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Genetische Erkrankungen mit Proteinfehlfaltung

In den letzten Jahren wurde erkannt, dass viele genetisch determinierte Erkrankungen auf einen gemeinsamen Krankheitsmechanismus zurückzuführen sind. Hierbei führen Genmutationen zu Störungen der Proteinfaltung mit Funktionsverlust der Proteine (protein misfolding diseases with loss-of-function). Am Beispiel verschiedener angeborener Stoffwechselerkrankungen (z.B. Phenylketonurie oder Medium-Chain-Acyl-CoA-Dehydrogenase-Mangel) bemühen wir uns um die Aufklärung der molekularen Mechanismen der Krankheitsentstehung, um für unsere Patienten neue Behandlungskonzepte zu entwickeln. Für die Phenylketonurie ist dies mit der Markteinführung eines neuen Medikamentes zur Korrektur der Proteinfaltung im April 2009 bereits gelungen.

Die biologische und medizinische Signifikanz der Proteinfehlfaltung als Ursache vieler Erkrankungen rückt immer mehr in den Fokus der medizinischen Forschung. Auf Grund unterschiedlicher pathophysiologischer Mechanismen der Krankheitsentstehung unterscheidet man zwei Gruppen von Proteinfaltungsanomalien. In der einen Gruppe von Erkrankungen, meist neurodegenerative Erkrankungen akkumulieren die fehlgefalteten Proteine in den Zellen und bilden unlösliche, zelltoxische  Aggregate, die dann zu den molekularen bzw. klinischen Dysfunktionen führen („toxic gain-of-function“).

Fortschritte auf dem Gebiet der funktionellen Genomik haben zu der Erkenntnis geführt, dass überraschend viele genetisch determinierte Erkrankungen durch Störungen der Proteinfaltung verursacht werden. In dieser Klasse von Proteinfaltungserkrankungen, führen Genmutationen zu Störungen der Proteinfaltung, die sich in unterschiedlicher Weise auf die Proteinfunktion auswirken (protein misfolding diseases with loss-of-function). Aus der präzisen Kenntnis der zugrunde liegenden pathogenetischen Mechanismen ergeben sich neue und teilweise überraschend einfache Möglichkeiten zur gezielten pharmakologischen Korrektur von Proteinfaltungsanomalien. Genetische Erkrankungen sind einzeln betrachtet selten („orphan diseases“), betreffen jedoch in ihrer Summe eines von 500 Kindern.

Die häufigste genetisch bedingte Erkrankung des Aminosäurekatabolismus, die Phenylketonurie, bei der ein Defekt des Enzyms Phenylalaninhydroxlase (PAH) vorliegt, wird den Proteinfaltungserkrankungen mit „loss-of-function“ zugeordnet,. Mit den bisher in unserem Labor etablierten experimentellen Methoden konnten wir zeigen, dass die durch die Mutation verursachte Fehlfaltung globale konformative Veränderungen in der Tertiär- bzw. Quartärstruktur der varianten PAH induziert und so die für die physiologische Funktion essentielle Kommunikation zwischen flexiblen Regionen durch das gesamte Protein stört (Gersting et al., Am J Hum Genet, 2008).

 


Informationen über die PAH

Die PAH ist ein eisen(II)abhängiges Enzym und katalysiert die Hydroxylierung von Phenylalanin zu Tyrosin unter Verbrauch von Sauerstoff sowie in Gegenwart ihres natürlichen Kofaktors Tetrahydrobiopterin (BH4), der im Verlaufe der Reaktion zu Dihydrobiopterin (BH2) oxidiert wird.

Abbildung Reaktionsschema

Abbildung Reaktionsschema

 

Die PAH ist ein komplex reguliertes, cytosolisches Enzym, das in seiner funktionellen Form als Homotetramer vorliegt und mit einer dimeren Form im Gleichgewicht steht. Im Tetramer sind die Untereinheiten als Dimer aus Dimeren angeordnet.

PAH Tetramer

Abbildung Tetramer

 

Die Untereinheit im Tetramer besteht aus drei strukturellen Domänen, der regulatorischen (blau), katalytischen (rot) und Oligomerisierungsdomäne (grün). Die PAH wird posttranslational nicht glycosyliert aber phosphoryliert.

 Untereinheit mit funktionellen Domänen

Abbildung Untereinheit mit funktionellen Domänen

 


Neue Therapiemöglichkeiten

Am Modell der Phenylketonurie, einer genetisch bedingten Eiweißstoffwechselerkrankung durch Defekt des Enzyms Phenylalaninhydroxylase (PAH), entdeckte unsere Arbeitsgruppe ein neues Therapieprinzip, das auf der spezifischen Adressierung eines Therapeutikums an die Kofaktorbindungsstelle eines fehlgefalteten Enzyms beruht (Muntau et al., New Engl J Med 2002). Tetrahydrobiopterin (BH4), der natürliche Kofaktor des defekten Enzyms, führt in pharmakologischen Dosen bei einem hohen Prozentsatz der Patienten zu einer Verbesserung der Enzymaktivität und damit zu einer Abmilderung der biochemischen und klinischen Erkrankungsfolgen. Dies bedingt einen Paradigmenwechsel in der Therapie der Phenylketonurie, nämlich den Ersatz der belastenden Therapieform einer lebensbegleitenden, strengen synthetischen Diät durch die Einnahme einer natürlichen, körpereigenen Substanz. Der Wirkmechanismus ist noch nicht vollständig geklärt. In einer Studie an einem neuen Tiermodell zum BH4-responsiven PAH Defekt konnten wir einen wichtigen Beitrag zur Aufklärung des molekularen Wirkungsmechanismus leisten. Wir konnten in vivo experimentell bestätigen, dass BH4 das fehlgefaltete Enzym PAH stabilisiert und damit als pharmakologisches Chaperone wirkt. (Gersting et al, HumanMolGenetics 2010)

 


Weitere Proteinfaltungserkrankungen (MCADM)

Inzwischen konnten wir experimentell nachweisen, dass es sich auch beim Medium-Chain Acyl-CoA Dehydrogenase-Mangel (MCADM), einer der häufigsten angeborenen Stoffwechselerkrankungen mit hoher Morbidität und Mortalität, um eine Proteinfehlfaltungserkrankung mit loss-of-function handelt. Die experimentellen Resultate bestärken die Hypothese, dass auch im Falle des MCADM die molekulare Grundlage der Erkrankung in der durch den Aminosäureaustausch ausgelösten Proteinfehlfaltung besteht, die zum teilweisen oder vollständigen Verlust der Funktion des Enzyms führen kann.

Unsere Beobachtungen haben eine hohe klinische Relevanz, zeigen sie doch, dass die im Neugeborenenscreening (NBS) identifizierten missense Mutationen  eine pathogene Bedeutung haben. Sie haben einen beträchtlichen Einfluss auf die Protein Konformation und Funktion und es wird angenommen, dass sie in Phasen metabolischer Entgleisung als Folge von katabolen Krisen für die Patienten ein hohes Risiko darstellen. Der Medium-Chain-Acyl CoA-Dehydrogenase (MCAD)-Mangel erfüllt in idealer Weise die Kriterien einer schwerwiegenden angeborenen Stoffwechselerkrankung, für die die Entwicklung einer pharmakologischen Therapie lohnenswert ist (Maier et al., Hum Molec Genet, 2009).