Unsere Wege scheinen sich immer wieder zu kreuzen und ich kenne Hans seit vielen, vielen Jahren.
Ich habe nur einen Einwand: Warum nennt er mich Doktor oder Professor Fischer?
Nenn mich doch einfach Eddie, wie es jeder hier tut.
Gestern an unserem Runden Tisch haben mehrere das Thema Signalübertragung angesprochen.
Und das ist auch das Thema meines heutigen Vortrags.
Unter Signalübertragung verstehen wir die sehr komplexe Abfolge von Reaktionen, die eine Zelle veranlasst,
als Antwort auf die vielen externen und internen Signale zu wachsen, unterschiedliche Formen zu entwickeln
und schließlich zu sterben.
Jede Körperzelle ist einer Vielzahl von Signalen ausgesetzt, die sie in Form einer kohärenten Antwort integrieren muss.
Und dazu muss zwischen den einzelnen Signalwegen eine Kommunikation erfolgen
und müssen alle stattfindenden Reaktionen so koordiniert und synchronisiert werden,
dass die Signalpfade ihre jeweils spezifischen Funktionen ausüben können.
Dieses Thema ist in das Gebiet der Proteomik einzuordnen, das sozusagen die andere Seite der Medaille der Genomik repräsentiert.
Und Sie alle haben in Verbindung mit dem Humangenom-Projekt schon viel von der Genomik gehört.
Und zweifelsohne stellt die wesentliche Entschlüsselung des menschlichen Genoms
und des Erbguts vieler Dutzender von Organismen heute eine Leistung in enormer Dimension dar - eine Leistung,
die die Biologie verändern wird, indem sie die Art und Weise wandeln wird, wie wir über verschiedene Probleme denken.
Und das wirkt sich dann auf die Zukunft der Biomedizin und der Medizin grundsätzlich aus.
Dennoch ist wohl auch klar, dass die Akkumulation dieser riesigen Mengen von DNA-basierten Informationen
uns nur insoweit voranbringt, als genom-basierte Vorhersagen der gesamten potenziellen Protein-Ausstattung möglich sind,
die von einem Organismus produziert werden kann.
Nicht berücksichtigt wird dabei aber die enorme Diversifizierung der Struktur, der Genstruktur,
wie beispielsweise der Gen-Einbau oder das An- und Abschalten von Genen oder die Gen-Rekombination
oder andere Arten von Gen-Umlagerungen, wie sie beispielsweise im Immunsystem vorkommen, wo weniger als 1.000 Gene,
V(D)J-Gene, mehr als 500 Millionen Proteine initiieren können.
Nicht berücksichtigt werden ko-transkriptionale oder transkriptionale Modifikationen,
wie beispielsweise das so genannte alternative Splicen, epigenetische Veränderungen -
etwa Mutationen nach Belastung durch Radioaktivität oder chemikalische Karzinogene -
oder eine Verarbeitung durch limitierte Proteolyse, mehrere Hundert chemische Modifikationen, Glykosylierung,
Methylierung, Isoprenylierung ... Hunderte solcher Vorgänge.
Selbst wenn man das Immunsystem, das sich akribisch entwickelt hat, um strukturelle Diversität zu erzeugen,
vollkommen außer Acht lässt, gibt es wesentlich mehr Proteine im Proteom als Gene im Genom,
das im Gegensatz dazu eine Art feststehende Einheit darstellt - mehr oder weniger ein Problem des finiten Endes.
Das Proteom ist kontinuierlich im Wandel begriffen, verändert sich mit dem Stadium der Entwicklung,
dem Wachstum der Zelle und sogar durch den Einfluss von Umweltfaktoren laufend.
Und schließlich kann uns das Genom nicht verraten, wie Proteine über Adapterproteine, über Netzwerkproteine,
über Ankerproteine miteinander interagieren, um diese riesigen Komplexe zu erzeugen,
die faktisch ihre Funktionsweise charakterisieren.
Es kann uns nichts über die Signale verraten, die ein Protein an die Membran oder das endoplasmatische Retikulum (ER)
oder den Golgi-Apparat für den Transport in den Kern und aus dem Kern heraus versendet, worüber - da bin ich sicher -
Günter Blobel später berichten wird, oder über die Signale, die sich auf ein Protein richten,
um es zum richtigen Zeitpunkt zu zerstören.
Und natürlich sagt uns das Genom auch nichts über den Mechanismus, durch den Enzyme reguliert werden.
