Unterbrechung von Signalwegen zur Verhinderung von Krankheiten
Häufige Erkrankungen wie Herz-Kreislauf- und Nierenerkrankungen, Krebs und Diabetes Mellitus gehen weltweit mit einer massiven Sterblichkeit und Morbidität einher. Aus biomedizinischer Sicht besitzen all diese Krankheiten das gleiche chemische Signalnetzwerk – den cAMP-Signalweg (compartmentalised cyclic adenosine monophosphate). Zyklisches Adenosinmonophosphat entsteht durch Adenylylzyklasen (ACs) als Resultat vieler Signale, die von außerhalb der Zelle eingehen. Der wichtigste Effektor von cAMP ist die Proteinkinase A (PKA). Die Bindung erfolgt durch Akinase-Ankerproteine (AKAP), die die cAMP-Signalwege koordinieren, indem sie PKA an verschiedene Zellkompartimentsysteme wie Plasmamembranen und die äußere Mitochondrienmembran binden – ein Vorgang, der als Kompartimentierung bezeichnet wird. Sowohl Kompartimentierung als auch sämtliche Protein-Protein-Interaktionen bei der cAMP-Signalweiterleitung sind hochspezifisch und bieten eine Vielzahl von Möglichkeiten, medikamentös einzugreifen. Das EU-finanzierte Projekt THERA-CAMP zielte auf die Identifizierung kleiner Moleküle ab, die als mögliche Wirkstoffansätze genutzt werden könnten, um die Interaktion von Signalproteinen und Proteinen zu unterbrechen, die für die Verankerung zellulärer Kompartimente verantwortlich sind. Im Fokus von THERA-CAMP standen Moleküle, bei denen ACs, AKAPs und PKA aktiviert werden. Das Team setzte dabei neue Biosensoren für FRET- (Fluoreszenzresonanz-Energietransfer) und BRET-Verfahren (Biolumineszenzresonanz-Energietransfer) ein. Im Rahmen molekularer Modellstudien wurden wichtige Protein-Protein-Interaktionen biochemisch charakterisiert. Es wurden auch Screening-Systeme zur Identifizierung niedermolekularer Disruptoren entwickelt innerhalb kompartimentierter cAMP-Netzwerke. In zellbasierten BRET-Assays wurden mehrere Signalwege für neurologische Erkrankungen identifiziert. Die Forscher entdeckten eine dynamische Interaktion, an der das Protein Lis beteiligt ist, dessen mutierte Form Auslöser von Enzephalien ist. THERA-CAMP identifizierte erstmals auch das Protein Ndel1, das mit dem bei Schizophrenie mutierten DISC1 interagiert. Beim Screening einer Bibliothek von 20.000 Molekülen wurden verschiedene Substanzklassen identifiziert, die die Relokalisierung eines cAMP-Moleküls entweder induzieren oder inhibieren. Ein Beispiel hierfür ist Phosphodiesterase, das mit chronisch obstruktiver Lungenkrankheit COPD sowie Fibrose und Schlafstörungen assoziiert wird. Im gleichen Screening wurden therapeutische Moleküle für Krankheiten identifiziert, bei denen der Wasserrückhalt gestört ist wie etwa bei chronischer Herzinsuffizienz und Leberzirrhose. SPR(Oberflächen-Plasmonenresonanz)-basierte kompetitive Assays erwiesen sich als ausgesprochen produktiv bei der Identifizierung kleiner Moleküle. Beschrieben wurden etwa 140 Moleküle für eine Unterbrechung der AKAP-PKA-Aktivitäten. Interessanterweise handelt es sich bei 20 dieser Moleküle um natürlich vorkommende Substanzen wie Flavonoide und Polyphenole. THERA-CAMP entwickelte eine völlig neue Perspektive auf die Mechanismen der Unterbrechung biochemischer Kaskaden als Auslöser von Krankheiten. Anhand von Projektforschungsprotokollen können nun auch Nebenwirkungen niedermolekularer Therapien genauer eingeschätzt werden. Die kompartimentierten cAMP-Signalwege könnten auch zur Behandlung von Krankheiten dienen, die auf herkömmliche pharmakologische Ansätze nicht ansprechen.