Ihnen allen einen frühen "Guten Abend".
Wovon ich Ihnen heute erzählen werde, ist ein Marathon, den wir fast die letzten 35 Jahre lang gelaufen sind:
die Entdeckung und dann die tiefergehende Erforschung des Ubiquitin-Systems.
Sie haben hier eine Menge zu dem zentralen Dogma der Biologie gehört,
wie die in DNA enthaltene Information in RNA transkribiert und dann in Proteine übersetzt wird.
Und daneben bestand jahrelang nur ein sehr geringes Interesse daran, wie Proteine abgebaut werden.
Man weiß, dass Proteine abgebaut werden.
Aber man lernte von primitiven Systemen wie dem Magen,
wo jedes Protein, das in den Magen gelangt, von Proteinen durch Aminosäuren verdaut wird,
und man dachte, okay, das könnte auch bei den Proteinen unseres eigenen Körpers der Fall sein.
Und hatte daher die Vorstellung, das Organell oder System zu entdecken, das diese Funktion ausführt.
Aber es gab nicht wirklich viel Interesse daran, vor allem nicht zwischen den 1960er und den 1980er Jahren,
in denen ein Großteil der Aufmerksamkeit sich auf die andere Seite der Gleichung konzentrierte.
Zu jener Zeit wurde ich Doktorand von Avram Hershko,
einem wunderbaren Biochemiker, der sich für diese Frage zu interessieren begann -
und zwar aufgrund einiger weniger auffälliger Punkte, die seine Aufmerksamkeit, und anschließend meine, auf etwas lenkten,
was ein langweiliges System zu sein schien, sich aber dennoch über die Jahre zu einer sehr interessanten Plattform entwickelte.
Hier sind wir also auf der östlichsten Seite des Mittelmeers, in der wunderschönen Stadt namens Haifa,
die auf dem Karmel-Berg liegt, und die Medizinische Fakultät liegt direkt am Meer.
Wenn wir heute, 30 oder 40 Jahre später, einen Blick in das werfen, was ich die "Zerstörungskarte" der Zelle nenne,
sieht es sehr viel komplizierter aus, als es sich die Leute je vorgestellt hatten.
Ich habe nicht die Zeit, in all die Details zu gehen, aber es gibt drei Hauptsysteme, die alle an dem Abbau beteiligt sind.
Das erste ist das Apoptose-System, das am Abbau von Zellen beteiligt ist,
und wir wissen, wie wichtig es ist, sowohl für die Entwicklung
- zum Beispiel, indem dadurch das interdigitale Gewebe einfach entfernt wird, um die Finger hervorzubringen,
aber es gibt noch viele andere Entwicklungsprozesse -
als auch für die Beseitigung von geschädigten, irreparabel geschädigten Zellen,
was uns vor zahlreichen Krankheiten beschützt, einschließlich bösartiger Veränderungen.
Dann haben wir da das System von Lysosom und Vakuole, das nicht nur am Abbau extrazellulärer Proteine beteiligt ist,
wie dies ursprünglich von dem verstorbenen Christian de Duve beschrieben wurde,
sondern auch am Abbau intrazellulären Proteins - hauptsächlich unter Stress.
Und vor unseren Augen entsteht zur Zeit ein vollkommen neues Fachgebiet, das Gebiet der Autophagie.
Es gibt verschiedene Formen der Autophagie.
Ich werde nicht darauf eingehen.
Und dieses System, das autophagische vakuolare System, ist
- besonders, wenn es sich um den Abbau intrazellulären Proteins handelt -
am Massenabbau von Proteinen beteiligt, nicht an ihrem hochspezifischen Abbau.
An der Seite sitzt hier das Ubiquitin-System,
das an dem zeitlich festgelegten und programmierten Abbau äußerst einzigartiger und sehr spezieller Proteine beteiligt ist,
die ich ansprechen werde.
Alle diese Systeme kommunizieren umfassend miteinander.
Botschafter oder Repräsentanten oder Komponenten des Ubiquitin-Systems befinden sich in den anderen Systemen,
als Ubiquitin-Liganden, als einige Proteine, als andere ... und Kinasen und so weiter und so fort.
Es gibt hier also ein reges Gespräch/eine rege Konversation/einen regen Dialog zwischen den drei Systemen, die gut koordiniert sind.
Wie Sie sehen können, sieht heute sogar der Abbau [von Proteinen],
der vor 30 oder 40 Jahren irgendwie langweilig und selbstverständlich erschien, sehr viel komplizierter aus.
Lassen Sie uns also zur Proteolyse kommen.
Die Chemie ist sehr einfach und es spielt keine Rolle, wo sie sich ereignet.
Sie findet immer bei der Produktion eines Wassermoleküls in eine Peptidbindung statt, um es in zwei aufzuteilen.
Ganz am Ende, wenn wir alle Peptidbindungen aufgespaltet haben, bekommen wir wieder die Aminosäuren, die das Protein bilden,
und es spielt keine Rolle, wo sich dies ereignet.