Und das ist das, worauf ich mich konzentrieren möchte: die Regulierung durch Proteinphosphorylierung.
Denn wir wissen heute, dass dies der wahrscheinlich am häufigsten vorkommende Mechanismus ist,
der für zelluläre Vorgänge verantwortlich ist.
Und tatsächlich spielt die Proteinphosphorylierung bei fast jedem Aspekt im Zellverhalten eine Rolle,
bei der Stoffwechselsteuerung, Transkription, Translation, Immunreaktion, Transformation usw.
Und die meisten dieser Phosphorylierungsreaktionen basieren zumindest quantitativ auf Serin und Threonin.
Aber eine der größten Überraschungen auf diesem Gebiet war die vor gerade einmal 25 Jahren gemachte Entdeckung,
dass die Phosphorylierung von Tyrosin eng mit Transformationsprozessen und Onkogenität verknüpft ist,
wobei eine Vielzahl von Tyrosinkinasen ins Spiel kommt, die zellulären und viralen Ursprungs sind
oder mit dem Rezeptor für mitogene Hormone und Wachstumsfaktoren verbunden sind.
Und weil Letzterer einige der bedeutenden Moleküle repräsentiert, über die externe Signale empfangen werden,
möchte ich ein paar Worte dazu sagen.
Wir kennen heute ungefähr 59 verschiedene Wachstumsfaktorrezeptoren, die sich in ungefähr 20 Unterkategorien unterteilen lassen.
Und sie haben alle die gleiche Architektur, ein Einzeltransmembran-Segment, das die katalytische Aktivität innen,
Tyrosinkinase, separiert und dann gibt es außen eine große Vielzahl von strukturellen Bindungsmotiven.
Das ermöglicht die spezielle Liganden-Bindung, cysteinreiche Domänen, die man auf dem EGF oder anderswo findet,
diese immunoglobulin-ähnlichen Domänen, EGF-artig, Cadherin-artig, Faktor 8, Kringel, leucin-reiches Protein -
eine große Vielzahl von Domänen, die diesen Rezeptoren einen speziellen Charakter verleihen.
Die meisten Liganden sind zirkulierende Hormone, wenn auch der FGF ein Protein wie Heparin zur Bindung benötigt.
Und mit Ausnahme der F-Familie ist dies die größte Rezeptorenfamilie, die membrangebundene Liganden erkennt.
Und sie konzentrieren sich auf das neuronale System, wenn sie nicht sogar ausschließlich dort anzutreffen sind,
wo sie durch Regulierung der Zellwanderung und der axonalen Signalpfadfindung usw. eine bedeutende Rolle
in der Kommunikation spielen.
Sie können sich jetzt vielleicht vorstellen, wie Signale von diesen Rezeptoren abwärts übertragen werden.
Im Ruhezustand sind sie voneinander getrennt und inaktiv.
Bei Bindung eines Liganden, beispielsweise EGF, vereinigen sie sich und durchlaufen sofort eine Transphosphorylierung.
Und dann wird quasi aufgrund der Tatsache, dass diese Tyrosinphosphatgruppen kleine Module erkennen können,
ein Signal übertragen, in diesem Fall als SH2 bezeichnet, was für src-homology 2-Domäne steht,
die eine hohe Affinität zur Tyrosinphosphatgruppe aufweisen. Das gilt innerhalb einer spezifischen Sequenz.
Vorher sind diese Adaptermoleküle sozusagen frei im Zytoplast und werden über die Phosphorylierung des Rezeptors rekrutiert.
Die Konformationsänderung in dem Adapter, der für die Wachstumsfaktorrezeptorenbindung steht,
wie von Joseph Schlessinger beschrieben, ermöglicht es dann anderen Modulen, in diesem Fall dem SH3-Modul,
sich an die nächsten Elemente anzudocken, weil es eine prolen-reiche Region erkennt.
Und dieses bindet sich dann an das nächste Element und löst eine Reaktionskaskade aus.
Dieses System würde nun einem Rezeptor die Kommunikation mit einem weit entfernten Protein unter Verhältnissen ermöglichen,
unter denen es keine anderen Kommunikationsmöglichkeiten gibt. Wie Sie sehen, verläuft die Kommunikation praktisch mechanisch.
Die Proteine verzahnen sich miteinander, als ob man es mit dem Zusammenbau von Tinkertoy-Elementen
oder lego-artigen Bausteinen zu tun hätte.
Und diese Verzahnung des Proteins gewährleistet, dass nur das richtige Protein in einen speziellen Signalpfad gezogen wird.
