Aaron Ciechanover

The Ubiquitin Proteolytic System as a Novel Drug Development Platform

Category: Lectures

Date: 29 June 2011

Duration: 30 min

Quality: MD SD

Subtitles: EN DE

Aaron Ciechanover (2011) - The Ubiquitin Proteolytic System as a Novel Drug Development Platform

Between the 50s and 80s, most studies in biomedicine focused on the central dogma - the translation of the information coded by DNA to RNA and proteins. Protein degradation was a neglected area, considered to be a non-specific, dead-end process

Good morning and as you heard from Avram in the previous lecture, I was his graduate student when we made the discovery and Avram in his first point of lessons for life mentioned mentorship so maybe this is the ultimate proof that mentorship is transmitted genetically. So Avram had his grandparents, for me they are grandparents and I had my own excellent mentors, the first obviously was Avram. And this was apprenticeship at its best because Avram as you can see here and as he mentioned works on the bench still. But at that time our benches were just neighbouring to one another and we did experiments daily together in an old monastery building that reminds anything else but laboratory. So it was a truly fantastic period but then very similarly kind of following his steps also in our past education. In many ways I went to a much bigger laboratory at MIT and I had another mentor, Harvey Lodish who is a fantastic biologist. But again it was a very big laboratory and people were on their own. But Harvey gave me the freedom to do whatever I want to do and I flip-flopped between degradation in the lysosome of ligands taken to the cell by a receptor mediated entocytosis. But then back to the ubiquitin system and we made further contribution in the ubiquitin field when I was a post-doctoral fellow and from there on you're on your own. And I think that one lesson is the following, yes even graduate student can make it at the end of the day. But you really have to have really good mentors and to learn the lessons from them and I thought that I was extremely lucky in that sense. Ok what I want to tell you today is to take Avram's lecture one step forward and to show you the applied side of the ubiquitin system and the applied side, it's not that we are translating it ourselves, we are not doing any translational research, this was a little bit mentioned yesterday in the discussion. But it just shows you that if you are doing a good research, at the end of the day there will be somebody that will take it further and will apply it. And in our case its application to drug development and human diseases. And what I want to show you today is this applied side of the ubiquitin proteolytic system. So if we think about the ubiquitin system, so proteins are degraded and on the right side you see that each protein is kept at a level and the level can be dynamic, it can fluctuate. But if something wrong does happen, the protein can be excessively degraded and something, it will go below its steady state level or there will be a mutation in a recognition site of a ligase that was mentioned to you by Avram. Or in the recognition motif of the substrate, it makes it associating with the ligase and then the protein will accumulate. And both of these aberrations will lead to a disease and there are numerous diseases that are attributed to either side of this equation. Let it be either excessive degradation or under degradation of a protein. And if we think about it, we can now look at it from a completely different side. If we think of why it all will degrade protein, why we need to degrade protein and Avram mentioned it but let's put it in a little bit of a different frame. In each of the reasons of the main reasons why we degrade protein, there is a whole group of diseases that were described. And obviously once you have a disease people are interested in the mechanism of the disease and then they are making one step further and trying to go and develop drug. So first of all it's quality control, there are many diseases that belong to quality control, proteins are denatured, misfolded, aggregated, we need to remove them, if they are not removed properly they develop diseases and I can bring you just 2 examples of big groups. One group is obviously the neurodegenerative diseases that we discussed yesterday, partially in the master class, Alzheimer, Parkinson, polyQ expansion diseases. We have proteins aggregated in the brain, they are not properly removed and here there is a disease. Don't be dragged behind me by this over simplification, not in all cases the proper degradation is the primary cause but this aggregation and accumulation of protein always plays a pathogenetic role. One disease that was mentioned beforehand is cystic fibroses. Cystic fibroses is primarily a quality control disease where a mutated chloride transporter, the cystic fibroses chloride channel is excessively degraded by the ubiquitin system. Actually the mutated CFTR, the mutated protein is a normal functioning protein. If you put it in a liposome it will pump chloride normally. The problem is the mutation, the mutation is identified by the ubiquitin system. And the ubiquitin system is there to control quality. And apparently the ubiquitin system fulfils its function. It will remove it and the protein