Es kann außerhalb des Körpers im Gastro-Intestinal-Trakt stattfinden -
dieser befindet sich außerhalb des Körpers, er ist ein Rohr, das den Körper durchzieht.
Dies kann innerhalb des Körpers stattfinden, aber außerhalb der Zellen
- wie das System der Blutgerinnung, das eine Bona-fide-Proteinkaskade ist -
ein Ereignis nach dem anderen, und am Ende generieren wir Fibrin aus Fibrinogen.
Und es kann auch innerhalb der Zellen stattfinden.
Wie Sie sehen, handelt es sich um eine Art von Leiter, die wir hinaufklettern,
und während wir die Leiter hinaufklettern, wird auch Spezifität erreicht.
Die Gemeinsamkeit, die gemeinsame Basis all dieser Systeme, ist diese einfache Chemie.
Aber hinsichtlich des Niveaus der Steuerung unterscheiden sie sich sehr.
Dennoch, wenn wir über Proteolyse nachdenken - so ist Proteolyse per Definition zerstörerisch.
Daher müssen wir uns immer, immer vor der zerstörerischen Aktivität der Proteolyse schützen.
Und es spielt keine Rolle, wo sie sich ereignet.
Wenn es sich um den Gastro-Intestinal-Trakt handelt, möchten wir nicht,
dass die Proteine, die beispielsweise von der Bauchspeicheldrüse abgegeben werden, den Gastro-Intestinal-Trakt verdauen.
Wir müssen ihn daher schützen.
Und wir tun dies mittels der Absonderung eines muzinösen Belags,
der die Wand, das Epithel des Gastro-Intestinal-Trakts, vor der Verdauungsaktivität der abgesonderten Enzyme schützt.
Sie haben erst gestern von Barry Marshall gehört, was passiert, wenn es eine Abweichung in dem Prozess gibt.
Wenn die Kontinuität der muzinösen Absonderung unterbrochen ist, sind am Ende Geschwüre die Folge,
und Sie alle haben die Geschichte von Heliobacter pylori gehört.
Lassen Sie uns beim Blut zum Beispiel die Blutgerinnung nehmen.
Wie schützen wir uns vor ungewollter Blutgerinnung? - Durch Lokalisierung.
Ich sondere nur dann, wenn ich eine Verletzung habe, Gewebefaktoren ab.
Und diese Gewebefaktoren rekrutieren Gerinnungsfaktoren, um sicherzustellen,
dass die Blutgerinnung nur in der Wunde stattfindet, um eine Blutung zu verhindern,
und nicht beispielsweise an anderen Stellen, wo wir nicht möchten, dass sie stattfindet, wie in den Koronar-Arterien.
Hier führt eine ungewollte Blutgerinnung zu einer der in der westlichen Welt am weitesten verbreiteten Krankheiten - zum Herzinfarkt.
Und in der Zelle - wir werden sehen, was in der Zelle geschieht,
wie die Zelle sich selbst vor genau dieser Verdauungsaktivität der Proteine schützt.
Nun stellt sich die Frage:
Warum müssen wir Proteine überhaupt abbauen?
Warum synthetisieren wir sie nicht, wachsen und erreichen unser endgültiges Gewicht mit 16 oder 18 Jahren
und leben für immer mit all den reparablen Proteinen?
Warum müssen wir sie überhaupt austauschen?
Wir müssen sie aus Gründen der Qualitätskontrolle austauschen, weil Proteine, wie Sie wissen, sehr empfindliche Strukturen sind.
In der Natur kommt es vor, dass sie fehlerhaft gefaltet, mutiert
oder von post-translationalen Veränderungen wie Oxidation etc. betroffen sind.
Daher besteht ständig die Notwendigkeit, geschädigte, gefährliche, inaktivierte Proteine, die nutzlos sind, zu beseitigen
und durch neue zu ersetzen.
Wir müssen Prozesse steuern:
hierbei, durch dieses Ereignis, beseitigen wir gesunde, funktionale Proteine, die nicht länger benötigt werden.
Sprechen Sie mit Tim Hunt über Cyclin -
tatsächlich glaube ich, dass Tim einer der Propheten des Nutzens des Ubiquitin-Systems war,
indem er dieses Protein sah, das sich während des Zellzyklus im Kreis bewegt und zur richtigen Zeit erscheint und verschwindet.
Und es handelte sich nur um ein einziges Protein, während alle anderen Proteine intakt blieben.
Und dann müssen wir, um die Differenzierung und den morphogenetischen/genetischen Zustand von Geweben zu erhalten,
in vielen Fällen Proteine dauerhaft beseitigen - gestern haben Sie den Vortrag zu Teratokarzinomen gehört, die kommen wieder.
Das Teratokarzinom ist ein gutes Beispiel für einen Tumor, einen bösartigen Tumor,
bei dem zahlreiche Gewebe zurückkommen, wie Zähne, Muskeln, Knochen usw.
Es gibt dort also einen Prozess der Dedifferenzierung.
Wie Sie sehen, gibt es also viele gute Gründe, warum wir Proteine abbauen müssen,
und wir müssen sie mit einer ziemlich hohen Geschwindigkeit abbauen.
Um ihnen einfach die Zahl zu nennen:
Jeden Tag beseitigen wir 6 bis 8 % unserer Proteine.
Manche werden mehrfach pro Stunde beseitigt;
sie durchlaufen einen sehr schnellen Zyklus, um Kontrolle zu erreichen, wie etwa der Transkriptionsfaktor p53, MEK und andere.
Einige wiederum sind langlebig, wie Hämoglobin, das 120 Tage lang besteht, bevor es von der Milz beseitigt wird.
Dazwischen gibt es eine Bandbreite unterschiedlich langer "Halblebenszeiten",
aber alles in allem würde ich sagen, dass wir innerhalb von drei bis vier Monaten im Grunde fast unser gesamtes Protein abbauen.
Was verblüffend ist, denn es bedeutet, dass der Mensch, der heute am 1. Juli 2014 vor Ihnen steht,
fast vier Monate früher nicht aus denselben Proteinen bestand.
Dies wirft also einige interessante philosophische Fragen auf:
Wer bin ich überhaupt, wenn ich nicht derselbe bin?
Es geht jedoch über diese philosophische Fragestellung hinaus.
Denn die Frage, die wirklich gestellt werden sollte, bezieht sich nicht nur auf das ausführende System,
seine Steuerung und biomedizinischen Implikationen,
sondern auch darauf, wie es sein kann, dass unsere Software, unsere höheren Hirnfunktionen, aufrechterhalten werden -
obwohl wir die Hardware austauschen.
Und dies ist keine einfache biologische Frage.
Wir werden sie jedoch nicht weiter verfolgen, sondern sie einfach stehen lassen,
denn es gibt einige Überlegungen dazu, was da passiert.
Kommen wir zum Gründungsvater dieses Fachgebiets - wir zollen den Gründungsvätern immer Anerkennung.
Nicht nur, weil wir ihnen Anerkennung zollen oder ihnen Respekt erweisen möchten,
sondern auch, weil wir uns in einem Kontinuum befinden.
Wir beginnen nichts neu und wir beenden nichts.
Wir nehmen etwas, das schon da war, auf, purifizieren es weiter, destillieren es und schenken es dann der nächsten Generation.
Das ist der Weg, den die Wissenschaft nimmt.
Ich denke, dass dies der Grund dafür ist, warum diese Leute für uns so wichtig sind.
Rudolf Schönheimer, ein jüdischer Wissenschaftler, der hier in Deutschland, in Freiburg lebte.
Mit dem Aufstieg der Nazis zur Macht wurde er entlassen und ging an die Columbia University, an Hans Clarkes Fakultät für Chemie.
Dort nahm Amerika zu jener Zeit viele dieser Juden und sogar Nichtjuden auf.
Rudolf Schönheimer tat Folgendes:
Er verwendete markierte Aminosäuren, mit schweren Isotopen markierte Aminosäuren, und verfütterte diese an Ratten
und stellte fest, dass die Aminosäuren in Proteine eingebaut wurden und dann herauskamen.
Er fand also heraus, dass die Proteine dynamisch sind,
was tatsächlich eine Art Schock war, da jeder dachte, Proteine seien statisch.
Damals gab es bei den Solvay-Konferenzen viele Juden - unter ihnen auch Albert Einstein.
Nachdem er Deutschland verlassen hatte, kehrte er nie wieder zurück.
Sie kennen den Begriff "Hitlers Geschenk" von dem Buch von Jean Medawar -
der Witwe von Professor Medawar, der selbst ein Nobelpreisträger war
und den Nobelpreis für seine Leistungen in der Immunologie erhielt.
Es gibt viele Artikel über dieses Geschenk, das Hitler dem Westen in Form dieser etablierten, wunderbaren Wissenschaftler machte.
Zu diesen gehörte Fritz Lipmann, der Mitentdecker, wie ich sagen würde, grundlegender Biochemie;
er bekam den Nobelpreis für das Coenzym A,
aber er machte zahlreiche weitere grundlegende Entdeckungen auf dem Gebiet der Biochemie.
Und dann Rudolf Schönheimer, Konrad Bloch, der Vater des Biosynthesewegs des Cholesterols, und viele andere.
Und was Rudolf Schönheimer tat
- dies ist ein Nachruf, den ich in der New York Times fand, als ich in der Stadtbibliothek in New York nachforschte -
bestand darin, dass seine Forschungsarbeit dazu beitrug, zu zeigen, dass der lebende Körper ein chemisches Labor ist,
in dem unaufhörlich verschiedene komplexe Stoffumwandlungen stattfinden.
Wir sind also dynamisch.
Wir sind die ganze Zeit über dabei, uns selbst zu ersetzen,
und das trifft nicht nur auf Proteine zu, sondern auch auf Lipide, auf kleine Moleküle und andere Makromoleküle, Nukleinsäuren.
Wir alle sind immer in Bewegung.
In Bezug auf Proteine war das Fachgebiet gewissermaßen tot.
Er bewies also die grundlegende Tatsache, dass wir dynamisch sind, über die Mechanismen wusste man jedoch nichts.
