Krebspathogenese: Die Bedeutung der PDI

Jahrbuch 2007/2008 | Ferrari, David M. | Krebspathogenese: Die Bedeutung der PDI-Chaperone und deren
Bindungspartner
Krebspathogenese: Die Bedeutung der PDI-Chaperone und deren
Bindungspartner
PDI chaperones and client proteins in cancer pathogenesis
Ferrari, David M.
Max-Planck-Forschungsstelle für Enzymologie der Proteinfaltung, Halle/Saale
Korrespondierender Autor
E-Mail: [email protected]
Zusammenfassung
Das Endoplasmatische Retikulum (ER) ist ein Knotenpunkt von Signaltransduktionsw egen, w elcher die
Proteinfaltung im ER mit Stress-Signalen, der Zellapoptose und dem ER-assoziierten Proteinabbau verbindet
[1]. ER-Chaperone, zu denen auch die Mitglieder der Protein-Disulfid-Isomerase (PDI)-Familie gehören, können
mit sekretorischen Proteinen interagieren. Zu diesen Substrat-Proteinen gehören auch solche, die für die
Tumorentstehung von Bedeutung sind. Durch eine spezifische Modifizierung von Chaperonen kann die
Stabilität der Protein-W echselw irkung und das Schicksal der Substratproteine entscheidend verändert w erden.
Dieser Weg eröffnet die
Möglichkeit, tumorspezifische
Veränderungen direkt innerhalb der Zelle
zu
beeinflussen und kann ferner dazu beitragen, die Empfindlichkeit der bereits entarteten Zelle gegenüber
unterschiedlichen Therapieformen w esentlich zu erhöhen.
Summary
The Endoplasmic reticulum (ER) is a nexus of signalling pathw ays, linking protein folding, ER stress monitoring,
cellular apoptosis and ER associated protein degradation [1]. ER chaperones, such as members of the protein
disulfide isomerase (PDI) family, interact w ith secretory protein including protein w ith oncogenic potential.
Interaction stability and substrate fate can be modulated by specific modification of these chaperones.
Ein w ichtiges Ziel der Arbeitsgruppe von David Ferrari ist die Entw icklung von PDI-Protein-Inhibitoren.
Hierdurch w ird es möglich, das komplexe System der ER-Chaperone zu beeinflussen. Chaperone sind Proteine,
die neu gebildeten Proteinen "helfen", sich korrekt zu falten. ER-Chaperone w ie die der PDI-Familie zu
beeinflussen, kann insbesondere für das Verständnis der Krebsentstehung und für die Therapie von
Tumorerkrankungen von Bedeutung sein. PDI-Inhibitoren können die Proteinsekretion von Tumorzellen
einerseits direkt beeinflussen, andererseits aber auch über assoziierte Signaltransduktionsw ege einen
indirekten Effekt auf die Tumorzelle ausüben. Dies kann zu einer Veränderung des Phänotyps der Tumorzelle
führen und zudem mit einer erhöhten Empfindlichkeit der Tumorzellen gegenüber verschiedenen Therapeutika
einhergehen. Hierdurch w ürde es dem Körper ermöglicht, Tumorzellen schneller zu eliminieren.
Im Lumen des Endoplasmatischen Retikulums existieren drei bedeutende Chaperon-Systeme (Abb. 1). Die
Substrate dieser Systeme durchlaufen w ährend ihrer Umsetzung mehrfach Zyklen von Bindung und
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Freisetzung am Chaperon. Sow ohl Substratbindung als auch Substratfreisetzung des HSP70-verw andten
Chaperons BiP w erden durch einen ATP/ADP-Austausch vermittelt, w ährend die Bindung von Calreticulin bzw .
Calnexin an ihre Substrate enzymatisch durch Zyklen von Deglucosylierung und Reglucosylierung erfolgt. Die
Entbehrlichkeit der Energiezufuhr im PDI-Chaperon-Substratzyklus lässt auf eine schw ache Bindung zw ischen
dem Substrat und seinem dazugehörigen Chaperon schließen. Bedingt durch die schw ache Substratbindung
ist die Entw icklung eines sehr sensitiven Untersuchungssystems notw endig, um Veränderungen der PDIChaperon-Aktivitäten erfassen zu können.
