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Abschaltmechanismus im Detail verstehen
Das Ras-Protein ist der Schalter für das
Zellwachstum: Wird es durch bestimmte Mutationen verändert (onkogen),
dann steht der Schalter für das Zellwachstum dauerhaft auf "an" und
die Zelle wächst unkontrolliert. Onkogenes Ras findet man in 25
Prozent aller menschlichen Tumore. "Um das unkontrollierte Wachstum zu
stoppen, muss also der Abschaltprozess des Ras-Proteins genau
verstanden werden", so Prof. Gerwert. Abgeschaltet wird das Ras durch
die Katalyse des Triphosphats GTP zu Diphosphat GDP. Den molekularen
Abschaltmechanismus haben die RUB-Biophysiker um Dr. Carsten Kötting
und Prof. Klaus Gerwert in Zusammenarbeit den Professoren Roger Goody
und Alfred Wittinghofer vom Max Planck-Institut für molekulare
Physiologie herausgefunden.
Enzymatischen Weg wie im Film beobachten
Die veröffentlichte spektroskopische Arbeit ergänzt
die früheren Arbeiten der Dortmunder Wissenschaftler, die bereits die
Raumstrukturen des Ras-Proteins und seinem Interaktionspartner, dem
GAP, aufgeklärt haben. Mit der trFTIR-Technik (time-resolved Fourier
Transform Infrared) der Bochumer Biophysik konnten die Forscher jetzt
den enzymatischen Weg der durch das Protein GAP katalysierten
GTPase-Reaktion des Ras-Proteins wie in einem Film beobachten. Dabei
konnten sie ein bisher nicht charakterisiertes, proteingebundenes
Phosphat mit nur Millisekunden Lebenszeit identifizieren, seine
Position im Protein und seinen Protonierungszustand bestimmen.
"Bislang war bekannt, dass im 'an'-Zustand das Triphosphat GTP an das
Protein gebunden ist und im 'aus'-Zustand das Diphosphat GDP", erklärt
Prof. Gerwert. "Jetzt konnten wir mit der trFTIR beobachten, dass der
Schalter in dieser neu entdeckten Zwischenstufe leicht wieder in den 'an'-Zustand
'zurückschnappen' kann." Die daran beteiligten Protonen sind
entscheidend für den Reaktionsmechanismus. Die Forscher vermuten, dass
eine solche Zwischenstufe auch in anderen GTPasen und ATPasen eine
wichtige Rolle spielt.
Direkt am Protein wirksame Medikamente
entwickeln
Die Entdeckungen über das Ras-Protein könnten für
zukünftige Krebsmedikamente von Bedeutung sein: Während klassische
Chemotherapeutika als Zellgift wirken und somit starke Nebenwirkungen
haben, versucht man heute für die Krebstherapie Medikamente zu
entwickeln, die direkt und ausschließlich an einem solchen onkogenen
Protein wirken. Mit dem erworbenen Wissen kann man jetzt versuchen,
mit maßgeschneiderten Substanzen das onkogene Ras in den "aus"-Zustand
zu zwingen, indem man das "Zurückschnappen" verhindert. Im "an"-Zustand
interagiert das Ras mit der Raf-Kinase. Kürzlich hat Bayer für eine
maßgeschneiderte molekulare Therapie ein Medikament entwickelt, das
als so genannter Raf-Kinase-Hemmer bei Nierenkrebs erfolgreich
eingesetzt wird.
Auch ein methodischer Durchbruch
Auch methodisch stellt die Arbeit einen Durchbruch
dar, weil mit Hilfe von Isotopenmarkierungen die dipolare
Wechselwirkung zwischen zwei molekularen Gruppen, hier dem Pi und dem
GDP, in einem Protein nachgewiesen wurde. Somit konnte zum ersten Mal
aus einem eindimensionalen Infrarotspektrum ein Abstand bestimmt
werden, analog der Vorgehensweise in der Festkörper-NMR- und der
ESR-Spektroskopie. Mit dem Ansatz können in Zukunft nicht nur
Reaktionsmechanismen, sondern auch Abstandsänderungen mit hoher
Zeitauflösung vermessen werden.
Beispiel für die gute Kooperation
Die Arbeiten sind im Rahmen des von der Deutschen
Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Sonderforschungsbereichs 642
entstanden und beispielhaft für die gute Kooperation zwischen dem MPI
in Dortmund und der RUB. Die trFTIR Spektroskopie erlaubt in
Kombination mit den Röntgenstrukturanalysen eine detaillierte
Auflösung des molekularen Reaktionsmechanismus von Proteinen. |