Dadurch wird die Fidelität des Übertragungssystems gewährleistet.
Und bis heute wurden durch die vergleichende Sequenzanalyse Hunderte solcher Modularten identifiziert.
Und sie sind in einer Fülle von Adapterproteinen, regulierenden Proteinen, Transkriptionsfaktoren usw. zu finden.
Ich möchte hier nur einige erwähnen.
Es gibt die SH2-Domäne (src-homology 2), von der ich gerade gesprochen habe, die das Tyrosinphosphat erkennt, die SH3-Domäne,
die die prolen-reiche Region erkennt, WW, eine Domäne zwischen zwei Tryptophanen, ungefähr 27, 30 Distanzen lang,
die ebenfalls Prolen-Blobs, aber mit einer anderen Sequenz, und außerdem Serin-Phosphat erkennt.
Die Hauptfunktion der PH-Domäne (Pleckstrin-Homologie-Domäne), ist nicht die Protein-Protein-Interaktion,
sondern das Erkennen von anionischen Kopfgruppen auf Phosphorlipid, auf Phosphorinositid, wie PIP2, PIP3.
Sie erkennt auch das G-Protein und spielt diesbezüglich eine wichtige Rolle in der Chemotaxis.
Die PTB-Domäne (Phosphotyrosin-Bindung) erkennt die Phosphotyrosin-Bindung,
aber auf eine komplett andere Weise als die SH2-Domäne.
Sie erkennt speziell dieses NPXY-Modul und hat eine sehr starke Affinität zu Upstream-Sequenzen.
Es kommt also auch zur Bindung, wenn das Tyrosin nicht phosphoryliert ist.
Und die PDZ-Domäne ist wahrscheinlich eine der wichtigsten Domänen für die Protein-Protein-Interaktion.
Sie erkennt hydrophobe C-Termini, üblicherweise Valin oder Isoleucin und auch einige Beta-Finger, sehr scharfe Beta-Finger,
die faktisch das C-Endsegment nachahmen.
Und diese Bindungsmotive können sich entweder in verschiedenen Proteinen oder im selben Protein befinden,
sodass die PDZ-Domäne einer Kopf-Fuß-Oligomerisierung unterliegen kann.
Und das ist ihr Hauptcharakter. Ich werde auf diese Möglichkeit, Stränge von PDZ-Domänen zu Gruppen zu formieren,
um Rezeptoren und Ionenkanäle zu organisieren, noch zurückkommen.
Ich möchte Ihnen jetzt rasch anhand von Beispielen veranschaulichen, wie einige dieser Module funktionieren.
Die SH2-Domäne wurde inzwischen in über 100 Proteinen gefunden, und zwar üblicherweise in Adapterproteinen wie RAB 2,
das ist ein Analogon. Und sie binden üblicherweise an aktivierte Rezeptoren.
Und bei den meisten sind mehrere SH3-Domänen vorhanden, die es solchen Adaptern ermöglichen,
sich in einem Signalpfad bei verschiedenen Proteinen einzuklinken.
Die SH2-Domäne kann aber auch noch eine andere, sehr wichtige Rolle übernehmen, nämlich als Konformationsschalter dienen.
Viele Enzyme (und alle Src-Kinasen) enthalten ein Tyrosin-Phosphat, das als negative Determinante dient.
Die SH2-Domäne kann sich damit verbinden und deshalb die katalytische Bindungsstelle abschirmen.
Oder die SH2-Domäne kann in anderen Fällen an eine inhibitorische Domäne binden, die wiederum als negative Determinante dient.
In dieser Form sind diese Enzyme also inaktiv. Dies ist der Fall beim SIP-Enzym und einigen Tyrosin-Phosphatasen.
Eine Aktivierung erfolgt dann, wenn ein spezielles Tyrosin-Phosphat diese Phosphatgruppe lahmlegt
und sich deshalb das Molekül öffnet, die katalytische Bindungsstelle frei macht
oder dieses Enzym dann in Kontakt mit einem anderen Molekül kommt, das eine höhere Affinität für diese SH2-Domäne aufweist.
Die SH2-Domäne richtet also sozusagen ihre Loyalität in diesem Fall statt auf das Enzym auf den Rezeptor.
Man kann das SH2 also als internen Konformationsschalter betrachten,
so wie die Phosphatgruppe als externer molekularer Schalter fungieren kann, um die Enzyme zu aktivieren oder zu hemmen.