In den frühen 1950er Jahren fand Mel Simpson in Yale heraus, dass der Proteinabbau Energie benötigt, was eine echte Überraschung war.
Hier sehen Sie den Proteinabbau, und er ... egal.
Die Untersuchungen:
Er fing den Sauerstoff aus dem Inkubator ein und ersetzte ihn durch Stickstoff:
kein ATP, keine Respiration, der Proteinabbau kam gänzlich zum Stillstand.
Er vermutete daher, dass der Proteinabbau Energie benötigt,
aber dies machte, thermodynamisch betrachtet, keinen Sinn, denn wir nutzen Proteine als Energiequelle -
warum also investieren wir Energie, um ein Makromolekül mit viel Energie in etwas mit wenig Energie, wie eine Aminosäure, zu zerlegen?
Er vermutete, dass dies aus Gründen der Steuerung geschah.
Stellen Sie sich vor, ein Auto bergab zu fahren.
Es gibt zwei Arten, dies zu tun:
Entweder schalten Sie den Schalter aus und lassen Ihren Fuß von der Bremse -
dies ist die eine Art zu fahren, aber es wird eine ziemlich kurze Fahrt sein.
Oder Sie wechseln in einen niedrigen Gang und setzen Ihren Fuß auf die Bremse, um Hitze zu erzeugen und die Geschwindigkeit zu steuern.
Sie sehen also, dass Sie, selbst wenn Sie keine Energie investieren müssen -
nun, die Analogie ist nicht genau, aber Sie vermittelt Ihnen die Idee, dass die Natur immer mit Energie bezahlt, um Prozesse zu steuern.
Dies war also der erste Meilenstein, der unsere Aufmerksamkeit erregte.
Und darauf folgte Christian de Duve, ein wunderbarer Wissenschaftler, der gerade erst im Februar vor zweieinhalb Jahren verstarb.
Und Christian entdeckte dieses Organell.
Er bezeichnete es als "Lysosom" und erhielt für seine Entdeckung auch einen geteilten Nobelpreis.
In seinem Inneren enthält das Lysosom Proteasen, geschützt von einer Membran - wiederum die Idee des Schutzes.
Die Frage war jedoch, wie sie ihre Beute anlocken, wie die Proteine zwischen die Zähne des Hais gelangen.
Und da gab es mehrere Mechanismen - wir kennen sie und sie kristallisierten sich im Laufe der Jahre heraus.
Einige von ihnen sind eine rezeptorvermittelte Endozytose spezifischer Liganden wie Insulin, das PDGF-Molekül,
das Cholesterol-Molekül, das mit dem LDL-Partikel transportiert wird -
wunderbare Forschungsarbeit von Mike Brown und Joe Goldstein aus Texas.
Andere ergeben sich durch Pinozytose - die Zelle trinkt die sie umgebende Flüssigkeit -
und viele andere Mechanismen, die extrazelluläre Proteine in das Lysosom hereinbringen.
Wie?
Indem sie in Vesikel eingeschlossen werden.
Vesikel verlassen die Oberfläche der Zelle und wandern in die Zelle hinein,
und dort verschmelzen sie mit dem Lysosom und schütten ihren Inhalt in das Lysosom aus.
Es ist ein wohlausgearbeiteter und erforschter Mechanismus - ich werde nicht ins Detail gehen.
Was ist mit den intrazellulären Proteinen?
Christian wollte glauben, dass das Lysosom die Mutter aller proteolytischen Prozesse ist.
Und er sagte, dass dies mittels Mikro-Autophagie geschehen würde.
Das Lysosom schnürt Zytosol-Tropfen ab und verwandelt sie in Vakuolen,
und diese Vakuolen öffnen sich dann und schütten ihren Inhalt aus.
Das war also diese Theorie, bei der ATPs beteiligt waren.
Wir müssen Wasserstoffionen in das Lysosom hineinpumpen;
der pH-Wert im Lysosom ist niedrig, bei zwei Einheiten, was einer hundertfachen Konzentration von Wasserstoff entspricht.
Denn die optimale Aktivität ...die Proteine, die sich in dem Lysosom befinden, agieren nur bei einem niedrigen pH-Wert,
sie agieren optimal bei einem niedrigen pH-Wert - warum?
Wiederum, um die Zelle zu schützen, denn wenn das Lysosom zerplatzt, wird der Zelle nichts geschehen,
denn das Volumen des Lysosoms ist sehr klein und es wird eine Neutralisierung des niedrigen pH-Werts geben
und die Proteasen werden inaktiv sein.
Denken Sie an die dahinterstehende Evolution.
Das Fachgebiet fiel also für Jahre in einen Schlaf.
Und weil es ... gab...
Die Leute realisierten, dass Proteine abgebaut werden, dass dies einen Mechanismus hat, dass Energie benötigt wird.
Alles wurde still, was in vielerlei Hinsicht für uns günstig war.
Denn wenn Sie sich in einem kleinen Land befinden, mit beschränkten Ressourcen, umgeben von großen amerikanischen Haien -
dann möchten Sie alleine gelassen werden.
Doch dann erkannten die Leute, dass das Lysosom vielleicht gar nicht das gesuchte Organell war - und warum?
Weil unterschiedliche Proteine unterschiedliche Halblebenszeiten haben.
Dies ist nur eine Zusammenstellung von Daten.
Dann kamen Tim und Lee Hartwell und Paul Nurse mit dem Cyclin des Zellzyklus dazu und sie sagten:
Ja, Proteine können über den gesamten Zellzyklus hinweg stabil sein und werden dann plötzlich abgebaut.
Man braucht also Spezifität, der Mechanismus des Lysosoms konnte Spezifität nicht erklären.
Denn es handelt sich nur um Stoffmenge, die in Tropfen abgeschnürt wird,
es betrifft alle in diesem kleinen Tropfen enthaltenen Proteine, sie werden genommen und abgebaut.
Es sah also so aus, als ließen sich Regulierung und Spezifität durch das Lysosom nicht handhaben.
So begannen die Leute zu forschen.
Wir waren nicht die ersten; da gab es einige Leute, allerdings nicht zu viele.
Einer von ihnen war Brian Poole, ein wunderbarer Wissenschaftler, der mit Christian an der Rockefeller University zusammenarbeitete.
Brian führte ein einfaches Experiment durch:
Er hemmte das Lysosom mithilfe einer Base, Ammoniumchlorid, die den intra-lysosomalen pH-Wert zerstört.
Und in sehr einfachen Experimenten - auf die detailliert einzugehen ich keine Zeit habe -, zeigte er,
dass Chloroquin vor allem den Abbau extrazellulärer Proteine hemmt.
Hier sehen Sie es einmal ohne Chloroquin und einmal mit Chloroquin: 68 % Abbau.
Und da es auf den Abbau intrazellulärer Proteine keine große Auswirkung hatte, sagte er plötzlich, dass es zwei Systeme geben müsse.
Erstens das Lysosom, das gehemmt werden kann und vor allem am Abbau extrazellulärer Proteine beteiligt ist.
Und dann irgendein anderes System, das am Abbau intrazellulärer Proteine beteiligt ist.
Er scheute sich nicht, dies auf eine wunderschöne Art und Weise poetisch zu definieren, und zwar wie folgt:
"Das exogene Protein, die extrazellulären Proteine werden im Lysosom zerlegt,
wohingegen die endogenen Proteine dort zerlegt werden, wo immer es ist, dass endogene Proteine zerlegt werden."
Irgendwo - gehen Sie hin und finden Sie heraus, wo.
Und er machte sich daran, es herauszufinden.
Leider starb er an den Komplikationen einer Stoffwechselerkrankung.
Ich lernte ihn während meines Promotionsstudiums kennen.
Ich muss zugeben, dass er ein sehr großzügiger Wettbewerber war - er stellte uns all seine Geräte und sein Wissen zur Verfügung.
Aber so etwas geschieht eben.
Und zusammen mit Avram begannen wir unsere Reise.
Wir fingen mit einem Retikulozyten an, einem begrenzt differenzierenden roten Blutkörperchen.
Es ist ein anderer Mangel, denn jahrelang glaubten die Leute uns nicht,
und wenn sie uns glaubten, sagten sie, dies sei nicht Biologie - sondern schon am Rande der Biologie.
Es handelt sich um eine begrenzt differenzierende Zelle.
Dies gab uns wieder etwas Zeit, um in dem System zu graben.
Der Grund, warum wir uns dafür entschieden, uns dem Retikulozyten zuzuwenden, ist, dass der Retikulozyt keine Lysosomen hat.
Während seines Heranreifens stößt er sie aus.
Dann fährt er fort, seine anderen Maschinerien abzubauen, um aus sehr primitiven Zellen zu bestehen -
im Grunde in einer Vakuole voll mit Hämoglobin, mit glykolytischen Enzymen, um ATP zu generieren,
Glutathion, um den reduzierten Zustand vieler anderer Proteine zu behalten - aber sehr primitiven Zellen.
Dies ist also eine Art von rapider Differenzierung, die uns die Natur zur Verfügung stellte.
Es gab keine siRNA, zu jener Zeit konnten wir nicht irgendwelche Proteine zum Verstummen bringen.
Wir veröffentlichten also 1978 unsere erste Abhandlung in einer sehr ungünstigen Zeitschrift.
Randy Schekman äußerte sich gestern zu der neuen Kultur, ich werde darauf nicht eingehen,
aber dies ist eine Zeitschrift, die Sie heutzutage nirgendwo hinbringen wird.
Sie brachte uns nach Stockholm.
Sie wurde von dem Komitee zitiert, was Ihnen kurz und knapp sagt,
dass es nicht darauf ankommt, WO Sie veröffentlichen, sondern WAS Sie veröffentlichen.
Aber lassen wir das.
Die Abhandlung war insofern wichtig, als dass sie uns sofort ohne ein Paradigma zurückließ.
Direkt am Anfang standen wir also ohne Paradigma da.
Der Grund war, dass wir tatsächlich in dem Hochgeschwindigkeits-Supernat des Retikulozyten
eine ATP-abhängige proteolytische Aktivität fanden, und dann begannen wir - wie gute Biochemiker -, sie zu fraktionieren,
und sie wurde fraktioniert.
Und anstelle des klassischen Tangos, den Proteine tanzen und der ein Tanz zu zweit ist,
bei dem man eine Protease und ein Substrat hat, spalteten wir es im ersten Schritt bereits in zwei Teile auf.
Teil 1 ist unerheblich.
Es hängt von der Trennsäule ab, die man verwendet.
Es gab keine Aktivität, wir spalteten es einfach auf.
Teil 2 wies keine oder wenig Aktivität auf, und wir mussten sie kombinieren.
Dies ist also schon ein Tango zu dritt:
Zwei Teile werden benötigt, um den dritten Partner abzubauen.
Behalten Sie in Erinnerung, dass diese zwei Teile jeweils 10.000 Proteine enthalten, denn zuvor war es Zell-Lysat.
Wir fraktionierten also weiter, denn niemand sagte uns, dass Teil 1 nur aus einer Komponente bestand.
Das gleiche führten wir bei Fraktion 2 durch.
Fünf Jahre Arbeit.
Als ich das Labor verließ und als Postdoc ans MIT ging, ließ ich ungefähr 14 verschiedene Faktoren zurück,
die alle dafür benötigt werden, ein einziges Protein abzubauen.
Das Wichtigste war jedoch, dass wir wussten, was sie taten.
Das war der schwierigere Teil -
nicht die Fraktionierung, sondern, jedem eine Funktion zuzuweisen
und sie in eine Reihenfolge zu bringen, um zu erfahren, welcher Teil der erste ist.
Wir begannen also, das Alphabet des Systems zu schreiben.
Aufgrund des Zeitmangels werde ich Ihnen das Alphabet des Systems nur in einer Zusammenfassung zeigen,
und dann werde ich schnell zur Medizin springen.
Man weiß nun, dass sich das System aus knapp 2.000 Proteinen zusammensetzt - das sind fast 10 % des menschlichen Genoms.
Ich werde Ihnen einfach die wesentlichen Komponenten zeigen:
Hier haben Sie das Substrat, das ist das Opfer, das abgebaut wird.
Normalerweise passiert etwas mit dem Opfer, es muss oxidiert, phosphoryliert, hydroxyliert werden.
Irgendetwas muss mit ihm passieren, damit ein Polizist es identifizieren kann.
Der Polizist heißt Ubiquitin-Ligase.
Das ist eine große Familie, die aus Unterfamilien besteht - es gibt fast 1.000 Ubiquitin-Ligasen -
und die Hälfte der Ubiquitin-Familie, der großen Ubiquitin-Familie, hat die Funktion, die Enzyme zu erkennen.
Dies ist ein entscheidendes Element des Systems:
Es erkennt das Substrat, das abgebaut werden soll, bindet es.
Das ist es, was es tut.
Während dessen wird ein kleines Protein namens Ubiquitin durch eine einzige Komponente in der Datenbank,
die als E1 oder Ubiquitin aktivierendes Enzym bezeichnet wird, zu hoher Energie aktiviert.
Wir bringen es auf ein hohes Energieniveau -
ich habe nicht die Zeit, um Ihnen all die biochemischen Details zu zeigen, aber es ist wunderschöne Biochemie.
Und von dort springt es zu einem zweiten Enzym, einem Transmitter, einem Vermittler namens E2.
Es gibt um die fünfzig E2s in der Datenbank.
Und von dort geht es zu dem Substrat, um das Substrat zu markieren.
Wir haben nun also ein Substrat, mit dem etwas passiert und das markiert ist, aber es ist noch intakt.
Erst jetzt, im Anschluss an die Ubiquitinierung
- tatsächlich ist es eine mehrfache Ubiquitinierung, daher ist es nicht ein einzelnes Ubiquitin-Molekül -
bindet sich das erste an das Substrat, das zweite an das dritte, das dritte an das zweite und so weiter und so fort.
Dann kommen die Scheren.
Die Scheren werden nur ubiquitinierte Proteine erkennen, sie werden keine nackten Proteine erkennen.
Es gibt eine Ausnahme, das ist Ornithin-Decarboxylase;
darauf möchte ich nicht eingehen, aber das ist im Grunde die einzige gut bekannte Ausnahme.
Alle anderen Proteine müssen ubiquitiniert werden.
Und das Protein erkennt das Ubiquitin, es erkennt nicht das Substrat;
allerdings bringt es das Substrat nahe an die Protease heran.
Das Substrat wird durch die Aktivität von ATPase geöffnet; es handelt sich um ein großes Substrat,
dessen Struktur von Robert Huber, Wolfgang Baumeister und anderen am Max-Planck-Institut in Martinsried in der Nähe von München
entziffert wurde - eine wunderschöne Struktur.
Es wird durch die Aktivität von ATPasen geöffnet, die sich hier in dem oberen und dem unteren Komplex befinden.
