Ich habe das Vergnügen Ihnen den nächsten Vortragenden anzukündigen,
Herrn Professor Aaron Ciechanover vom Technion in Haifa, Israel.
Er erhielt den Nobelpreis für Chemie zusammen mit Avram Hershko, der seinen Vortrag gestern gehalten hat,
und Irwin Rose für die Entdeckung des ubiquitin-vermittelten Proteinabbaus.
Seit er den Preis in Empfang genommen hat, ist Professor Ciechanover jedes Jahr in Lindau –
er mag diese Stadt ganz offensichtlich.
Wir möchten ihm für sein Wohlwollen bezüglich dieser Veranstaltung und seine Unterstützung danken.
Sein heutiger Vortrag handelt von der Dynamik unserer Proteine von den zugrunde liegenden Mechanismen bis zum Patientenbett.
Bitte, Aaron.
(Applaus).
Ich möchte mich Richard Roberts Empfehlung bezüglich zukünftiger Projekte bzw. Forschungsvorhaben von Studenten anschließen.
Wenn ich selbst heute wählen müsste, würde ich mich für die Mikrobiologie und Virologie entscheiden,
und zwar nicht nur, weil diese Gebiete faszinierend, sondern auch weil sie so enorm wichtig sind.
Allein wenn wir uns die letzten 30 Jahre mit Legionellen, Ebola, Vogelgrippe und AIDS ins Gedächtnis rufen,
wird uns klar, dass wir uns auf dünnem Eis bewegen.
Nur ein paar Mutationen hätten bei all diesen Organismen dazu führen können, dass sie weitaus virulenter sind,
und uns ins Mittelalter mit der schwarzen Pest zurückgeworfen.
Irgendwie haben wir uns eingebildet, wir hätten die Infektionskrankheiten besiegt,
und die Regierungen haben, wie Richard bereits sagte, die Mittel eingefroren.
Doch das war nur eine Illusion.
Lassen Sie mich also mit meinem Vortrag beginnen.
Ich werde versuchen, Überschneidungen mit dem gestrigen Vortrag meines Mentors zu vermeiden
und dessen Inhalt nur am Rande zu berühren.
Ich werde Ihnen ein wenig über die Geschichte der Proteolyse im Ubiquitin-System erzählen,
und zwar nicht nur um denjenigen Menschen Tribut zu zollen, die diesen Forschungsbereich etabliert haben,
da ich denke, dass wir keine Randfiguren sind, sondern eine definierte Rolle in der Mitte spielen,
aber auch um Ihnen zu zeigen, dass Sie, wenn Sie ins Labor gehen und ein neues Projekt starten wollen,
wirklich wissen müssen, was andere Leute in diesem Bereich bereits geforscht haben.
Dann werden Sie feststellen, dass Sie von zahlreichen Meilensteinen umgeben sind und nur die Fäden zusammenführen
und dann auf dieser Grundlage neues Wissen generieren müssen.
Danach werde ich Ihnen die Geschichte der eigentlichen Entdeckung im Einzelnen erzählen
und dann direkt ihre Anwendung in der Medizin erläutern.
Ich werde Ihnen zeigen, wie Medikamente – aktuelle und zukünftige – entwickelt werden
und welchen Weg die Pharmafirmen dabei spielen.
Es geht also um die Proteolyse, einen alten Prozess, den wir gut kennen und bei dem Aminosäuren hydrolysiert werden.
Sie findet im Körper in verschiedenen Organellen statt.
Entscheidend ist die Topologie im Magendarmtrakt.
Der Prozess ist einfach:
Jedes Protein, das hineingelangt, wird unspezifisch abgebaut.
Eliminierung der Antigenität, Gewinnung von Energie aus Nährstoffen, alles bekannt.
Wenn wir uns in den Körper begeben – hier befinden wir uns noch im Kreislauf,
also extrazellulär, intrakorporal – treffen wir nur auf sehr begrenzte, jedoch hochspezifische Proteolysesysteme.
Bei einem dieser Systeme, das Professor Robert Huber gestern erwähnte,
dem Blutgerinnungssystem, handelt es sich um eine Bonafide-Kaskade proteolytischer Ereignisse.
Am Ende wird Fibrinogen in Fibrin umgewandelt und es entsteht ein Blutgerinnsel.
Wir wissen, was bei einem pathologischer Prozess geschieht:
Hyperkoagulation, Myokardinfarkt, Hypokoagulation, eine ganze Reihe genetischer Erkrankungen, Hämophilie.
Doch das hier sind beschränkte Prozesse.
Gehen wir jetzt in die Zelle.
Dort finden mehrere proteolytische Prozesse statt.
Als ich Doktorand war, kam ich in das Labor von Avram und wir interessierten uns für diesen Prozess.
Es stellte sich heraus, dass er ausgesprochen weitreichend ist.
In unserem Körper geschieht Folgendes:
Wir setzen die Proteine um, bauen sie ab und synthetisieren sie erneut, und zwar in einem erstaunlichen Tempo.
5 bis 7% aller Proteine werden täglich abgebaut und neu synthetisiert.
Die Frage ist warum.
Es gibt verschiedene Gründe, warum dies geschieht, einer davon ist offensichtlich die Qualitätskontrolle.
Viele Proteine werden in der Natur aus den unterschiedlichsten Gründen falsch gefaltet.
Unsere hohe Körpertemperatur von 37° beispielsweise ist für Proteine schädlich, ebenso der hohe Sauerstoffgehalt von 21%.
Offensichtlich gibt es viele gute evolutionäre Gründe,
warum unsere Körpertemperatur bei 37° liegt und die Atmosphäre 21% Sauerstoff enthält.
Andererseits ist dies für die Proteine schädlich und wir müssen sie austauschen.