Die Hauptfunktion der PH-Domäne - und dies hat sich jetzt in über 500 verschiedenen Proteinen bestätigt - besteht darin,
die Moleküle an die Membran zu binden und die gleiche Funktion wie eine Myristoyl- oder Palmitoyl-Gruppe zu erfüllen.
Und diese findet man in Substraten, beispielsweise dem Fibroplast-Wachstumsfaktor oder dem Insulinsubstrat IRS1234.
Diese Moleküle haben üblicherweise einen großen Tyrosinrest-Strang.
Und sie dienen als Anhangsbindungs-, Verankerungs-, Anhangsandockstellen für Moleküle, die eine SH2-Domäne aufweisen.
Wenn man also beispielsweise den Insulinrezeptor aktiviert, führt er sein Substrat an die Membran heran.
Die PTB-Domäne "klatscht" es an den Rezeptor und der Rezeptor phosphoryliert sofort einen Großteil des Tyrosinrests
und löst eine Signalübertragung nach unten aus.
Die Bedeutung der PH-Domäne bei dieser Reaktion wird an einer Kinase deutlich, der Bruton-Kinase, BTK,
die eine bedeutende Rolle in der B-Zellen-Entwicklung und Signalübertragung spielt.
Eine Einzelpunktmutation in der PH-Domäne, die Arginin-zu-Cystein-Mutation, beeinträchtigt deren Bindung an die Membran
und verursacht Wachstumsfunktionsaberrationen, die zu einer X-verbundenen Agammaglobulinämie führen,
weil diese Kinase einfach nicht an die Membran hergeführt werden kann.
Wie ich bereits sagte, verdankt die PDZ-Domäne ihre Charakteristik der Tatsache, dass sie Ketten bilden kann,
Mehrfachkopien einer Kette. MAGUK steht für membran-assoziiertes Protein mit Guanylatkinase-artiger Domäne.
Diese Proteine weisen keine Guanylatkinaseaktivität auf.
Aber hier ist das postsynaptische Dichteprotein PSD95, von dem das PDZ seine Bezeichnung erhalten hat, das InaD-Protein,
das ich noch besprechen werde, also eine Vielzahl von Proteinen, die alle eine modulare Struktur aufweisen.
Und lassen Sie mich noch die Funktionsweise von einigen schematischen Beispielen aus der Literatur aufzeigen.
PSD95, seine beiden PDZ-Domänen schließen sich zu Untereinheiten des NMDA-Rezeptors zusammen und dimerisieren den Kanal.
Und eine weitere PDZ-Domäne, ich glaube das ist faktisch die zweite,
kann zudem eine heterodimere Verbindung mit einer PDZ-Domäne der neuronalen Stickoxid-Synthase eingehen.
Dabei handelt es sich um ein Enzym, das für seine Aktivität Calcium-Calmodulin benötigt.
Die Lokalisierung der Synthase mit einem Kanal und der Synthase (die wie ich bereits sagte, ein Enzym ist,
das Calcium-Calmodulin benötigt), also die Lokalisierung der beiden zusammen führt
nach dem Calciumeintritt zu der sehr effizienten Produktion von Stickoxid.
InaD hat eine PDZ5-Domäne, keine katalytische Aktivität.
Und auch hier besteht die Hauptfunktion im Clustern vieler Enzyme in der Phototransduktion,
dem Drosophila-Phototransduktionssystem. Das menschliche Homolog hat acht solcher PDZ-Domänen.
Bei Aktivierung des Systems durch ein Photon über das G-Protein erfolgt also eine Aktivierung bei PLC Beta.
Und das führt zur Produktion von Diacylglycerin und Calcium,
was wiederum diesen prägnanten Rezeptorpotenzial-Calciumkanal aktiviert
und den Calciumeintritt sowie die Zelldepolarisierung auslöst.
Und die umgekehrte Reaktion, der Deaktivierungsprozess, ist eine calciumabhängige Reaktion unter Beteiligung von PKC,
einer I-spezifische Proteinkinase C, Calmodulin, Arrestin, eine calmodulin-abhängige Proteinkinase.
Aber durch das Clustern dieser Proteine wird eine riesige Verstärkung des Systems bewirkt, und zwar in einem solchen Ausmaß,
dass die Aktivierung von Rhodopsin durch ein einziges Photon in einem Zeitraum von einer Millisekunde
zur Aktivierung von rund 100 Calciumkanälen führt. Das ist also die Bedeutung des Clusterns all dieser Proteine.
