Bereich: Grundlagenforschung Rheumatologie, Immunologie und klinische Immunologie

Dr. Bruno Martoglio Zürich

Zusammenfassung
Proteine sind die vielseitigsten Komponenten lebender Organismen. Sie sind essenziell für alle biologischen Prozesse. Sie wirken beispielsweise als Enzyme und katalysieren fast alle biochemischen Reaktionen, transportieren und speichern andere Moleküle, wie Sauerstoff, leiten Nervenimpulse und kontrollieren Wachstum und Entwicklung. Eine der grössten Klasse von Proteinen sind die Proteasen. Diese spalten andere Proteine und spielen so eine fundamentale Rolle bei der Herstellung, Aktivierung, Deaktivierung und Degradation von Proteinen. Einfach gesagt, Proteasen regulieren und kontrollieren die Funktion von Proteinen.
Für die Spaltung von Proteinen benötigen Proteasen Wassermoleküle. Man hat deshalb angenommen, dass Proteasen nur in wässriger Umgebung agieren können, nicht aber im wasserfreien Milieu einer Zellmembran. Diese Annahme wurde durch die Tatsache untermauert, dass bisher nur Proteasen identifiziert worden sind, die Proteine in wässriger Umgebung spalten. Allerdings gab es in den vergangenen 5-10 Jahren mehr und mehr Hinweise, die auf Proteinspaltungen in Zellmembranen hindeuteten. Auch wurden Enzyme gefunden, welche für diese Reaktionen nötig sind. Es gelang aber nicht zu zeigen, dass sie tatsächlich Proteasen sind, also die Fähigkeit besitzen Proteine zu spalten. Da all diese Enzyme für wichtige, regulatorische Prozesse in den Zellen notwendig sind, wie zum Beispiel die Kontrolle des Fett- und Cholesterin-Stoffwechsels oder der Organentwicklung, sind sie für die medizinische Forschung besonders interessant. Eines davon ist das Presenilin, welches bei der Entstehung der Alzheimer-Krankheit eine kausale Rolle spielt.

Beschreibung der Arbeit: Identifizierung einer neuen Protease
In der prämierten Arbeit beschreiben wir die Identifizierung einer neuen Protease, der Signalpeptid-Peptidase (SPP). Wir sind von der Beobachtung ausgegangen, dass ein für uns interessantes Protein scheinbar in einer Zellmembran gespalten wird. Um diese Reaktion genauer zu untersuchen, haben wir die dazu notwendigen Bestandteile einer Zelle isoliert und ein einfaches Testsystem entwickelt. Zudem haben wir einen Hemmstoff synthetisiert, mit dem wir gezielt die beobachtete Proteinspaltung hemmen und die unbekannte Protease markieren konnten. Mittels Massenspektrometrie identifizierten wir anschliessend die markierte Protease. Das bisher nicht bekannte Enzym, das SPP, hat all die Eigenschaften, die wir von einer Protease erwarten, welche Proteine in Zellmembranen spaltet. Die Frage war nun, wie können wir beweisen, dass SPP dies tatsächlich kann? Das Einfachste wäre gewesen, das SPP aufzureinigen und in einem Aktivitätstest dessen Spaltungsaktivität nachzuweisen. Dies ist aber bis heute mit keinem derartigen Enzym gelungen, auch nicht mit SPP. Wir haben deshalb eine andere Strategie gewählt und das Gen für das menschliche SPP in Hefezellen übertragen. Hefen besitzen selbst kein SPP und können unser Modellprotein nicht spalten. Die veränderten Hefen hingegen, welche nun das humane SPP herstellen können, hatten auch die Fähigkeit unser Modellprotein zu spalten. Wir konnten also nicht nur ein neues Enzym identifizieren, das wie eine Intramembran-Protease aussieht, sondern erstmals auch nachweisen, dass ein derartiges Enzym tatsächlich eine Protease ist.

Die Funktion von SPP bei der Überwachung des Immunsystems
Das menschliche Immunsystem hat die Aufgabe, Krankheitserreger abzuwehren und kranke Zellen zu entfernen. Eine wichtige Rolle dabei spielen die MHC I Proteine, von denen es eine grosse Anzahl verschiedener Typen gibt. Die MHC I Proteine präsentieren Signale an der Oberfläche von Körperzellen und zeigen so dem Immunsystem, dass mit der Zelle alles in Ordnung ist, oder aber, dass die Zelle einen Krankheitserreger trägt und beispielsweise mit einem Virus infiziert ist. Da MHC I Proteine sehr wichtig für unser Immunsystem sind, wird deren Produktion minuziös kontrolliert. So fällt bei der Herstellung der MHC I Proteine ein Nebenprodukt an, das in fast allen Vorstufen der MHC I Proteine zu finden ist. In einem komplexen Prozess wird das Nebenprodukt weiter verarbeitet und letztendlich als so genanntes HLA-E Epitop ebenfalls an der Oberfläche von Körperzellen präsentiert. Wie genau dieser Prozess abläuft, war nicht klar. Erst als wir nachweisen konnten, dass auch das SPP für die Produktion der HLA-E Epitope essenziell ist, war ersichtlich, welchen Weg die Produktion durchläuft. Dieser Befund war wichtig, um letztlich Klarheit zu haben, was die Rolle der HLA-E Epitope ist. Da die Epitope den aufgezeigten Produktionsweg durchschreiten und an der Zelloberfläche präsentiert werden, signalisieren sie dem Immunsystem, dass die Zelle MHC I Proteine hergestellt hat und somit aktiv bei der Abwehr von Krankheitserregern mithelfen kann. Fehlen die Epitope an der Zelloberfläche, greifen so genannte Natürliche Killerzellen an und eliminieren die scheinbar kranke Zelle.
Die Rolle der HLA-E Epitope könnte aber weit über das blosse Signalisieren von MHC I Protein-Produktion hinaus gehen. Alle daran beteiligten Enzyme sind auch für andere Aufgaben in der Zelle nötig. Dies gilt mit grosser Wahrscheinlichkeit auch für das SPP. Die Protease finden wir nämlich auch in Organismen, die nicht über ein komplexes Immunsystem wie das unsrige verfügen und keine HLA-E Epitope produzieren. Hinweise auf andere, wichtige Funktionen können wir aus Experimenten mit Fruchtfliegen (Drosophila) oder Gänsekraut (Arabidopsis) ableiten. In beiden Organismen ist SPP für die Embryonalentwicklung essenziell. Wenn SPP also für das korrekte Funktionieren einer Zelle wichtig ist, genau wie viele der anderen Enzyme, die an der Herstellung der HLA-E Epitope beteiligt sind, so reflektieren die Epitope an der Zelloberfläche auch den Gesundheitszustand der Zelle. Funktioniert eines dieser Enzyme nicht optimal, so erscheinen weniger oder gar keine Epitope, und die Zelle wird von den Natürlichen Killerzellen angegriffen und eliminiert.