Sie besteht aus zwei Unter-Komplexen, dem 19. und dem 20., es ist eine große, eine 2-Megadalton-, 2-Millionen-Dalton-Protease.
Die aktive Kammer ist hier, also findet die proteolytische Aktivität hier, in dem 20. Komplex, in den Alpha-Ringen statt.
Sie sehen hier vier Ringe, zwei Alpha-Ringe in der Peripherie und zwei Beta-Ringe in der Mitte, und hier findet die Aktivität statt.
Es findet ein Abbau des Substrats zu Peptiden statt, nicht zu Aminosäuren,
und diese Peptide sind auch Teil des Immunsystems und fungieren als MHC Klasse 1 Molekül Peptide -
aber darauf möchte ich wiederum nicht eingehen.
Im Laufe der Jahre wurde das System kompliziert, da jedes Ubiquitin an ein anderes gebunden ist;
normalerweise über ein Lysin, nämlich Lysin-48, aber es gibt noch andere, sieben Lysine, die Ubiquitin binden können.
Allmählich entstand um das System herum eine komplette Sprache.
Und wieder habe ich leider nicht genug Zeit und die Sprache ist kompliziert,
da das Ubiquitin über ein einzelnes Lysin gebunden sein oder es sich um ein Ubiquitin handeln kann,
an das zwei Ubiquitine gebunden werden - so dass es insgesamt drei sein können; es kann wie ein Kerzenleuchter sein.
Dann gibt es noch lineare Ketten, bei denen jedes Ubiquitin an ein anderes gebunden ist:
Kopf an Ende, Kopf an Ende.
Es gibt Mono-Ubiquitinierungen und Oligo-Ubiquitinierungen.
Und dann wurde die ganze Familie der Proteine, der Cousins des Ubiquitins,
die als Ubiquitin-ähnliche Proteine bezeichnet werden, entdeckt - SUMO, Rab, NEDD usw., und die gesamte Familie wuchs stark an -
nicht nur, was die Anzahl der Mitglieder der Familie angeht,
sondern auch hinsichtlich der Art und Weise, wie sie untereinander binden.
Und es stellte sich heraus, dass das, was wir entdeckt hatten, eine proteolytische Maschinerie ist.
Aber wir hatten mehr als das entdeckt -
eine neue Form der post-translationalen Modifikation, die mehrere Funktionen erfüllt, wie Phosphorylierung.
Aber die Schönheit des Systems besteht darin, dass wir das Ubiquitin-System gar nicht entdecken wollten.
Wir hatten keine Absicht, etwas zu entdecken, wir stellten die biologische Frage.
Wir kamen also von ganz unten und schälten es wie eine Zwiebel ab.
Und dann kamen die Informatiker und andere Leute und fügten dem Ganzen oben noch einiges hinzu.
Daher denke ich, dass dies ein eleganterer und schönerer Weg ist, die Biologie anzugehen -
eine Frage stellen anstatt zu schreien,
aber natürlich sind beide Ansätze legitim und man kann von beiden Seiten aus zu wunderbaren Ergebnissen kommen.
Aber wir kamen von unten, von der Biologie.
Das Homologie-Werkzeug Phosphorylierung - Eddy Fisher ist hier wirklich beeindruckend.
Sie sehen die Ligasen, die 1.000 Ligasen, die Ubiquitin modifizieren, die 600 Kinasen.
Ubiquitin kann de-ubiquitiniert werden, kann recycelt werden.
Phosphatasen trennen Phosphor ab.
Phosphatasen generieren ein Signal, ein Ausgangssignal, das von einem nachgelagerten Element erkannt wird -
die wunderbare Forschungsarbeit von Tony Pawson und Tony Hunter.
Ubiquitin ist ebenfalls, wie ich in einem Fall sagte, ein Signal an das Proteasom,
aber, abhängig von der Struktur der Kette, ist es ein Signal für mehrere nachgelagerte Effektoren.
Das Wichtigste:
Die beiden Systeme kommunizieren miteinander.
Einige Proteine werden also, wie ich Ihnen in dem Schema zeigte, nur im Anschluss an eine Phosphorylierung abgebaut.
Lassen Sie mich in den letzten zwei Minuten ganz schnell zur Medizin übergehen.
Bei 2.000 Komponenten ist es unmöglich, dass nicht Abweichungen bei einigen von ihnen zu Krankheiten führen.
Ich werde Ihnen ein Beispiel zeigen, aber das Prinzip ist das folgende:
Proteine werden abgebaut und dabei können zwei Dinge passieren:
Entweder wird ein Protein im Übermaß abgebaut, oder es wird nicht abgebaut.
Die Proteine fallen entweder unter ihren Gleichgewichtszustand oder sie reichern sich oberhalb ihres Gleichgewichtszustands an.
Dann kommt es zu einer Erkrankung.
Es gibt also viele Krankheiten.
Im Grunde genommen ist bei allen neurodegenerativen Erkrankungen das Ubiquitin-System beteiligt,
entweder als primärer Schuldiger oder als sekundärer Schuldiger.
