Echtzeitüberwachung zellulärer Signalwege
Genauere Kenntnisse zur zellulären Dynamik bei der Phosphorylierung (dem Anhängen einer Phosphatgruppe an ein Molekül) und den damit assoziierten Signalwegen könnten Wirkstoffentwicklung und Therapien um vieles verbessern. Beispielsweise hat ein bestimmtes Tumorsuppressor-Gen mehr als 18 verschiedene Phosphorylierungsstellen, mit dem viele komplexe Aktivitäten gesteuert werden. Europäische Forscher entwickelten im Projekt QUASI (Quantifying signal transduction) Methoden zur dynamischen Überwachung der Phosphorylierung von Proteinen in einzelnen lebenden Zellen. Damit könnte mit handelsüblichen oder neuen Wirkstoffen gezielt in Signalwege eingegriffen werden, insbesondere zur Therapie von Krebs- oder entzündlichen Erkrankungen. Die Phosphorylierung übernehmen spezielle Enzyme, so genannte Kinasen. Sie wirken nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip auf spezifische Substrate. Eine Phosphorylierung von Proteinsubstraten ermöglicht daher das An- und Ausschalten von Signalwegen. MAP-Kinasen (MAP: Mitogen-aktivierte Proteine) gehören einer Kinasefamilie an, die, wie bereits bekannt ist, an verschiedenen zellulären Signalwegen beteiligt ist. Zur Entwicklung von Methoden für die Echtzeit-Quantifizierung von Phosphorylierungsereignissen in Zellen griff QUASI auf den bislang am besten erforschten MAP-Kinasesignalweg HOG (high osmolarity glycerol) und den Pheromonsignalweg in Hefe zu. Daraus wurden Methoden entwickelt, um in Echtzeit zelluläre Phosphorylisierungsereignisse zu quantifizieren. Die Forscher optimierten und entwickelten Methoden auf Basis von Isotopenmarkierung, Massenspektroskopie, Fluoreszenzbildgebung und chemischer Vernetzung zur Überwachung von Kinasen und den wichtigsten Phosphorylierungsereignissen. Durch Generieren von Mutationen und Kinaseanalogen und deren Targets gelang es dem Team, spezifische Enzymsubstratreaktionen zu identifizieren und spezifische Signalwege zu hemmen. Aus experimentellen Daten wiederum wurden mathematische Modelle des HOG und Pheromonsignalwegs entwickelt, aus denen sich die Aktivierung der Signalwege erschließt. Die entwickelten Visualisierungsmethoden zur Animierung von HOG und Pheromonsignalwegen können weitere Erkenntnisse zu intrazellulären Signalwegen liefern und sinnvoll zur Abschätzung von Nebenwirkungen sein. Das ehrgeizige Ziel von QUASI lieferte wichtige neue Verfahren, Daten und Methoden zur Analyse häufiger und doch spezifischer komplexer Signalwege, die in die Phosphorylierung involviert sind. Damit kann die gezielte Wirkstoffentwicklung deutlich vorangebracht werden.