Die Verwandtschaft zu Presenilin und Bedeutung für die Alzheimer-Forschung
Ein Vergleich mit der Gendatenbank hat ergeben, dass das menschlichen Genom noch vier weitere Enzyme enthält, die mit SPP verwandt sind. Über deren Funktion können wir zum jetzigen Zeitpunkt nur spekulieren. Wir nehmen an, dass es sich ebenfalls um Intramembran-Proteasen handelt, die regulatorische Prozesse in den Zellen kontrollieren. Der Datenbankvergleich hat auch gezeigt, dass SPP Gemeinsamkeiten mit Presenilin aufweist und zum gleichen Typ Protease gehört. Dieser Befund war von grosser Bedeutung für die Alzheimer-Forschung. Bei der Alzheimer-Krankheit entstehen im Gehirn toxische Abbauprodukte eines Proteins. Über kurz oder lang führt dies zum Absterben von Nervenzellen und letztlich zu den Symptomen der Alzheimer-Krankheit. An der Bildung dieser toxischen Abbauprodukte ist das Presenilin beteiligt.

Für die pharmazeutische Industrie ist Presenilin daher eines der wichtigsten möglichen "Drug Targets" zur Behandlung von Alzheimer. Hemmstoffe von Presenilin könnten die Bildung der toxischen Abbauprodukte verhindern. Die Rolle von Presenilin war aber lange Zeit unklar. Man hat angenommen, dass es eine Protease sein könnte. Diese These war jedoch sehr umstritten. Erst die Identifizierung von SPP und vor allem der Nachweis seiner Protease-Aktivität haben wesentlich dazu beigetragen, dass das verwandte Presenilin nun als Protease anerkannt ist. Damit wurde auch die Rolle von Presenilin bei der Entstehung von Alzheimer allgemein besser verstanden. Das Aufzeigen von Gemeinsamkeiten von SPP und Presenilin hat auch auf Risiken von Presenilin-Hemmstoffen hingewiesen. So konnten wir zeigen, dass viele Presenilin-Hemmer auch sehr effizient das SPP blockieren und somit bei Patienten zu zusätzlichen Nebenwirkungen hätten führen können. Dieser Befund ist für die Entwicklung neuer Hemmstoffe wichtig, die so beschaffen sein müssen, dass sie das Presenilin hemmen, nicht aber das SPP.

Hepatitis C Viren machen sich SPP zu Nutze; ein neuer Ansatzpunkt im Kampf gegen Hepatitis C?
Hepatitis C ist eine der häufigsten Viruserkrankungen weltweit und eine der Hauptursachen für Leberzirrhose und Leberkrebs. Rund 200-400 Millionen Menschen sind davon betroffen. Leider sind die Möglichkeiten Hepatitis C zu heilen sehr begrenzt. Aus diesem Grund wird intensiv nach neuen Strategien geforscht. Wie alle Viren vermehren sich auch die Hepatitis C Viren in Körperzellen und schädigen so den infizierten Organismus. Sie tun dies, indem sie die Körperzellen so umprogrammieren, dass diese Virus-Bausteine herstellen. Viren machen sich also die Enzyme der Zelle zu Nutze, um sich zu vermehren.

In einer weiteren Arbeit konnten wir zeigen, dass Hepatitis C Viren unter anderem das SPP ausnutzen. SPP wird für die Herstellung der Virusbausteine benötigt, welche im fertigen Virus die Virusgene verpacken. Würde man die Proteaseaktivität von SPP mit einem Hemmstoff blockieren, so könnte die infizierte Zelle wahrscheinlich keine neuen Viren mehr produzieren, und die Virusinfektion wäre gestoppt. Ähnlich wie das Presenilin für die Alzheimer-Krankheit, könnte also SPP ein "Drug Target" für die Behandlung von Hepatitis C sein. Wie weit dieses Szenario tatsächlich realistisch ist, und ob eine Hemmung von SPP vereinbar ist mit dessen Funktion bei der Überwachung des Immunsystems, bleibt abzuklären.

Weihofen A, Binns K, Lemberg MK, Ashman K, Martoglio B.
Identification of signal peptide peptidase, a presenilin- type aspartic protease
Science Vol 296, pp. 2215-2218,
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Forschungsarbeit
Enzymatische Spaltung von Proteinen in Zellmembranen; ein essenzieller Schritt bei der Überwachung des Immunsystems und der Qualitätskontrolle von Körperzellen	78 Kb