Wenn Sie sich das Gehirn von Alzheimer-Patienten anschauen - dies sind Patienten, bei denen Alzheimer früh ausgebrochen ist -,
sehen Sie die Ansammlung von verstopften Konjugaten.
Diese Konjugate werden ubiquitiniert, aber das Proteasom ist verstopft, es kann nicht abbauen.
Sie werden diese ubiquitinierten Proteine bei zahlreichen Krankheiten antreffen.
Aber wenn wir uns nicht der Qualitätskontrolle, sondern der Steuerung von Prozessen zuwenden, tritt sofort Krebs in den Vordergrund.
Warum Krebs?
Weil einerseits übermäßiger Abbau von Tumorsuppressoren wie p53,
wie er bei menschlichem Gebärmutterhals- und Gebärmutterkrebs geschieht,
dessen Mechanismus auf wunderschöne Art und Weise von Harald zur Hausen enträtselt wurde, zu Krebs führt,
weil aus der Zelle das Tumorsuppressor-Protein entfernt wird.
Wie passiert das?
Das Virus, das in einem frühen Gen, das als E6 Heterodyne bezeichnet wird, eingeschlossen ist, steigt zu p53 auf,
das Ubiquitin-System wirft einen Blick darauf, stellt etwas Fremdes fest und zerschlägt es.
Was war der Zweck des Virus?
Genau dies:
das Ubiquitin-System in die Irre zu führen, um einen Tumorsuppressor zu entfernen -
aber wir werden nicht über die Evolution von Viren sprechen.
Auf der anderen Seite genau dasselbe.
Ein onkogenes Protein, das in zu geringer Menge abgebaut wird,
oder ein wachstumsförderndes Protein, das in zu geringer Menge abgebaut wird, führen ebenfalls zu malignen Transformationen.
Denken Sie an den EGF-Rezeptor, der bei verschiedenen Formen von Brustkrebs mutiert ist.
Er gibt den Zellen ein Nonstop-Signal.
Er kann den Liganden nicht mehr binden, denn die Bindung des Liganden führt zu seiner Internalisierung und seinem Abbau.
Und wir haben dafür eine Lösung:
den Antikörper Herceptin (Trastuzumab), der ihn auf der Oberfläche der Zelle bindet, aber dies ist keine endgültige Lösung.
Lassen Sie uns zu Medikamenten übergehen -
wir haben eine Krankheit, wir können sie mit einem Medikament behandeln und damit werde ich schließen.
Das erste Medikament
- ich werde Ihnen nur ein Medikament zeigen, da die Zeit sich dem Ende zuneigt, aber es wird viele zukünftige Medikamente geben -
ist ein sehr erfolgreiches Medikament, ein Inhibitor für das Proteasom.
Die Leute hielten es für unrealistisch, das Proteasom zu hemmen,
weil das gesamte Ubiquitin-System sich dahinter zusammenballen würde.
Warum erzähle ich Ihnen dann diese ganzen Geschichten, wie wichtig oder unwichtig ist es?
Die partielle Hemmung des Proteasoms führt jedoch tatsächlich zu einer sehr positiven Auswirkung bei einer Krankheit,
die Multiples Myelom heißt.
Dies ist der Inhibitor, Bortezomib, ein Tripeptid und Borsäure-Derivat.
Hier haben Sie einen Patienten mit Multiplem Myelom - das Multiple Myelom ist eine bösartige Krankheit.
Es ist eine B-Zellen-Leukämie, bei der es zu einer monoklonalen Ausbreitung der B-Zellen im Knochenmark kommt.
Die Patienten leiden an der Unterdrückung aller anderen Elemente des Knochenmarks:
rote Blutkörperchen - Anämie; weiße Blutkörperchen - Infektion; Thrombozyten - Blutungen,
und an Brüchen, weil die Masse der Tumorzellen zu Druck führt.
Hier sehen Sie eine gute Behandlung:
Die Krankheit galoppiert voran, die B-Zellen sondern Immunoglobin ab, die Chemotherapie beginnt, partielle Wirkung, Rückfall ....
Und hier sehen Sie das Knochenmark desselben Patienten.
Das Knochenmark ist heftig mit 41 % malignen Zellen überflutet.
Nach der Behandlung weniger als 1 %, dann Verjüngung des Knochenmarks über seine normalen Progenitorzellen.
Als allerletztes können Sie hier ein Röntgenbild einer anderen Krankheit sehen, ein Cousin dieser Krankheit, das Non-Hodgkin-Lymphom.
Sie können den Tumor erkennen, der sich am Eingang des rechten Lungenflügels befindet,
und einen signifikanten Rückgang im Anschluss an die Behandlung.
Hier können Sie die Rippen sehen, das Brustbein, die Wirbel, die Schulter und so weiter.
Wie Sie sehen, hatten wir nichts mit diesen Medikamenten zu tun - keine Rechte, keine Lizenzgebühren, nichts.
Aber Sie sehen, wie eine Grundneugier in Hinblick auf ungelöste Probleme letzten Endes nicht nur zur Entdeckung eines wichtigen Systems,
sondern auch zu großem Nutzen für die Menschheit führte.
Vielen Dank.