Im Fokus der Arbeit von Ferrari stehen Untersuchungen zur Protein-Kristallstruktur und zu Funktionen der PDIProteine. Auf Grund der schw achen Chaperon-Substrat-Bindung, der strukturellen Verw andtschaft von PDIProteinen sow ie der Redundanz in ihrer Redoxfunktion ist eine sehr sorgfältige Entw icklung von hoch
spezifischen PDI-Inhibitoren notw endig, um die Chaperonbindung gezielt beeinflussen zu können. Dies setzt
eine exakte Analyse der Proteinstruktur voraus.
Die von den W issenschaftlern in Halle veröffentlichte Kristallstruktur des PDI-D-Proteins Wind aus Drosophila
melanogaster sow ie optimierte Peptid-Array-Untersuchungen haben entscheidend dazu beigetragen, die
Substratspezifität und die Art der Substratbindung in diesem PDI-verw andten Modellprotein zu detektieren.
Um das Verständnis für die Chaperon-Funktionen w eiterer w ichtiger PDI-Proteine zu verbessern, w erden
w eiterführende Arbeiten zu deren Peptidbindungseigenschaften durchgeführt. Auch die Kristallstruktur des
PDI-Proteins ERp29, dem korrespondierenden humanen Protein zu Wind, w urde von der Arbeitsgruppe um
Ferrari erforscht. Aktuell w erden Kristallstrukturen von w eiteren PDI-Proteinen untersucht.
Ferner gelang es, die erste hoch aufgelöste Kristallstruktur eines PDI-D-Chaperon-Substrat-Komplexes zu
erhalten. Gleichzeitig konnten die Forscher ein sensitives Proteomics-basiertes System etablieren, w elches auf
der sogenannten DIGE-Technologie beruht. Diese Technologie ermöglicht es, sehr kleine Unterschiede der
Proteinkonzentration zw ischen zw ei Proben mittels Fluoreszenzdetektion zu messen. Damit w ird es möglich, in
Zellen,
die
eine
Modifikation
der
PDI-Proteinaktivität
aufw eisen,
grundlegende
Veränderungen
des
Proteinprofils im Allgemeinen und des sekretorischen Pathw ays im Speziellen zu untersuchen. Diese
Untersuchungen w erden mithilfe des zuvor etablierten ersten lebensfähigen Knockout-Mausmodells eines PDIFamilienmitglieds durchgeführt, dem ERp29-Knockout-Modell. Durch diese Arbeiten ist es möglich, die Effekte
einer Modifikation von PDI-Proteinen auf die Proteinsekretion von Zellen im Tiermodell unter verschiedenen
Bedingungen zu untersuchen.
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Die dre i be de ute nde n C ha pe ron-Syste m e im
Endopla sm a tische n R e tik ulum . Ne usynthe tisie rte P olype ptide
inte ra gie re n e ntwe de r m it de m HSP 70-ve rwa ndte n BiP übe r
hydrophobe Abschnitte ode r m it de n P rote ine n
C a lne x in/C a lre ticulin, we lche N-Glycosylie rungs-a bhä ngig sind.
Die Zyk le n de r Bindung und Fre ise tzung, a nge trie be n vom
ATP /ADP -Austa usch im BiP -Syste m bzw. von de r
De glycosylie rung/R e glycosylie rung im C a lne x in/C a lre ticulinZyk lus, scha ffe n e ine n a usre iche nde n Ze itra um für die Fa ltung
de r Substra te und de re n Ex port a us de m ER . Für P DI-P rote ine
sind ä hnliche Zyk le n von Bindung und Fre ise tzung von
Be de utung, wobe i die Substra te rk e nnung te ilwe ise a uf se hr
k le ine n e x ponie rte n und hydrophobe n Epitope n be ruht. In
a lle n dre i Syste m e n k önne n die a nha lte nde Bindung a m
C ha pe ron ode r a be r e in ve rlä nge rte r Aufe ntha lt im Zyk lus
zum P rote ina bba u m itte ls ER -a ssoziie rte m P rote ina bba u
führe n.
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P rote infa ltung/Fe rra ri
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[1] D. Ron, P. Walter:
Signal integration in the endoplasmic reticulum unfolded protein response.
Nature review s. Molecular cell biology 8, 519-529 (2007).
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