will not be expressed through the cell surface. So here we have another kind of an excessive type of a quality control, where the system fulfils its function, so just quality control one reason. Then control of processes, Avram brought you one of the ultimate examples, the cell cycle, almost the entire cell cycle is riding over programmed and time degradation of different regulators. And this allows the cell to move from one step of the cell cycle to another. Wonderful work by Lee Hartwell, Tim Hunt, the word cyclin, it's called cyclin because it cycles. And then the mechanism was unravelled by the further work of Avram or Kirschner and many others to show that it's the ubiquitin system that controls it but not only this numerous oncogenes, transcription factors are all degraded by the ubiquitin system. So we have to control processes. Then obviously in order to maintain the differentiated and morphogenetic state of tissues we have to remove proteins permanently and this is aberrated in many malignancies. Now let's think about, I don't want just to bring you examples, I bring you only few highlights but I want to, that we think conceptually, in the car we have 2 pedals, we have the gas and we have the break. And in the pharma industry it has always been much easier to push, to put our leg on the break, to develop inhibitors. You know think about cancer today, kinase inhibitors and so on. Namely to treat diseases of gain of function. Once we have the processes accelerator, we are inhibiting the process by developing antagonist. If we are losing function, if something is going wrong with an enzyme because it's mutated genetically, if a function is lost it's much more difficult to replace it, we can replace it, you know hormonal therapy, if you are losing insulin, you are treating with insulin in diabetes, adrenergic hormones, if we are losing them. But it's much more difficult, think of Parkinson and think of other diseases, when we are losing function to replace function. So the left side has always been easier and I think that the ubiquitin system is not an exception though because the ubiquitin system is so complicated, we can manipulate it so that by developing inhibitors we can still accelerate the system. And I'll show you later on how it works. So this is one of the secrets of pharma or the hallmarks of pharma, the relative ease, nothing is easy, forget about ease, in developing drugs for gain of function diseases, to develop inhibitors or to push the car break. Compared to major obstacle developing drugs to loss of function diseases. Accelerators and I brought you an example of genetic diseases, all the car gas pedal. And the ubiquitin system has been converted in more than the recent decade for a large, large platform of drug development. All the companies, basically all the big pharma and small pharma and start-up companies, many of them are involved in the development and Avram mentioned one drug, I'll show you some other drugs, I'll talk more about the drug that Avram mentioned. But this is just one review coming from natural reviews in drug discoveries. And when you think about the ubiquitin system of where to drug it, you may think of the different hierarchy and since the ubiquitin system, Avram didn't mention the number but the finite, or almost the infinite number of components of ubiquitin system component is about 1,500, so there are about 1,500 enzymes and components in the ubiquitin system. And if you think of the entire human genome, the entire human genome is about 22,000 open reading frames, forgetting about splicing products. So the ubiquitin system with all its tributaries is about 6, 7% of the entire human genome. You can imagine that you have a large plethora of enzymes to be targeted. From the first one, there is a single E1 that activates ubiquitin to about 30 E2's to about 100 of ubiquitin ligases. And then to the proteasome and then all the modifying enzymes and so on. So you can stratify the system and choose your target and accordingly and also conceptually, it's not just random selection but rather you can do it in a very systematic way. So there is a single E1, several E2's, hundreds of E3's and then thousands of substrates that are being ubiquitinated and then funnelled into the proteasome to be degraded. And indeed the ubiquitin system has been converted into a very large drug system. We can stop polyubiquitination by UB statin. Avram mentioned Bortezomib or Velcade which inhibits the proteasome. I shall talk later on inhibitors of recycling enzymes because at the end remember ubiquitin is a catalyst. We mark the protein for degradation, the protein is being degraded but we retrieve back ubiquitin to go to the next target and the next target. So ubiquitin is a covalent catalyst in many ways. So the enzymes that recycle ubiquitin are targets. And then recently there is a whole family of ubiquitin-like proteins that were discovered and ubiquitin itself serves many non-proteolytic functions, not only to target proteins for degradation and ubiquitin-like proteins also serve numerous non-proteolytic functions. They're called ubiquitin-like proteins because they are very similar to ubiquitin in structure and also the mechanism of activation and conjugation is very similar. One of them for example is SUMO, the other one is NED-8 and