Und schließlich kann PKZ als Lokalisierungsmaschine der Zelle wirken oder dienen.
In C-elegans beispielsweise können drei Proteine, 2, 7 und 10,
jeweils mit ihrer PDZ-Domäne an den Rezeptortransporten beteiligt sein, insbesondere beim 23A Tyrosinkinase-Rezeptor.
Diese Einheit kann also gemeinsam mit einigen ihrer Ziele oder einem Teil ihres zusätzlichen Proteins
als Fracht für den Transport von Proteinen innerhalb der Zelle dienen.
Die Komplexität der Regulierung der Signalübertragung lässt sich gut an P95VAV demonstrieren.
Das sieht aus wie eines dieser Schweizer Taschenmesser, das für fast alle Funktionen geeignet ist.
Mit all seinen Domänen kann es mit einer Vielzahl unterschiedlicher Systeme interagieren.
Ich werde es hier nicht beschreiben, es ist ein Enzym.
Es ist ein GEF, ein Guanin-Nukleotid-Austauschfaktor, der immer mit einer PH-Domäne verbunden ist.
Aber bedeutenderweise weist es analog zu Calponin eine stark hydrophobe Region am N-Ende auf.
Calponine sind Proteine, die die Kontraktion der glatten Muskulatur steuern.
Und diese Calponin-artige Region übernimmt eine sehr negative Funktion,
weil Vav-Proteine bei Eliminierung eines Teils durch Abtrennung des N-Endes onkogenetisch werden.
Und das Vav-Protein wird bei Rezeptoraktivierung phosphoryliert. Es wird durch das Fusionsprotein BCR-Abl phosphoryliert,
das man mit der chronischen myeloischen Leukämie (CML) in Verbindung bringt.
Ok, gerade gibt mir der Vorsitzende ein Zeichen, dass ich meine Zeit überschreite.
Was ich sagen will, ist, dass das große Problem für die Zelle darin besteht,
eine Auswahl unter all den Möglichkeiten zu treffen, die sie realisieren könnte,
weil ein Protein wie das Vav-Protein ähnlich funktioniert wie diese Kreisverkehre,
die Fahrzeuge in jede Richtung weiterleiten können. Und das ist eine große Schwierigkeit für die Zelle.
Und sie kann das nur bewältigen, wenn sie von außen ein Signal erhält und wenn viele Rezeptoren zusammenarbeiten,
miteinander kommunizieren, eine kombinatorische Art von Reaktion erzeugen.
Das sind also einige Aspekte, die wir über die Signalübertragung wissen.
Aber wie geht es von da aus weiter? Was sind die wichtigsten Probleme, die wir zu lösen haben?
Wir kennen mehrere der bedeutenden Signalwege. Wir haben die Elemente dieser Signalwege charakterisiert.
Wir kennen ihre Struktur, wir kennen ihre Funktion.
Aber diese Moleküle sind nur die Wörter, die eine Zelle üblicherweise hervorbringt, um ihr Verhalten zu modifizieren.
Wir kennen einige dieser Wörter, wir kennen Fragmente und Teile der verwendeten Sätze, aber wir kennen nicht die Sprache,
die eine Zelle verwenden muss, um alle erfolgenden Reaktionen zu synchronisieren und zu koordinieren.
Und darüber hinaus hatten die Zellen in 3,5 Milliarden Jahren der Evolution alle Zeit der Welt, sekundäre Signalwege,
parallele Signalwege, Möglichkeiten und Feedback-Reaktionen zur Regulierung ihres Wachstums,
zum Schutz in Notzeiten oder zur Planung ihres Todes zu etablieren.
Und noch wichtiger ist vielleicht, dass wir die Sprache nicht kennen, die die Zellen mit anderen Zellen sprechen.
Und diese war absolut entscheidend für den Aufbau dieser sehr komplexen Informationsnetzwerke,
wie man sie in der embryonalen Morphogenese sieht, wie man sie im Immunsystem sieht -
und in dem unendlich komplexeren zentralen Nervensystem,
wo 1.000 Millionen Zellen über ungefähr 1.000.000 Milliarden Synapsen miteinander kommunizieren,
um letztendlich die Erzeugung des Gedächtnisses und der Gedanken und des Bewusstseins zu bewältigen.
Und wie Erwin Neher gestern schon sagte, wird dies eine der wesentlichen Herausforderungen sein,
die die Biologen in den kommenden Jahren zu lösen haben.
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit.