktion der Balance zwischen Kinasen und Phosphatasen gekennzeichnet sind.
Eine Dysfunktion der rever- siblen Proteinphosphorylie- rung führt zu Krankheiten - Medikamente, die diese Dysfunktion positiv beein- flussen, sind klinisch hoch- effektiv
Da die reversible Proteinphos- phorylierung zelluläre Reaktionen entscheidend bestimmt, ist nicht ver- wunderlich, daß die Zerstörung die- ser Balance zu Krankheiten führt.
Das Nobelpreiskommitee zählt aus der Fülle zahlreicher Möglichkeiten lediglich zwei Beispiele auf, um die Arbeit von Fischer und Krebs auch während der letzten Jahre zu illu- strieren: Die Immunreaktion bei der Abstoßungsreaktion in der Trans- plantationsmedizin und molekulare Mechanismen der Krebsentstehung.
Die Immunreaktion und die reversible Protein- phosphorylierung
Bei der Immunreaktion kommt es zur Interaktion von antigenen Fremdproteinen, die an die Oberflä- che von Makrophagen binden, und dem T-Lymphozytenrezeptor auf der Oberfläche von immunkompetenten Lymphozyten. Diese Interaktion, die
Edwin G. Krebs, geb. am 6. 6. 1918 in Lansing, Iowa, USA, studierte bis zum Vordiplom von 1936 bis 1940 Chemie in Urbana, Illinois, und von 1940 bis 1943 Medizin in St. Louis, Missouri. Nach seiner Assistenzarzt- zeit in Innerer Medizin am Barnes Hospital in St. Louis begann Krebs seine wissenschaftliche Arbeit 1946 an der Universität von Washington in Seattle. Bereits 1948 wurde er zum Assistenzprofessor für Biochemie
Edmond H. Fischer, geboren am 6.4.
1920 in Shanghai, China, und bis zu seiner Übersiedlung in die USA 1956 Schweizer Staatsbürger, studierte von 1939 bis 1944 Chemie und Biolo- gie an der Universität Genf. Noch in Genf verfaßte Fischer seine Promoti- onsarbeit über die „Isolation und
am Department für Biochemie der Universität berufen. 1968 bis 1976 leitete er das Department für Bio- chemie der Medizinischen Hoch- schule der University of California in Davis. 1977 kehrte er nach Seattle zurück, um das Department für Pharmakologie des Instituts für Bio- chemie zu übernehmen. Seit 1977 ist er Stipendiat des Howard Hughes Medical Institute Laboratory. Krebs ist Mitglied zahlreicher Wissen- schaftsorganisationen einschließlich der „American Society for Pharma- cology and Experimental Therapeu- tics" und der "American Academy of Arts and Sciences". Krebs erhielt die Ehrendoktorwürde der Universität Genf 1979, zahlreiche internationale Ehrungen wie den „Research Achie- vement Award" der amerikanischen Herzgesellschaft 1987 und die Al- bert-Lasker-Medaille für Grundla- genforschung 1989. Er ist seit 1972 bis heute assoziierter Herausgeber des Journal of Biological Chemistry und zahlreicher anderer internatio- naler Zeitschriften. 1973 wurde er in die Akademie der Wissenschaften der USA gewählt. Krebs ist verheira- tet und hat drei Kinder.
Kristallisation der a-Arnylase des Schweinepankreas", um anschlie- ßend von 1950 bis 1953 seine For- schungen als Stipendiat der Rocke- feller Foundation weiterzuführen.
1953 begann Fischer seine Arbeiten am California Institute of Technolo- gy, wurde aber bereits im gleichen Jahr zum Assistenzprofessor für Bio- chemie an das Institut für Biochemie der Universität von Washington in Seattle berufen, an dem er bis heute arbeitet. Fischer ist Mitglied mehre- rer Wissenschaftsorganisationen ein- schließlich der „American Associati- on for the Advancement of Sciences"
und der „American Society of Biolo- gical Chemists" und ist Mitherausge- ber zahlreicher internationaler Zeit- schriften. Fischer erhielt Ehrendok- torwürden der Universitäten von Montpellier und Basel sowie zahlrei- che weitere internationale Ehrun- gen. 1973 wurde Fischer in die Aka- demie der Wissenschaften der USA gewählt. Fischer ist verheiratet und hat zwei Kinder.
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die Immunreaktion triggert, führt in den zu aktivierenden T-Lymphozy- ten zu einer Kaskade von Phosphory- lierungs- und Dephosphorylierungs- reaktionen durch spezifische Prote- inkinasen und Phosphatasen, von de- nen Fischer und Krebs in den letzten Jahren mehrere selbst entdeckten.