they conjugated to the protein in a very similar mechanism to ubiquitin but it's only similar and not identical. They have their own conjugation machinery. So as we saw in recent years the ubiquitin system has been expanded dramatically and ubiquitin that in my eyes and in the eyes of many was a proteolytic signal was converted to become just another form, very rich form however of cross translational modification. One of the functions of which is obviously to target protein for downstream recognising protease which is the 26S proteasome. So you can see that the ubiquitin system has become into a very rich drug development system and let's start with cancer. And Avram already pointed out and let me again wrap it up in an over simplified picture, that if a tumour suppressor like P53 is excessively degraded or an oncogenic protein, a growth promoting factor is inhibited from being degraded we are up into a cancer. And we can think of P53 on the right side of the equation, let's take human uterine cervical carcinoma, you heard about it from Harald zur Hausen, he is kind of the father of the field, the human papillomavirus encodes an oncogene called E6, E6 heterodymerise to P53, this is a purposeful process evolved by the virus. This heterodimer is somehow recognised by the ubiquitin system as a foreign protein and the ubiquitin system trashes the tumour suppressors to the sink, to the proteasome. The virus does it purposefully because P53 is a quality check point protein. And if it will be there it will prevent the virus from integrating into the cellular DNA and from executing its numerous function. So the virus was very smart, he smarted out the ubiquitin system by evolving an early expressing gene that will target first the tumour suppressor for degradation. Allowing then the virus to go ahead and being expressed in the cell. So here we are trashing a tumour suppressor protein that is there to check quality, to check the integrity of the genome and afterwards the virus is free. And at the end of the process we are seeing malignant transformation. On the other side we can look at the EGF receptor that from time to time is promoted or to beta catenin for example that from time to time is not degraded. And it keeps on signalling to the cell and the cell keeps on thinking that it's under constant stimulation for division and for expression of cell division proteins and it keeps on running in an uncontrolled manner because the regulator, either beta catenin or the EGF receptor, and I can bring you numerous other examples, is not under degradation control anymore of the ubiquitin system. So you see deviation in any side of the ubiquitin system will lead to aberration and one of the first drug was surprisingly developed, as was mentioned by Avram as a proteasome inhibitor, it's an inhibitor of specific site, of the active site in the proteasome. The proteasome is, you are going to heat it from Robert Huber later on, from 2 sub-complexes, this is the proteolytic arm of the system that degrades ubiquitined proteins. And here are the active sites in the middle, they are sitting here in the catalytic chamber, in the catalytic particle. And here you can see them, these are threonine residues and they are inhibited specifically by Velcade that was shown to you by Avram, it's a tripeptide, a boronic acid derivative and it attacks electrophonically specifically the threonine residue to inhibit it. And here you see a patient, this is a patient with multiple myeloma, multiple myeloma for those of you who are not in the medical field is a monoclonal expansion of a B cell, of an immune IG secretory B cell in the bone marrow. It occupies the entire space of the bone marrow. Suppresses all other progenitors and the patient is suffering heavily from this occupation of space. Tumours are space occupying lesions if we want to think about it. And in this case it's the suppression of the other elements so the patient is suffering from lack of erythrocyte, difficulties in breathing, lack of leukocytes, infections, bleeding because of lack of thrombocytes and then pathological fracture because the tumour presses against the vertebra and against the lung bones. And as Avram mentioned this disease has been lethal in suffering until several years ago when 2 drugs came into the market, one of them is Velcade, the other one is a derivative of thalidomide, I'm not going to talk about it. And here you can see a patient, you can see the galloping, the riding up level of the immunoglobulin secreted by the tumour. So in this case we have an excellent biomarker, treatment starts here, chemotherapy, you see partial remission but then relapse again and then treatment with Velcade started and you can see a depression of the bio marker. Not all patient respond, we are now not we, researchers are profiling patients to sort out, to personalise medicine, to tailor the treatment to the patient because not all patients respond and we are interested to know why certain do and why certain do not. And here you can see the bone marrow of the patients and you can see here the malignant homogenous bone marrow scattered with these B cells and following treatment you can see that the bone marrow is rejuvenated, being refilled again with the normal progenitors. Here you see a sister disease, this is a CAT scan of the