Wir steuern Prozesse – Sie haben die beeindruckenden Vorträge von Tim Hunt und Avram gestern gehört.
Es gibt sehr gute Proteine, aber wir benötigen den Prozess nicht mehr.
Die Zellteilung, die Zelle, der gesamte Zellzyklus wird von einer ganzen Reihe von Bremsen und Gaspedalen gesteuert,
die zu bestimmten Zeitpunkten eliminiert werden müssen.
Das ist ein weiterer Grund, Proteine zu einem bestimmten Zeitpunkt abzubauen.
Offensichtlich müssen wir bestimmte Proteine zu bestimmten Zeitpunkten dauerhaft entfernen,
um den differenzierten und morphogenetischen Zustand des Gewebes beizubehalten,
ein Prozess, der sich bei malignen Erkrankungen umkehrt.
Lassen Sie uns nun ein bisschen die Geschichte beleuchten.
Meiner Ansicht nach ist der Gründungsvater Rudolf Schönheimer, ein deutscher Jude,
der bei der Machtergreifung der Nazis in die Vereinigten Staaten ging und an der Rockefeller University in New York tätig war.
Zusammen mit Harold Urey wandte er ein ganz einfaches Verfahren an:
er fütterte Ratten mit markierten Aminosäuren und stellte fest,
dass die Aminosäuren in die Proteine hinein und wieder aus ihnen hinaus gelangten.
Er zog daraus den Schluss, dass sich Proteine bzw. Körperbestandteile in einem dynamischen Zustand befinden,
und veröffentlichte 1942 bei der Harvard University Press eine kleine Monographie
mit dem Titel „Über den dynamischen Zustand der Körperbestandteile“.
Rudolf Schönheimer starb früh;
hier ist seine Todesanzeige aus der New York Times von 1942.
Daraus gehen die Umstände seines Todes klar hervor, aber auch, dass er mit seiner Arbeit dazu beigetragen hat,
die Betrachtung des lebendigen Körpers als chemisches Labor,
in dem unentwegt verschiedene komplexe Stoffumwandlungen stattfinden, zu etablieren.
Ein weiterer Meilenstein, der im Laufe der Jahre vernachlässigt wurde, war der von Mel Simpson in Yale.
Mel Simpson fand etwas thermodynamisch Paradoxes heraus, nämlich dass für den Proteinabbau Energie notwendig ist.
Wie Avram Ihnen gestern bereits erläutert hat, ergab dies keinen Sinn, denn Proteine sind hochenergetische Komponenten.
Warum also in den Abbau zu Aminosäuren zusätzliche Energie investieren?
Gleichwohl werden in Mels experimentellem System Proteine abgebaut.
Als er die Atmosphäre im Inkubator von Sauerstoff auf Stickstoff umstellte, kam der Proteinabbau völlig zum Stillstand.
Offensichtlich verstand er die Erklärung nicht, ihm stand das Ubiquitin-System noch nicht zur Verfügung
und er wusste nicht, was vor sich ging.
Er kam aber zu dem Schluss, dass es sich dabei um einen Prozess handelt, der Energie benötigt.
Dann kam ein wunderbarer Wissenschaftler, Christian de Duve.
Er entdeckte das Lysosom und erhielt dafür zusammen mit anderen,
die weitere Zellorganellen entdeckt hatten, Mitte der 60er Jahre den Nobelpreis.
Das ist das Lysosom, eine von einer Membran umschlossene Organelle, die in ihrem Lumen Proteasen enthält.
Es lieferte die Erklärung, den zugrunde liegenden Mechanismus des Proteinabbaus.
Man wusste, dass Proteine abgebaut werden;
jetzt folgte der Mechanismus.
Von Mitte der 50er Jahre, als diese Entdeckung gemacht wurde,
bis Mitte der 70er Jahre fiel dieses Forschungsgebiet in einen Dornröschenschlaf,
denn man dachte, dass es nichts mehr zu erforschen gäbe.
Das Problem war lediglich, wie die Proteine in das Lysosom gelangen.
Extrazelluläre Proteine wie Glycan, LDL-Teilchen oder Insulin binden sich an Rezeptoren,
d.h. es erfolgt eine rezeptor-vermittelte Endozytose.
Dann werden sie durch eine Reihe von Vesikeln in das Lysosom transportiert.
Die Vesikel verschmelzen und verströmen ihren Inhalt, anschließend werden die Proteine abgebaut.
Bei intrazellulären Proteinen kommt es zur Mikroautophagie.
Sie sehen hier diese abgeklemmten kleinen Zytolsoltröpfchen.
Ihr Inhalt verschmilzt, es entstehen Vesikel, die ebenfalls verschmelzen, ihren Inhalt verströmen und abgebaut werden.
Man nahm an, dass sowohl extrazelluläre als auch intrazelluläre Proteine durch das Lysosom abgebaut werden.
Dann traten erste Zweifel auf;
das hier stammt aus einem Review von Fred Goldberg, aber Bob Shimky kam ihm mit seiner Vermutung eigentlich zuvor.
Hier sehen Sie die unterschiedlichen Proteine;
es ist eigentlich unwichtig, welche.
Sie haben verschiedene Halbwertszeiten;
einige Proteine leben in der Zelle nur ein paar Minuten wie z.B. Ornithindecarboxylase, andere mehr als 15 Stunden.
Sie haben von Tim Hunt gehört, dass dies selbst bei einem einzelnen Protein wie Cyclin der Fall ist;
in einem bestimmten Abschnitt des Zellzyklus sind sie äußerst stabil und plötzlich sind sie verschwunden.
Das ließ sich mit der Lysomomtheorie nicht erklären,
denn das Lysosom sollte infolge der abgeklemmten Zytosoltröpfchen alle Proteine mit derselben hohen Geschwindigkeit abbauen,
da Proteine der Aktivität der lysosomalen Proteasen nicht standhalten können.