Das entscheidende biologische Re- sultat dieser Phosphorylierungskas- kaden ist, daß mehr T-Lymphozyten rekrutiert werden, um die Invasoren (zum Beispiel Bakterien, Pilze, Vi- ren) niederkämpfen zu können. Die einerseits lebenswichtige Immunre- aktion — zum Beispiel gerichtet ge- gen die Fremdproteine attackieren- der Mikroorganismen — verkehrt sich dann in ihr Gegenteil und nimmt le- bensbedrohliche Formen für den Pa- tienten an, wenn es zur Organab- stoßung transplantierter Organe kommt. Die Proteine des Transplan- tats werden als Fremdproteine von Makrophagen erkannt: Es wird eine pathologische und die Funktion des Transplantats zerstörende Immünre- aktion initiiert. Ciclosporin A und ähnlich wirkende Substanzen, hoch-
potente Pharmaka in der Transplan- tationsmedizin, blockieren die Ab- stoßungsreaktion durch Inhibition einer der Dephosphorylierungsreak- tionen: Sie blockieren die Lympho- zytenphosphatase Calcineurin. Ohne funktionstüchtiges Calcineurin kön- nen die Lymphozyten das Transplan- tat nicht mehr effektiv attackieren.
Molekulare Mechanismen der Krebsentstehung
Unter bestimmten Bedingun- gen sind Proteinphosphorylierungen auch in die Pathogenese des mali- gnen Wachstums involviert. Viele Vorläufer von Krebsgenen, die Pro- toonkogene, sind Zellkernproteine (für deren Entdeckung Michael Bi- shop und Harold Varmus den Nobel- preis 1988 erhielten), die phosphory- liert werden können, deren biologi- sche Aktivität (das An- und Abschal- ten bestimmter Gene) also der rever- siblen Proteinphosphorylierung un- terliegt. Krebswachstum kann zum Beispiel dadurch entstehen, daß die Regulation dieser Protoonkogene durch die reversible Proteinphos-
phorylierung nicht mehr möglich ist, zum Beispiel, indem die Stelle (Ami- nosäure), an der das Protoonkogen phosphoryliert wird, in der Krebszel- le durch eine Mutation verloren ge- gangen ist und das dadurch ohne die Bremse einer Proteinkinase oder Phosphatase permanent und damit unreguliert aktiviert ist. Der Verlust des biologischen Regulationsmecha- nismus reversible Proteinphosphory- lierung triggert dann die maligne Transformation der Zelle.
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Anschrift des Verfassers:
Professor Dr. med.
Andreas J. R. Habenicht Medizinische Klinik der Universität Heidelberg Abteilung Endokrinologie und Stoffwechsel
W-6900 Heidelberg, Bergheimerstraße 58
Günstige Wirkung
von Fischöl bei ulzerativer Kolitis
Um die Wirksamkeit einer Fischölsupplementierung bei Patien- ten mit ulzerativer Kolitis zu unter- suchen, wurde eine randomisierte, doppelblinde, plazebokontrollierte Multicenterstudie durchgeführt, die insgesamt 24 Patienten umfaßte. Die Krankheit manifestierte sich bei al- len Patienten in Diarrhoe und rekta- len Entzündungszeichen. Eine be- reits begonnene Behandlung mit Prednison und Sulfasalazin wurde fortgesetzt, und die Probanden er- hielten zusätzlich pro Tag entweder 18 Kapseln mit Fischöl (3,24 g Eico- sapentaensäure + 2,14 g Docosahe- xaensäure) oder in der Plazebogrup- pe 18 identische Kapseln mit einer isokalorischen Menge an Pflanzenöl.
Die Crossover-Studie umfaßte zwei viermonatige Behandlungsperioden (Fischöl und Plazebo), getrennt
durch eine einmonatige Washout- Periode. Die Patienten wurden zu Studienbeginn sowie nach jeder Di- ätperiode auf folgende Kriterien un- tersucht: allgemeine Symptome, Sig- moidoskopie mit Rektalbiopsie, Pro- staglandin-E 2- und Leukotrien-B 4
-Spiegel im Rektaldialysat.
Nach der viermonatigen Fischöl- Periode ergaben sich signifikant niedrigere Leukotrien-B 4-Spiegel im Rektaldialysat, eine signifikante Verbesserung des akuten und ge- samten histologischen Index sowie eine signifikante Gewichtszunahme, während in der Plazebophase keine dieser Variablen eine signifikante Veränderung zeigte. Bei den Patien- ten, die gleichzeitig mit Prednison behandelt wurden, konnte die Pred- nison-Dosis während der Fischöl-Pe- riode durchschnittlich von 12,9 auf
6,1 mg/die gesenkt werden, in der Plazebo-Periode dagegen wurde sie von 10,4 auf 12,9 mg/die erhöht.
Eine viermonatige zusätzliche Gabe von Fischöl bei Patienten mit ulzerativer Kolitis hat also eine gün- stige Wirkung auf Entzündungspara- meter wie Leukotrien B4, den histo- logischen Befund sowie auf den All- gemeinzustand des Patienten. sht
Stenson, W. F., C. Cort, J. Rodgers, R. Bu- rakoff et al.: Dietary supplementation with fish oil in ulcerative colitis. Ann. Int. Med.
116 (1992) 809-814.
Department of Medicine, Jewish Hospital of St. Louis, St. Louis, MO 63110.
A1-204 (64) Dt. Ärztebl. 90, Heft 4, 29 Januar 1993