chest, it's a non-Hodgkin lymphoma, it's kind of a cousin disease and you can see here this is a cross section of the chest for those of you who are not oriented anatomically. So the CAT scan is a wonderful technology, also was awarded the Nobel Prize. And what you can see here, we cut the chest and we kind of lift and we look inside but we do it metaphorically. So here you can see the sternum, the front chest bone, you can see nicely the vertebra with the spinal canal, you can see the scapula, the bone of the shoulder, the shoulder masses, the ribs and you can see here a tumour sitting in the hilum, in the gate of the right lung. The black is obviously the air in the lungs, here you can see the great vessels of the heart and here the tumour regressed. So you can see a nice treatment. Let's go to another layer. So forget about proteasome inhibitor, let's move further. Chaperones, chaperones are quality control proteins that their function is to refold proteins and to put them back into the pool. So before you go ahead and degrade a protein, you still give the protein a chance to be refolded. But from time to time in the language of Susan Lindquist who is a very outstanding chaperone researcher, chaperones becomes, here you can see it on the left side, evolutionary capacitates of mutation. So they hold on to the mutated proteins and they don't let it out, they don't refold it, but they don't subject it to the ubiquitin system. So here the protein has found itself protected from degradation and keeps on executing its mutated aberrant function. So the idea will be to dissociate this Gordian knot between the chaperone and the mutated proteins. And different inhibitors, different dissociators were evolved and one of them is geldanamycin, it turned out to be toxic but here you have a florescent staining of breast cell, culture cells with the EGF receptor, with the mutated EGF receptor. And following treatment with the dissociator you can see that the florescence is clear, the protein was released and went down following ubiquitination to the lysosome. And here you can see the biology, I mean it's beautiful, the chemistry. So this is a different dissociator, you can see that the protein, the ErbB2 which is a derivative of the EGF receptor following addition of the dissociator is getting ubiquitinated. The protein itself disappears but mostly all those growth promoting factors are self-stimulated kinases. So one day ligand binds to it, they go and kinase themselves and then they are going to be activated for their further downstream activity. You see that the kinase activity, the phosphotyrosine, this is a specific antibody to phosphotyrosine, on the receptor itself is completely gone. And we can look at the patient with multiple squamous cell carcinomas in the face, you can see that following 47 days this big tumour is now ulcerated so it's on the way to healing and the face are better. And following additional 40, almost 40 days, the face are much better. So we are taking a mechanism and converting it into a drug. But the next generation of drugs is going to be inhibitors of ubiquitin ligases because the plethora there is very rich but it turned out to be a rock hard to crack. Why? Because ligases interact with a proteolytic substance of ubiquitin system in a low affinity on large surfaces. And it turned out to be very difficult to tamper with. So therefore the field is a little bit behind in developing inhibitors to ligases but nevertheless people are attempting and I'll shop you one attempt. And this is P53 again. I am coming back to this critically important tumour suppressor or check point, quality control protein. And this protein is really jumping up in any stress, you stress the cell, you just touch the cell, telomere shortening, ribonucleotide depletion, mitotic spindle damage, DNA damage, any damage, P53 will jump up. And once it jumps up it will immediately stop division of the cell. Because the idea is that the cell with the damage cannot proceed, we want to stop it from being dividing. Then there will be an attempt on damage repair. So downstream to P53 there will be a whole host of repair enzymes and genes that are activated, whether it's in the DNA or in other damage oriented directions. And if after a trial and it's going along a time line, the damage cannot be repaired, then P53 will induce apoptosis. It will kill the cell and take it out of the cellular repertoire. So P53 is critically important protein and just to show you how critical it is, mutations in P53 were shown to be part of about 50% of all known tumours, it's a critically important protein. And in another 50% of the remaining 50%, so we are talking now 75%, P53 is down regulated, it's wild type, it's not mutated, it's functional but nevertheless it's down regulated. How it's down regulated by its own ubiquitin ligase. So here the ubiquitin system plays a pathogenetic role. It takes a tumour suppressor and down regulates it in order to allow cancer to proceed. How it down regulates it by up regulating its ubiquitin ligase. Normally the ubiquitin ligase of P53 which in mouse is called MDM2, in human it's called HDM2, is in a servo loop regulatory mechanism along with P53. So P53 is a transcription factor, it up regulates its own executioner. The executioner ubiquitinates and degrades P53, P53 