Diese unterschiedlichen bzw. bei bestimmten Proteinen sich sogar verändernden Halbwertszeiten
konnten also durch die Lysosomtheorie nicht erklärt werden.
Ich würde sagen, dass einer der letzten Nägel im Lysosomsarg die von Brian Poole entdeckte wichtige Organelle war,
deren Target intrazelluläre Proteine sind.
Brian Poole arbeitete im Labor von Christian de Duve an der Rockefeller University – ein wirklich hübscher Zufall.
Er führte ein sehr elegantes Experiment durch, das ich Ihnen nicht im Detail erläutern möchte,
aber er konnte den lysosomalen Abbau mittels eines einfachen Malariamedikaments namens Chloroquin,
das die Malariaparasiten abtötet, inhibieren.
Chloroquin erhöht bekanntermaßen den intralysosomalen pH-Wert.
Ich habe Ihnen noch nicht gesagt, dass die lysosomalen Proteasen am optimalsten bei einem niedrigen pH-Wert
von ca. 5 bis 5,5 arbeiten, wie er in der sauren Umgebung des intralysosomalen Milieus vorliegt.
Bei der Behandlung der Zellen mit Chloroquin als Basis gelangt dieses in das Lysosom,
wird protoniert und erhöht den niedrigen intralysosomalen pH-Wert, so dass das Lysosom abgeschaltet wird.
Brian Poole fragte sich, ob sowohl die extrazelluläre
als auch die intrazelluläre Proteolyse bei dieser Abschaltung des Lysosoms inhibiert werden.
Die Antwort war nein, nur die extrazelluläre Proteolyse wird inhibiert;
ein Effekt auf die Inhibition der Lysosome, auf die intrazelluläre Proteolyse fand sich nicht.
Sein wunderbar poetisches Fazit, das uns sozusagen grünes Licht gab
„Ja, ihr könnt weitermachen und forschen, wonach ihr sucht“,
auch wenn ich mich an keine zeitliche Verknüpfung erinnere, lautete wie folgt:
Exogene Proteine, d.h. extrazelluläre Proteine werden im Lysosom aufgespalten,
denn der Abbau kann durch lysosomotrope Substanzen inhibiert werden.
Die Aufspaltung endogener, intrazellulärer Proteine erfolgt dagegen an einem anderen Ort, wo auch immer dieser sich befindet.
Jetzt ging es darum dieses “wo auch immer” zu finden.
Ich war Doktorand bei Avram, und Avram hat Ihnen gestern
die Geschichte von der Fraktionierung des Retikulozytenlysats erzählt, schöne elegante Biochemie vom Feinsten.
Wir entdeckten einen Konjugationsmechanismus, der das Protein seiner endgültigen Bestimmung zuführt.
Ich zeige Ihnen den Mechanismus kurz in einem Schnappschuss, ich werde nicht ins Detail gehen.
Es handelt sich im Grunde genommen um einen 3-stufigen Mechanismus, und ich sage Ihnen auch, warum er so wichtig ist.
Das Zielprotein wird zunächst von einem Enzym namens Ubiquitinligase erkannt.
Das ist das Enzym, mit dem sich das Ubiquitin an das Protein bindet, sozusagen seine Markierung.
Es gibt etwa 1000 Ligasen in der Datenbank.
Um genau zu sein, umfasst das menschliche Genom etwa 22.000 und ein paar Hundert Proteine,
wobei offensichtlich Genspleißprodukte wie Moleküle der MHC-Klasse I,
T-Zellen Rezeptoren und Antikörper nicht mitgezählt werden, sondern nur gewöhnliche Gene.
Die Ubiquitinligasen machen etwa 5% des gesamten menschlichen Genoms aus.
Es handelt sich um eine spezifische Erkennung,
d.h. nur eine bestimmte Substanz ist das Target spezifischer Ligasen und wird von ihnen erkannt.
Der erste Schritt ist also die Erkennung.
Der zweite Schritt ist die Markierung, hier mit Ubiquitin,
das durch ein Enzym namens E1 – oder 1E1 in der Humandatenbank – aktiviert wird.
Für den Aktivierungsschritt wird ATP benötigt.
Das löst das Problem, warum wir ATP benötigen, ich werde das hier nicht näher erläutern.
Dann kommt E2 ins Spiel, es handelt sich also um eine Kaskadenreaktion,
das Ubiquitin wird von einem Enzym (E1) auf das andere (E2) und schließlich auf das Substrat überführt.
Es entsteht eine Polyubiquitinkette:
Erkennung, Markierung und schließlich Abbau.
Das hier ist die Protease, eine riesige Protease von 2 Megadalton,
die nur Polyubiquitinproteine erkennt und sie ihrer endgültigen Bestimmung zuführt.
Die Polyubiquitinkette – im Wesentlichen ein Erkennungs- oder trans-Element – bindet das Substrat an die Protease,
das Substrat entfaltet sich, wird in den proteolytischen Kern,
von dem Sie gestern u.a. von Professor Huber gehört haben, injiziert und zu Peptiden abgebaut.
Das Schöne an diesem Mechanismus und der Grund dafür, dass er keine Lehrmeinung darstellt,
ist, dass der Prozess bei diesem Mechanismus in einem Kompartiment stattfinden kann.
Ansonsten können sich Proteasen und Substrate nicht in ein- und demselben Kompartiment aufhalten –
das wäre chaotisch, wenn nicht sogar zerstörerisch für die Zelle.
Wir haben also eine Art Barriere hier;
die Protease erkennt das Substrat nur, wenn es markiert ist.
Das lenkte die Aufmerksamkeit sofort auf die Frage, warum ein bestimmtes Substrat zu einem bestimmten Zeitpunkt markiert wird.
Der proteolytische Prozess trat dabei in den Hintergrund.
Spezifität und Erkennung rückten plötzlich in den Mittelpunkt der Forschung auf diesem Gebiet,
und auf einmal wurde klar, warum alles im selben Kompartiment stattfinden kann,
wohingegen im Lysosom ein Zaun notwendig ist, die Membran, die den Hai vom Köder trennt.
Es war das Ubiquitin-System.
Wie ich bereits sagte, ist das Ubiquitin-System ein hierarchisches System:
Ein einzelnes E1 reicht Ubiquitin an etwa 50 E2 weiter, ein E2 spricht mit noch mehr E3
– es gibt ungefähr 1000 in der Datenbank – und jedes E3 polyubiquitiniert eine bestimmte Untergruppe des Substrats,
die nach ihrer Polyubiquitinierung im Proteasom abgebaut wird.
Nun, gehen wir zu den Krankheiten weiter und springen rasch zum zweiten Teil des Vortrags.
Normalerweise befinden sich die Proteine im Ubiquitin-System in einem Gleichgewichtszustand.
Es können zwei Fälle auftreten, in beiden haben wir ein Problem.
Entweder wird ein Protein zu viel oder zu wenig abgebaut.
Sagen wir die Ubiquitinligase wird überexprimiert, dann wird das Protein vollständig abgebaut;
tritt eine Mutation in der Ubiquitinligase oder im Erkennungsmotiv des Substrats auf, sammelt sich das Protein an.
In beiden Fällen haben wir ein Problem.
Nun, schauen wir uns noch einmal die alte Folie an, die ich Ihnen gezeigt habe.
Für jeden Funktionsbereich des Ubiquitin-Systems wurde eine ganze Gruppe von Krankheiten entdeckt.
Ich werden Ihnen zwei dieser Funktionen des Ubiquitin-Systems noch einmal kurz erläutern:
die Qualitätskontrolle und die Prozesssteuerung.
Durch die Qualitätskontrolle werden die von Natur aus falsch gefalteten Proteine eliminiert.
In praktisch sämtlichen neurodegenerativen Erkrankungen findet sich eine Anhäufung von Proteinen,
die abgebaut sein müssten, es aber nicht sind.
Dies ist der Fall bei Parkinson, PolyQ-Erkrankungen, Morbus Huntington, spinozerebellärer Ataxie, Morbus Kennedy und so weiter.
Dies ist nur ein Fall.
Wir haben viel darüber gelernt, nicht bei Krankheiten innerhalb der Familie,
sondern vielmehr bei den selteneren genetischen Erkrankungen, in diesem Fall Alzheimer.
Dies sind Gehirnschnitte von Alzheimer-Patienten, sie stammen von Dr. Van Leuven aus den Niederlanden.
Wie Sie hier sehen, sind die ubiquitinierten Proteine angefärbt;
in diesem Fall ist es bei den Patienten zu einem Fehler beim Lesen des Ubiquitin-Transkripts gekommen.
Das Ubiquitin wird mit zusätzlichen 20 Aminosäuren translatiert, ist daher nicht funktionsfähig
und kann nicht konjugiert werden, die Zelle registriert weniger Ubiquitin und eine Krankheit entsteht.
Avram hat das gestern erwähnt, ich glaube in der Diskussion oder während seines Vortrags:
Es gibt eine juvenile Form der Parkinson-Erkrankung, die bereits relativ früh,
nämlich im dritten oder vierten Lebensjahrzehnt ausbricht.
Dabei ist das so genannte Parkin, eine Ubiquitinligase, mutiert und bindet sich deshalb vermutlich nicht an sein Zielprotein,
so dass sich dieses Protein ansammelt und neurotoxisch wird.
Hier können Sie sehen, wie der Defekt im Ubiquitin-System zur Entwicklung neurodegenerativer Erkrankungen führt.
Gehen wir jetzt zur Prozesssteuerung.
Die am besten erforschten Krankheiten sind Krebserkrankungen.
Hier möchte ich etwas mehr ins Detail gehen und Ihnen zeigen, wie man das System mit Hilfe von Medikamenten beeinflussen möchte.
Wenden wir uns also dem Krebs zu.
Wie Ihnen Avram gestern schon gezeigt hat, kann man sich Krebs als Ungleichgewicht der Qualitätskontrolle in der Zelle vorstellen.
Schauen Sie, wir lösen ständig Mutationen in unseren Zellen aus, fügen ihnen Schaden zu, setzen sie unter Stress,
aber sie haben Mechanismen, die alles wieder ins Lot bringen.
Am besten erforscht ist offensichtlich p53;
ich werde darauf noch zurückkommen.
p53 ist der Wächter des Genoms, er überprüft alle Arten von Stress und Schäden, stoppt sofort den Zellzyklus,
versucht den Schaden zu reparieren bzw. induziert, wenn eine Schadensreparatur nicht möglich ist, die Apoptose.
Es handelt sich also um eine Reaktion entlang einer Zeitachse.
Wir können uns vorstellen, dass die Zelle, wenn es zu einem verstärkten Abbau eines Tumorsuppressors wie p53 kommt,
sofort malignen Umwandungsprozessen ausgeliefert ist.
Genau das passiert beim humanen Papillom-Virus, das Gebärmutterhalskrebs auslöst.
Das Virus codiert ein Onkogen namens E6.
Dieses Onkogen heterodimerisiert p53;
das Ubiquitin-System erkennt dieses heterodimerisierte p53 nicht als denaturiertes, falsches Fremdprotein und lässt es passieren.
Damit verfügt die Zelle über kein p53 und keinen p53-Kontrollmechanismus mehr.
Bei E6 handelt es sich um ein frühes Gen – jetzt kann das Virus weitermachen und seine DNA in die der Zelle einschleusen.
Hätte das Virus das p53 nicht eliminiert und direkt mit dem Einschleusvorgang begonnen, wäre das p53 sprunghaft angestiegen,
weil es eine Beschädigung der DNA erkannt und versucht hätte,
diese entweder zu reparieren oder, falls dies nicht gelingt, die Zellapoptose auszulösen.
Das Virus hat somit – denken Sie evolutionstechnisch – eine Strategie entwickelt,
das Alarmsystem der Zelle auszuschalten, damit es ihm erlaubt sich auszubreiten und zu replizieren;
ein sehr eleganter Mechanismus.
Andererseits wird ein onkogenes Wachstumsförderungsprotein, das nicht abgebaut wird
– z.B. ein mutierter EGF-Rezeptor, der ohne Unterbrechung Signale an die Zelle sendet,
oder Beta-Catenin im Wnt-Signalweg, das nicht abgebaut wird –
ohne Unterbrechung Signale an die Zelle senden und Krebs erzeugen.
Wir wissen, dass der Mechanismus, der Beta-Catenin abbaut,
ganz häufig bei Kolorektalkarzinomen, malignen Melanomen, Mammakarzinomen mit EGF-Rezeptoren usw. defekt ist.
Wir wissen somit, dass ein unzureichender Abbau eines Wachstumsförderungsproteins
und ein übermäßiger Abbau eines Tumorsuppressors schlecht für uns sind.
Nun, was die Beeinflussung des Systems durch Medikamente angeht, sind Mutationen schwieriger zu behandeln.
Ich meine, ein Funktionsverlust ist prinzipiell immer schwieriger zu therapieren als ein Funktionsgewinn.
Denken Sie an die Pharmakologie heute:
Wir behandeln Bluthochdruck mit Beta-Blockern, wir behandeln alle Arten von Krankheiten,
indem wir überschießende Prozesse inhibieren statt uns mit den Mutationen zu beschäftigen.
Wissen Sie, bei der Behandlung von Mutationen geraten wir typischerweise in den genetischen Therapiesumpf,
und das Ubiquitin-System macht hier offensichtlich keine Ausnahme.
Beschäftigen wir uns also mit der Beeinflussung des Systems durch Medikamente;
wir werden dabei Schritt für Schritt vorgehen.
Der erste Inhibitor, der entwickelt wurde, war ein Inhibitor für das Proteasom.
Das ergab keinen Sinn.
Ich meine, vom medikamentösen Standpunkt aus ergab das keinen Sinn, denn wenn das Ubiquitin-System so bedeutsam ist
und wir das Proteasom inhibieren, wird der Patient vielleicht nicht sterben,
zumindest aber schwerwiegende Nebenwirkungen entwickeln.
Doch es funktionierte, und zwar wie von Zauberhand,
weil einige Zellen selbst für eine teilweise Inhibition empfindlicher sind als andere.
Ich zeige es Ihnen – das ist das Medikament, Avram hat es gestern erwähnt,
es handelt sich um Velcade, einen spezifischen Inhibitor der aktiven Seite des Proteasoms.
Velcade ist ein Aldehydborsäure-Derivat und wird heute bei zwei Erkrankungen eingesetzt, obwohl es ein neues Medikament ist.
Es wurde erst vor ein paar Jahren von der FDA zugelassen;
seitdem expandiert seine Anwendung kontinuierlich.
Hier haben wir einen Patienten mit einem multiplen Myelom.
Für die Nicht-Hämatologen bzw. Nicht-Experten auf dem Gebiet unter Ihnen:
Es handelt sich dabei um die monoklonale Expansion einer Immunzelle im Knochenmark.
Die Immunzelle supprimiert alle normalen Vorläuferzellen im Knochenmark, die Krankheit ist daher tödlich.
Es sind keine Vorläuferzellen mehr da, aufgrund des Drucks kommt es zu Wirbelfrakturen, Frakturen der Röhrenknochen;
eine tödliche, eine wirklich sehr schlimme Krankheit.
Wie Sie erkennen können, haben in diesem Fall die Onkologen Glück,
denn sie können einem Biomarker folgen, was nicht bei vielen Krebserkrankungen möglich ist.
Hier sehen Sie das von der Zelle sezernierte galoppierende Immunoglobulin, die konventionelle Behandlung beginnt,
der Patient zeigt eine Teilresponse, erleidet ein Rezidiv,
dann beginnt die Therapie mit dem Inhibitor und der Patient spricht gut darauf an.
Bei etwa 5% der Patienten kam es zu einer bis dahin beispiellosen, langfristigen Remission.
35% wiesen eine positive Reponse auf, 60% gar keine.
Die Herausforderung besteht nun darin, ein genetisches Profil dieser Patienten zu erstellen
und die Unterschiede zwischen Respondern, Teil-Respondern und Non-Respondern zu verstehen.
Das ist jedoch Aufgabe der heute in der modernen Medizin so bezeichneten personalisierten Medizin.
Wir sind auf dem Weg von der allgemeinen Medizin zur personalisierten Medizin
und werden Patienten und ihr Therapieansprechen eines Tages mit vollkommen anderen Augen betrachten.
Hierbei handelt es sich um das Knochenmark des Patienten.
Auch ohne ein Histo- oder Hämatopathologe zu sein, können Sie sofort erkennen,
dass dieses Knochenmark maligne verändert ist, inhomogen, voller maligner Zellen.
Im Anschluss an die Behandlung ist der Anteil der malignen Zellen, wie Sie sehen, von 40% auf 1% gesunken
und das Knochenmark enthält wieder einen größeren Anteil normaler Vorläuferzellen.
Das ist ein anderer Patient mit einem Non-Hodgkin-Lymphom, ebenfalls einer Erkrankung des Immunsystems.
Ich möchte nicht auf die Einzelheiten eingehen, aber Sie sehen hier den Tumor im rechten Lungenhilus.
Das sind die großen Gefäße, das Brustbein, die Wirbel, der Spinalkanal, das Schulterblatt, die Schultermuskulatur, die Rippen.
Hier sehen Sie, wie sich der Tumor nach der Behandlung zurückgebildet hat.
Gehen wir nun weiter und wenden uns der Zukunft zu.
Ich möchte mit Ihnen in den letzten 5 Minuten meines Vortrags schnell noch einen Blick in die Welt von morgen werfen
und Ihnen zeigen, wie wir sie uns vorstellen.
Die Behandlung war also zunächst ganz klar unspezifisch und führte zur Zellapoptose.
Es ergibt jedoch keinen Sinn, das Proteasom medikamentös zu beeinflussen und zu inhibieren,
das wird bei vielen Erkrankungen nicht funktionieren.
Man versucht daher derzeit verstärkt spezifische Therapien zu entwickeln, die ich Ihnen nun vorstelle.
Wir wissen, dass einer der Qualitätskontrollmechanismen in der Zelle die Chaperone sind.
Chaperone sind Proteine, die versuchen falsch gefaltete Proteine neu zu falten bzw.,
wenn ihnen dies nicht gelingt, sie an das Ubiquitin-System zu übergeben, wo sie abgebaut werden.
Von Zeit zu Zeit spielen sie jedoch die falsche Rolle.
Einerseits können sie die Proteine, die neu gefaltet werden sollen, nicht neu falten,
andererseits binden sie sich irreversibel an sie und können sie nicht zum Abbau weiterleiten.
Wir stecken also fest und die mutierten Proteine sind vor der Degradierung geschützt.
Im Grunde genommen können wir sagen, dass diese HSP-Proteine,
diese Chaperone als evolutionäre „Kondensatoren“ der Mutationen fungieren und sie verstärken.
Die Idee ist nun, Dissoziatoren zu entwickeln, die die mutierten Proteine von ihrem Beschützer wegziehen.
Genau das wurde gemacht, aktuell befinden sich bereits verschiedene Medikamente in der Testphase.
Eines davon ist Geldanamycin, sehr toxisch, aber das Prinzip stimmt.
Ein anderes Medikament ist 17-AAG; ich zeige Ihnen nur ein Beispiel.
Wie Sie sehen, ist der HER-Neu-Rezeptor, das Target von Herceptin, hier fluoreszierend markiert;
nach der Behandlung mit dem Chaperon-Dissoziator fluoresziert er nicht mehr, er wurde abgebaut.
Hier können Sie die eigentliche Biochemie des Wirkmechanismus erkennen, wunderbar.
Das ist der Rezeptor, das Protein, das ist die Aktivität des Rezeptors, die Tyrosinproteinkinase.
Hier messen wir mit spezifischen Antikörpern, die Phosphortyrosin erkennen.
Wie Sie sehen, steigt die Menge des Ubiquitinkonjugates, sobald wir die Konzentration des Dissoziators hier links erhöhen;
der Rezeptor wird auf seine letzte Reise geschickt.
Das Protein wird abgebaut, doch wirklich beeindruckend ist, dass auch die Aktivität sinkt.
Die Phosphortyrosinkinase-Aktivität ist beinahe zum Stillstand gekommen.
Wenden wir uns wieder den Patienten zu.
Leider sind das jetzt einige nicht so schöne Krankheiten, aber wir sind schließlich in der Medizin.
Das ist ein Patient mit einem Plattenepithelkarzinom, das sich auf das Gesicht ausgebreitet hat.
Sie sehen, 40 Tage später sieht das Gesicht schon viel besser aus;
es liegt nur noch ein Geschwür vor, der Tumor war ulzeriert, nekrotisiert.
80 Tage später erkennt man eine noch stärkere Verbesserung infolge der unimodalen Behandlung.
Es handelt sich also um eine mechanismus-basierte Therapie.
Wir lösen ein mutiertes aktives Protein von seinem Kondensator ab, es wird abgebaut und dem Patienten geht es besser.
Doch jetzt zu den Medikamenten der nächsten Generation.
Das ist wirklich die Zukunft und die Tests am Menschen stecken noch in den Kinderschuhen.
Ich möchte noch einmal auf p53 zurückkommen, denn p53 ist, wie ich Ihnen bereits sagte, ein außerordentlich wichtiges Protein.
In 50% aller Tumorfälle ist es mutiert, in 50% der verbleibenden 50%, also in 25%,
ist es unterrepräsentiert bzw. wird übermäßig abgebaut.
p53 spielt also bei der malignen Transformation eine bedeutende Rolle.
Bei jeder einzelnen Belastung, jeder Ribonukleotid-Verarmung, jeder DNA-Beschädigung,
jedem Stickoxid steigt das p53 sprunghaft an.
Wenn es nicht mutiert ist – ich spreche nur über den Wildtyp – stoppt es den Zellzyklus sofort,
da eine gestresste Zelle nicht richtig arbeiten kann.
p53 induziert die DNA-Reparatur bzw. Apoptose.
Seneszenz ist hier kein Thema.
p53 ist unser fleißiger Helfer;
onkogener Stress erhöht bzw. aktiviert p53, Krebs zu verhindern.
Das ist zwar ein bisschen vereinfacht ausgedrückt, aber genauso ist es.
In denjenigen Fällen, wo p53 zwar als Wildtyp vorliegt, aber dennoch unterrepräsentiert ist, ist letzteres der Fall,
weil seine Ubiquitinligase, sein „Henker“ überexprimiert wird.
Im Prinzip wird Hdm2, die Ubiquitinligase, der „Henker“ von p53, zu einem Onkogen,
das unkontrolliert heraufreguliert wird und p53 ubiquitiniert und degradiert.
Es ist also sinnvoll, ein kleines Inhibitormolekül zu entwickeln, das diesen Teufelskreis durchbricht.
Dann kann es uns egal sein, ob Hdm2 vorliegt, denn wenn dem so ist, wird es inhibiert.
Genau das ist geschehen.
Pharmafirmen entwickelten ein Medikament, einen Inhibitor namens Nutlin.
Das Schöne daran ist, dass wir keine Tests mit hohem Durchsatz mehr brauchen
und keine Bibliotheken mit zigtausend Verbindungen mehr überprüfen müssen – das Medikament ist maßgeschneidert.
Maßgeschneidert deshalb, weil die dreidimensionale Struktur von Hdm2 bekannt ist;
in diesem Fall ist es das Mausenzym Mdm2.
In dieser Tasche sitzt das p53.
Sie entwerfen ein kleines Molekül, das um den Platz in der Tasche konkurriert und ihn besetzt,
so dass p53 nicht hinein kann und am Leben bleibt, also nicht ubiquitiniert und nicht abgebaut wird
Und hier ist das Experiment.
Sie sehen, dass, sobald wir Nutlin zusetzen, p53 ansteigt.
Die Ligase steigt ebenfalls an, da sie ein p53 nachgeschaltetes Gen ist.
Es interessiert uns nicht, dass die Ligase ansteigt, da sich Nutlin im Medium befindet.
Jedes synthetisierte Mdm2-Molekül wird sofort von dem Medikament inhibiert.
Tatsächlich können Sie sehen, dass der Zellzyklusinhibitor P21,
bei dem es sich ebenfalls um ein p53 nachgeschaltetes Gen handelt, durch das aktive p53 induziert wird.
Betrachtet man die Faktenanalyse, wird sofort deutlich,
dass sich in nicht behandelten Zellen 45% der Zellen in einem Zyklus befinden und DNA synthetisieren;
nach der Nutlin-Behandlung befinden sich 5% im Zellzyklus.
Wir haben also 40% der Zellen aus dem Zellzyklus gedrängt.
Das hier ist eine SCID-Maus, der 1 Million Tumorzellen injiziert wurden.
Sie sehen, dass das Volumen des Tumors zunimmt.
Das ist das Tumorvolumen, hier ist der Tumor behandelt.
Eine Behandlungsmöglichkeit ist Doxorubicin, ein hochtoxisches, unspezifisches Chemotherapeutikum.
Als DNA-Interkalator, als Oxyderivat des Nukleotids gelangt es in die DNA und verändert sie pathologisch.
Hier können Sie einen ganz spezifischen Ubiquitinligaseinhibitor, in diesem Fall Nutlin, erkennen.
Dieser hat dieselbe Wirkung wie ein hochtoxisches Breitband-Chemotherapeutikum.
Wenn wir zu meiner Geschichte der Medikamente zurückkehren, ist eine Gradierung,
also eine Abstufung erkennbar, keine Degradierung.
Die Abstufung reicht von der unspezifischen Proteasombehandlung zur spezifischeren Chaperontherapie.
Dennoch ist sie zu grob, denn es gibt viele Proteine,
mit deren Hilfe eine ganz gezielte Behandlung der Ubiquitinligase möglich wäre, die aber durch Chaperone davon abgehalten werden.
Das ist die Zukunft.
Lassen Sie mich mit etwas schließen, das ich von Greg übernommen habe, nämlich dem Signieren.
Im Nobel-Museum ist es übrigens üblich, dass die Preisträger auf Stühlen – der Unterseite von Stühlen – unterschreiben.
Es unterschreiben aber nicht alle auf demselben Stuhl aus demselben Jahr.
Man nimmt den Stuhl, lässt Sie unterschreiben und dann räumt man ihn für ein paar Jahre weg, um ihn dann wieder herauszuholen.
Es dauert einige Jahre, bis die Unterseite des Stuhls vollgeschrieben ist.
Hier habe ich fotografiert, wie Richard Axel den Stuhl signiert.
Dann habe ich eine Aufnahme von dem Stuhl, auf dem ich unterzeichnet habe, gemacht.
Dabei war ich so aufgeregt, dass mir nichts aufgefallen ist.
Als ich dann nach Hause fuhr und mir das Foto ansah, fand ich, dass sich ein Kreis geschlossen hatte, ein sehr schöner Kreis.
Hier habe ich unterschrieben.
Dann schaute ich mir die beiden anderen an, die auch unterzeichnet hatten.
Einer von ihnen ist ein sehr enger Freund von mir, den Sie hier schon gehört haben:
Tim Hunt.
Sie sehen Tim Hunt und Sie sehen den Zellzyklus, die Mitose.
Das ist Tims Logo.
Hier die Mitose, G1, der S-Pfad mit dem Mdm2, über den wir eben gesprochen haben, G2 – und hier steht Zellzyklus.
Nun, für mich hat sich ein Kreis geschlossen, nicht nur weil Tim ein guter Freund ist,
sondern der Zellzyklus vollständig vom Ubiquitin-System abhängt –
sämtliche Inhibitoren, der Beschleuniger, P21, P27, Cyclin und die cyclin-abhängigen Kinaseinhibitoren.
Avram hat Ihnen seine bemerkenswerte Arbeit hierzu gestern vorgestellt.
Es geht also vom Prozess zum Mechanismus, und das verbindet mich mit meinem Ursprung.
Der andere, der hier unterschrieben hat, ist Ahmed Zewail.
Er ist seiner Abstammung nach Ägypter und arbeitet bei Caltech.
Er ist ebenfalls Chemienobelpreisträger.
Dass ich mich auf demselben Stuhl wie ein Ägypter wiederfinde, könnte zukunftsweisend sein.
Vielleicht bedeutet über Wissenschaft zu reden, dass man auch über Frieden reden kann.
Vielen Dank.
(Applaus).
Vielen Dank, das war ein sehr interessanter Vortrag.
Jetzt haben wir noch Zeit für einige Fragen.
FRAGE. Herr Professor, vielen Dank.
Ich möchte Sie gerne bezüglich eines interessanten Phänomens bei einem anderen System etwas fragen.
Wenn wir die Aktivität von Neuronen erhöhen, stellen wir fest,
dass eine bestimmte Art von Proteinen vom Ubiquitin-Proteasom-System selektiv abgebaut wird,
während bei einer Reduktion der Aktivität das Gegenteil der Fall ist.
Meine Frage lautet also:
Wie kann das Ubiquitinproteinsystem Ihrer Ansicht nach für den Abbau einer bestimmten Art von Proteinen präzise reguliert werden?
Warum nicht für andere in denselben Zellen? Dankeschön.
A. CIECHANOVER. Ok, Ihre Frage, wenn ich sie richtig verstanden habe, betrifft die Spezifität des Systems und die Frage,
wie das Ubiquitin-System ein bestimmtes Substrat auswählt.
Das hat in den meisten Fällen etwas mit dem Substrat selbst zu tun, aber auch mit den Elementen des Ubiquitin-Systems.
Nehmen wir z.B. die nf-kappaB-Aktivierung, eine sehr wichtige Transkriptionsregulierung,
die das Immunsystem reguliert und mit chronischen Entzündungen sowie Krebs in Zusammenhang steht.
Sie ist außerdem stark anti-apoptotisch und wird durch das Ubiquitin-System aktiviert.
Nach der Signalgebung durch, sagen wir, TNF alpha werden ganz spezifische Seringruppen auf dem Molekül,
dem Inhibitor des Moleküls – I kappa B alpha und I kappa B beta – phosphoryliert.
Diese beiden spezifischen Phosphorylierungen, die drei Aminosäuren auseinanderliegen, also Threonin 32 und Threonin 36,
werden von einer sehr spezifischen Ubiquitinligase spezifisch erkannt.
Nur dieses Protein mit diesen beiden Serinen
– und nur diese beiden Serine wurden von der spezifischen Kinase spezifisch phosphoryliert –
wird in diesem Moment markiert, alle anderen Proteine nicht.
Dasselbe geschieht bei p27, wie man der Arbeit von Michele Pagano und Avram entnehmen kann.
p27, ein Zellzyklusinhibitor, wird auf Threonin 187 phosphoryliert,
und erst nach dieser Phosphorylierung kommt eine spezifische Ubiquitinligase namens SKIP2 und entfernt ihn.
Das bedeutet nicht, dass die Phosphorylierung einfach zwei Beispiele für die Phosphorylierung und dafür,
wie Phosphorylierung und Signalgebung dem Ubiquitin-System zuarbeiten, aufgegriffen hat, doch es gibt viele Signale.
Nehmen Sie z.B. HIF-1 alpha bei der Sauerstofferfassung,
die wunderbare Arbeit von Bill Kaelin aus Harvard und Peter Ratcliffe aus Oxford.
Wenn wir uns in einer normoxischen Umgebung unter hohem Sauerstoffdruck befinden,
müssen wir für eine Vaskularisierung normalerweise nicht all diese sauerstoffempfindlichen Gene
wie VGF und VGF-Rezeptor induzieren, weil wir über genügend Sauerstoff verfügen.
Diese endogene VGF- und VGF-Rezeptor-Reaktion wird nur bei niedrigem Sauerstoff stimuliert.
Die Regulation erfolgt über ein Protein namens HIF-1 alpha oder Hypoxie-induzierbarer Faktor;
es handelt sich um eine äußerst wirksame Transkriptionsregulation.
Unter hypoxischen Bedingungen wird dieses Protein ständig oxidiert.
Nach der Oxidierung auf einem spezifischen Prolinrest kommt eine spezifische Ubiquitinligase namens Von Hippel-Lindau-Protein
und entfernt es, da es das spezifische Prolin, Hydroxyprolin erkennt.
Bei niedrigem Sauerstoff findet keine Hydroxylierung statt, HIF-1 alpha steigt an und induziert alle nachgeschalteten Gene.
Ich habe versucht Ihnen zwei Beispiele zu geben, aber das Geheimnis liegt immer in der spezifischen Erkennung;
deswegen benötigen wir diese riesige Palette an Ubiquitinligasen.
FRAGE. Können Sie uns etwas über den Prionenabbau sagen?
A. CIECHANOVER. Prionenabbau – Stanley Prusiner sollte hier sein und Ihnen etwas darüber erzählen.
Prionen sind extrazellulär, gelangen aber in die Zelle und stehen mit dem Ubiquitin-System in Zusammenhang.
Ich kann nur auf eine wunderbare Arbeit verweisen, die noch nicht fertiggestellt ist und die uns noch nicht vorliegt;
es geht darin um die Sezernierung des Prions auf seinem Weg nach draußen und im Zusammenhang damit auch um das Proteasom.
Die Autorin, Susan Lindquist vom Whitehead Institute in Boston, behauptet,
dass infolge der Inhibition des Proteasoms in gewisser Weise auch das Prion akkumuliert
und vielleicht sogar die Umwandlung des PrPC- in das PrPsc-Partikel induziert und damit die Prionenkrankheit auslöst wird.
Krank sein ist nicht schön, aber man muss schließlich das kleinere Übel wählen.
Möchten Sie an der Prionenkrankheit sterben oder am multiplen Myelom – ich weiß nicht, ich finde, das ist eine schlechte Wahl.
Aber wir realisieren offensichtlich den vollen Umfang immer noch nicht,
denn das Ubiquitin-System ist so komplex und an so vielen Prozessen beteiligt, dass wir seine Konsequenzen nicht verstehen.
Vielen Dank.