is down, once P53 is down it cannot transcribe anymore the ligase, then the ligase is down but then P53 is up. And then the story goes on and on and on. So they cycle in a sinusoidal phase difference from one another and this has been shown beautifully. In those 25% of tumours in which P53 is of the wild type, HDM2 goes up in an uncontrolled manner, it doesn't listen anymore to the regulatory voice of P53, it's going out of control. It's constantly up and it turns down, it down regulates P53 all the time. so here you have a mechanism, what shall we do, we shall develop an inhibitor to MDM2, if we shall use a small molecule inhibitor to HDM2, HDM2 will be there, it will be high but it won't be able to recognise P53 anymore and P53 will go up again. Let's see how it works. It does work, there is an inhibitor called Nutlin, was developed in Nutlin New Jersey by Roche, it's still an experimental inhibitor and the inhibitor is based again on understanding of the 3-dimensional structure of the ligase and it's a small molecule that sits exactly where P53 is sitting. So it competes out, P53 out of the active site of the ligase. And let's look at the result of the experiment, here it is. We are adding the inhibitor, P53 is coming up - fantastic. So here is the inhibitor. MDM2 is also coming up, so the executioner is coming up but we don't care because the executioner is dead because there is an inhibitor in the medium, here it is. So we get, P53 is active, it transcribes its executioner but the executioner is dead because there is an inhibitor that is all the time there. And how do we know that the P53 is a good one, because P53 now induces P21 and P21 is a cell cycle inhibitor. And how do we know that we inhibit cell cycle, we look at the facts analysis. In the facts analysis in the control almost 50% of the cells are synthesising the DNA. They are cycling. While afterwards once we are adding the inhibitor only 5% are there. So we are pushing the cell out of the cell cycle. And here is the result in mice, in SCID mice, you can see we are injecting tumour cells into the back of SCID mouse and the tumour is growing, what you see on the ordinate is the tumour volume and you see that it's growing. And once we are injecting Nutlin you can see that the tumour stopped from growing and the effect of Nutlin is identical to the effect of Doxorubicin which is highly cytotoxic DNA chelating agent. So with a specific inhibitor of ubiquitin ligase we can achieve exactly the same result as we are achieving with a more broad highly toxic chemotherapeutic agent. So this is a good sign for the future. As time closes up I just want to go to the very last slides and to show you how the field really evolved, this is just a paper that I found out in last Cell, Cell is very famous for those of you who are in biology, very famous periodical, came out last Friday. So it just shows you how rapidly the field, in this case they are targeting E2 and this is the E2 that is involved in cell cycle, completely allosteric, new inhibitor that just came out, just to show you how dynamic it is. But I want to know, and then there are inhibitors of ubiquitin-like proteins that I don't want to tell you but I want to go to the very last 2 slides. And to show you how we can manipulate the ubiquitin system even to loss of function diseases and this is very interesting. And let's go to neurodegeneration. And in neurodegeneration as I told you we have aggregated proteins and this is loss of function and we are standing hopelessly. So the story is the following: We have the proteasome here, we have the proteasome and the proteasome degrades ubiquitin into proteins and the proteasome is equipped also with deubiquitinating enzymes to recycle the ubiquitin. So a protein is approaching the proteasome, the protein is degraded, ubiquitin is recycled. If we shall manipulate a little bit the proteasome and inhibit partially the deubiquitinating enzymes we shall make degradation a little bit more efficient. So we can manipulate the 2 processes because the proteasome is a dual function enzyme. So an inhibitor was developed by Dan Finley at Harvard medical school, this is the nature paper that showed up a few weeks ago and I just want to show you one last panel and this is this panel. The C panel. And you can see here that once we are inhibiting the inhibitor an experimental protein that is called Q80 or Q22 is going down. Now what is Q80 or Q22, I mention to you one degenerative disease which is Huntington disease. In this group of diseases which is not only Huntington but also spinocerebellar ataxia and Kennedy's disease and many other diseases, there is a genomic instability and a protein is expending its N terminals by repeating in cooperation of glutamine so there is a CAG repeat which is the coding triplet for glutamine, typically we have very few of them and all of a sudden we get an expansion on certain proteins. And we get a protein that is a normal protein but it's preceded at the N terminals by a large stretch of polyQ's and these polyQ's are aggregated, precipitated and lead to this aggregated result which is the disease, let it be Huntington, spinocerebellar ataxia and so on. And here you have a model in which we are manipulating one activity of the proteasome, the deubiquitinating enzyme, pushing the proteasome to be a little bit more efficient and are able to get rid of an aggregated protein. So here we are starting already to move from diseases of loss of function to diseases of gain of function by manipulating activity and by having a very rich plethora of the ubiquitin system. So I think that I, I hope that I gave you a little bit of a flavour of what started in the late '70's of me becoming a graduate student of Avram, just curious about a small unclosed niche in biology, ending up in drugs and more than that in a big future for drugs. So thank you very much.

Guten Morgen. Wie Sie von Avram in der vorigen Vorlesung gehört haben, war ich sein Doktorand, als wir die Entdeckung machten. Avram erwähnte in seinem ersten Hinweis zu den Lektionen des Lebens die Rolle von Mentoren. Dies ist also vielleicht der schlagende Beweis dafür, dass das Mentorsein genetisch übertragen wird. Avram hatte seine Großeltern, für mich sind es Großeltern, und ich hatte meine eigenen hervorragenden Mentoren, deren erster offensichtlich Avram war. Und dies war eine Lehre erster Güte, denn Avram arbeitet Doch zur damaligen Zeit lagen unsere Labortische direkt nebeneinander. Und wir führten täglich zusammen Experimente durch, und zwar in einem alten Kloster, das einen an alles Mögliche erinnerte, nur nicht an ein Labor. Es war also eine wirklich fantastische Zeit, die ich damit verbrachte, seinen Schritten in meiner früheren Ausbildung mehr oder weniger zu folgen. In vielerlei Hinsicht ging ich am MIT an ein wesentlich größeres Labor, und ich hatte dort einen anderen Mentor, Harvey Lodish, der ein fantastischer Biologe ist. Doch auch dies war wieder ein sehr großes Labor, und die Leute arbeiteten für sich. Harvey gab mir allerdings die Freiheit, zu tun, was ich wollte. Ich beschäftigte mich immer wieder mit dem Abbau von Liganden, die durch von einem Rezeptor vermittelte Endozytose in die Zelle gebracht wurden, im Lysosom. Dann jedoch auch wieder mit dem Ubiquitin-System, und mir gelangen weitere Beiträge in diesem Forschungsbereich, als ich Postdoc-Fellow war. Von da an ist man auf sich selbst gestellt. Ich denke, eine der Lektionen hieraus ist folgende: Ja, selbst Doktoranden können letzten Endes Erfolg haben. Doch es kommt darauf an, dass sie wirklich hervorragende Mentoren haben und deren Lektionen lernen, und ich dachte, dass ich in diesem Punkt äußerst viel Glück hatte. Okay. Was ich Ihnen heute sagen möchte, führt Avrams Vortrag einen Schritt weiter und zeigt Ihnen die Anwendungsseite des Ubiquitin-Systems. Die Anwendungsseite, das bedeutet nicht, dass wir die Übertragung selbst leisten, wir führen in dieser Richtung keine Forschung durch. Dies wurde in der gestrigen Diskussion kurz erwähnt. Doch es zeigt einem einfach, dass sich – wenn man eine gute Forschung betreibt – schließlich jemand finden wird, der sie weiterführen und anwenden wird. Und in unserem Fall ist es die Anwendung auf die Entwicklung von Medikamenten und auf Erkrankungen des Menschen. Was ich Ihnen heute zeigen möchte, ist die Anwendungsseite des proteolytischen Ubiquitin-Systems. Wenn wir uns also das Ubiquitin-System vorstellen, dann werden darin Proteine abgebaut. Auf der rechten Seite sehen Sie, dass jedes Protein auf einem bestimmten Spiegel gehalten wird. Dieser Spiegel kann dynamisch sein, er kann schwanken. Wenn jedoch etwas Falsches geschieht, kann das Protein zu stark abgebaut werden. Es sinkt dann unter sein Fließgleichgewichtsniveau oder es kommt zu einer Mutation in der Erkennungsregion einer Ligase, von der Avram zu Ihnen gesprochen hat. Oder im Erkennungsmotiv des Substrats. Dies führt dazu, dass es sich mit der Ligase verbindet, und dann kommt es zu einer Akkumulation des Proteins. Beide dieser Abweichungen führen zu einer Erkrankung, und es gibt zahlreiche Krankheiten, die den beiden Seiten dieser Gleichung zugeordnet werden, sei es ein übermäßiger oder ein unzureichender Abbau eines Proteins. Und wenn wir darüber nachdenken, dann können wir dies jetzt von einer völlig anderen Seite aus betrachten, indem wir fragen, warum wir überhaupt Proteine abbauen, warum wir Proteine abbauen müssen. Avram hat dies angesprochen, doch lassen Sie uns dies in einen etwas anderen Rahmen setzen. Jedem der Gründe, der Hauptgründe, warum wir Proteine abbauen, wird eine ganze Gruppe von beschriebenen Krankheiten zugeordnet. Wenn man eine Krankheit hat, sind die Leute natürlich am Mechanismus dieser Krankheit interessiert, und dann gehen sie einen Schritt weiter und versuchen ein Medikament zu entwickeln. Zunächst ist es also eine Qualitätskontrolle. Es gibt viele Krankheiten, die mit Qualitätskontrolle zu tun haben: Proteine werden denaturiert, falsch gefaltet, bilden Aggregate. Wir müssen sie entfernen. Wenn sie nicht ordentlich entfernt werden, kommt es zur Entstehung von Krankheiten, und ich kann Ihnen nur zwei Beispiele großer Gruppen vorstellen. Eine Gruppe besteht offensichtlich aus den degenerativen Erkrankungen des Nervensystems, die wir gestern, besonders in der Meisterklasse, besprochen haben: Alzheimer, Parkinson, Erkrankungen, die mit polyQ-Erweiterung in Zusammenhang stehen. Wir haben es hier mit Proteinansammlungen im Gehirn zu tun. Sie werden nicht richtig entfernt, und dadurch kommt es zu einer Erkrankung. Lassen Sie sich von mir durch diese übergroße Vereinfachung nicht mitziehen. Nicht in allen Fällen ist der gestörte Abbau die Hauptursache, doch diese Anhäufung und Ansammlung von Proteinen spielt immer eine pathogene Rolle. Eine Krankheit, die bereits erwähnt wurde, ist die Mukoviszidose. Hierbei handelt es sich in der Hauptsache um eine Qualitätskontrollerkrankung, bei der ein mutierter Chloridträgerstoff vorliegt. Bei der Mukoviszidose wird der Chloridkanal durch das Ubiquitin-System übermäßig abgebaut. Tatsächlich ist es so, dass der mutierte CFTR, das mutierte Protein ein normal funktionierendes Protein ist. Wenn Sie es in ein Liposom bringen, pumpt es Chlor auf normal Weise. Das Problem ist die Mutation. Die Mutation wird vom Ubiquitin-System erkannt, und die Aufgabe des Ubiquitin-Systems ist die Qualitätskontrolle, und scheinbar erfüllt das Ubiquitin-System diese Aufgabe auch. Es entfernt dieses Protein, und es wird nicht durch die Zellwand exprimiert. Hier haben wir eine andere Art übermäßiger Qualitätskontrolle, bei der das System seine Funktion erfüllt. Die Qualitätskontrolle ist also ein Grund. Dann gibt es noch die Steuerung von Abläufen. Avram stellte Ihnen eines der definitiven Beispiele vor, den Zellzyklus. Fast der gesamte Zellzyklus wird über verschiedene programmierte Regulatoren und ihren zeitabhängigen Abbau gesteuert. Und dies erlaubt der Zelle von einer Phase des Zellzyklus zu einer anderen weiterzugehen. Dies ist die wunderbare Arbeit von Lee Hartwell und Tim Hunt. Das Wort Zyklin trägt seinen Namen, weil es sich hierbei um einen Zyklus handelt. Und dann wurde der Mechanismus durch die weiteren Arbeiten von Avram oder Kirschner und von vielen anderen weiter aufgeschlüsselt, um zu zeigen, dass es das Ubiquitin-System ist, was ihn kontrolliert. Doch nicht nur dieser Mechanismus, sondern auch zahlreiche Onkogene und Transkriptionsfaktoren werden alle vom Ubiquitin-System abgebaut. Wir müssen also Abläufe kontrollieren. Und dann müssen wir offensichtlich, um den differenzierten und morphogenetischen Zustand von Geweben aufrechtzuerhalten, Proteine dauerhaft entfernen, und dieser Vorgang ist bei vielen Tumorerkrankungen gestört. Lassen Sie uns nun darüber nachdenken. Ich möchte Ihnen nicht nur Beispiele vorstellen. Ich habe Ihnen nur einige besonders eindrückliche Beispiele genannt. Ich möchte jedoch die Sache auch theoretisch fundieren. In einem PKW haben wir zwei Pedalen: das Gas- und das Bremspedal. Und in der Pharmaindustrie ist es immer wesentlich leichter gewesen, mit dem Fuß auf die Bremse zu steigen, Inhibitoren zu entwickeln. Man denkt heute an Krebs, Kinase-Inhibitoren und so weiter. Das heißt, Krankheiten zu behandeln, die mit zusätzlichen Funktionen in Zusammenhang stehen. Wenn wir den Prozessbeschleuniger haben, inhibieren wir den Prozess, indem wir den Antagonisten entwickeln. Wenn wir eine Funktion verlieren, wenn mit einem Enzym etwas schiefläuft, weil es genetisch mutiert ist, wenn eine Funktion verloren wurde, dann ist es wesentlich schwerer, sie zu ersetzen. Wir können sie ersetzen, Sie kennen die Hormontherapien. Wenn man Insulin verliert, behandelt man bei Diabetes mit Insulin, mit adrenalinausschüttenden Hormonen, wenn wir diese verlieren. Doch es ist wesentlich komplizierter – denken Sie an die Parkinson’sche Krankheit und andere Krankheiten –, eine Funktion zu ersetzen, wenn wir sie verloren haben. Die linke Seite war immer leichter, und ich glaube, dass das Ubiquitin-System keine Ausnahme bildet, obwohl wir das Ubiquitin-System, weil es so kompliziert ist, so manipulieren können, dass wir es selbst durch die Entwicklung von Hemmstoffen beschleunigen können. Ich werde Ihnen später zeigen, wie das funktioniert. Dies ist also eines der Geheimnisse der Pharmaindustrie oder ihr Markenzeichen: die relative Einfachheit – nichts ist einfach, vergessen Sie, dass ich dieses Wort verwendet habe –, mit der sich Medikamente für Krankheiten entwickeln lassen, bei denen man es mit gewonnenen Funktionen zu tun hat, d. h. Hemmstoffe zu entwickeln bzw. die Bremse zu drücken, wenn man dies an den vergleichsweise großen Schwierigkeiten misst, die sich ergeben, wenn man Medikamente für Krankheiten zu entwickeln versucht, bei denen ein Funktionsverlust auszugleichen ist. Dies sind Beschleuniger, und ich habe Ihnen ein Beispiel für genetische Erkrankungen genannt, oder sie entsprechen dem Gaspedal eines Autos. Das Ubiquitin-System wurde nicht nur in den letzten 10 Jahren für eine große Anzahl kleiner und neugegründeter Pharmaunternehmen, von denen viele in der Entwicklung tätig sind, umgewandelt. Avram erwähnte ein Medikament. Ich werde Ihnen einige andere vorstellen und Ihnen mehr über das Medikament erzählen, das Avram erwähnt hat. Doch dies ist nur eine Besprechung von mehreren, die sich bei persönlichen Besprechungen neuentdeckter Medikamente ergeben. Wenn Sie daran denken, an welcher Stelle man mit Medikamenten in das Ubiquitin-System eingreift, können Sie sich die verschiedenen Hierarchien vorstellen. Avram hat die endliche oder fast unendliche Anzahl von Komponenten des Ubiquitin-Systems nicht erwähnt, doch die Zahl seiner Komponenten beträgt etwa 1500. Das Ubiquitin-System umfasst also etwa 1500 Enzyme und Komponenten. Und wenn Sie sich das gesamte menschliche Genom vorstellen, so besteht es aus etwa 22.000 offenen Leserahmen, wenn man die Splicing-Produkte unberücksichtigt lässt. Das Ubiquitin-System besteht damit zusammen mit seinen Zubringersystemen aus etwa 6 oder 7 % des menschlichen Genoms. Sie können sich vorstellen, dass man es hier mit einer Unmenge von Enzymen zu tun hat, bei denen man mit Medikamenten angreifen kann. Auf der obersten Ebene gibt es ein einzelnes Enzym E1, das Ubiquitin aktiviert, auf der zweiten etwa 30 E2 und bis zu Hunderten von Ubiquitin-Ligasen. Und dann kommt das Proteasom und zusätzlich die modifizierenden Enzymen und so weiter. Man kann also das System in verschiedene Ebenen zerlegen und sich seinen Angriffspunkt aussuchen. Auch theoretisch handelt es sich hierbei nicht einfach um eine zufällige Auswahl, sondern man kann hierbei sehr systematisch vorgehen. Es gibt also ein einzelnes E1, mehrere E2, Hunderte von E3 und dann Tausende von Substraten, die ubiquitiniert und dann in das Proteasom geschleust werden, um dort abgebaut zu werden. Tatsächlich wurde das Ubiquitin-System in ein sehr großes Medikamentensystem verwandelt. Wir können die Poly-Ubiquitinierung mit Hilfe von UB-Statin anhalten. Avram hat Bortezomib und Velcade, die das Proteasom inhibieren, erwähnt. Ich werde später noch über Hemmstoffe von Recycling-Enzymen sprechen, denn wir sollten uns daran erinnern, dass Ubiquitin letztlich ein Katalysator ist. Wir markieren das Protein für den Abbau, das Protein wird abgebaut, doch wir gewinnen Ubiquitin zurück, um zum nächsten Zielstoff zu gehen und zum nächsten. Ubiquitin ist also in vieler Hinsicht ein kovalenter Katalysator. Die Enzyme, die Ubiquitin recyceln sind demnach mögliche Angriffspunkte. Und dann gibt es noch die gesamte Familie der Ubiquitin-ähnlichen Proteine, die man in letzter Zeit entdeckt hat. Außerdem hat Ubiquitin selbst auch zahlreiche nicht-proteolytische Funktionen. Sie heißen Ubiquitin-ähnliche Proteine, weil sie dem Ubiquitin strukturell sehr ähnlich sind. Auch der Mechanismus von Aktivierung und Konjugation ist sehr ähnlich. Eines ist beispielsweise SUMO, das andere ist NED-8. Sie verbinden sich mit dem Protein über einen sehr ähnlichen Mechanismus, der dem von Ubiquitin sehr ähnlich, aber nicht damit identisch ist. Sie verfügen über ihren eigenen Bindungsmechanismus. Wie wir also in den letzten Jahren gesehen haben, hat sich das Ubiquitin-System dramatisch erweitert, und Ubiquitin, das in meinen Augen und in den Augen vieler anderer ein proteolytisches Signal war, verwandelte sich zu nichts anderem als einer weiteren Form Eine ihrer Funktionen besteht offensichtlich darin, sich zur späteren Erkennung durch eine Protease, das 26S-Proteasom, gezielt an Proteine zu heften. Sie sehen also, dass aus dem Ubiquitin-System ein sehr vielversprechendes System der Medikamentenentwicklung geworden ist. Beginnen wir mit Krebs. Lassen Sie mich noch einmal in sehr vereinfachter Form zusammenfassen, worauf Avram bereits hingewiesen hat: Wenn ein Tumorsuppressor wie P53 übermäßig abgebaut wird oder wenn ein onkogenes Protein, ein wachstumsfördernder Faktor am Abbau gehindert wird, haben wir es mit einem Krebs zu tun. Und wir können uns P53 auf der rechten Seite der Gleichung vorstellen. Nehmen wir das Cervixkarzinom des Menschen. Sie haben von Harald zur Hausen davon gehört. Er ist sozusagen der Vater dieses Forschungsfeldes. Der Papillomavirus des Menschen kodiert ein Onkogen namens E6. E6 heterodimerisiert zu P53 - dies ist ein zielgerichteter Prozess, der vom Virus evolviert wurde. Dieser Heterodimer wird vom Ubiquitin-System irgendwie als fremdes Protein erkannt, und das Ubiquitin-System drängt die Tumorsuppressoren zum „Abfluss“: zum Proteasom. Das Virus tut dies absichtlich, weil es sich bei P53 um ein Qualitätskontrollprotein handelt. Wenn es vorhanden ist, verhindert es, dass sich das Virus in die DNA der Zelle integriert und seine zahlreichen Funktionen ausführt. Das Virus war also sehr clever. Es überlistete das Ubiquitin-System, indem es ein frühexprimiertes Gen entwickelte, das sich zunächst auf den Tumorsuppressor richtet, um diesen abzubauen. Auf diese Weise kann das Virus seine Entfaltung fortsetzen und in der Zelle exprimiert werden. Hier zerstören wir also ein Tumorsuppressorprotein, dessen Funktion in der Qualitätskontrolle besteht, in der Überprüfung der Integrität des Genoms, und nachher ist das Virus frei. Am Ende des Prozesses sehen wir eine maligne Transformation. Auf der anderen Seite können wir uns den EGF-Rezeptor ansehen, der von Zeit zu Zeit begünstigt wird, oder zum Beispiel Beta-Catenin, das von Zeit zu Zeit nicht abgebaut wird. Und es sendet ständig Signale an die Zelle, und die Zelle denkt immerzu, dass sie ständig zur Teilung und zur Expression der Zellteilungsproteine angeregt wird. Sie läuft ständig in einer unkontrollierten Weise weiter, weil der Regulator, entweder Beta-Catenin oder der EGF-Rezeptor sich nicht mehr unter der Abbaukontrolle des Ubiquitin-Systems befindet. Sie sehen also, dass Abweichungen an einer beliebigen Stelle des Ubiquitin-Systems zu Fehlentwicklungen führen, und eines der ersten Medikamente, die erstaunlicherweise entwickelt wurden - wie Avram erwähnte -, war ein Proteasom-Inhibitor. Dies ist ein Inhibitor einer bestimmten Stelle, des aktiven Zentrums des Proteasoms. Das Proteasom besteht, wie Sie später von Robert Huber erfahren werden, aus zwei Untereinheiten. Dies ist der proteolytische Arm des Systems, der ubiquitinierte Proteine abbaut. Und dies sind die aktiven Zentren in der Mitte. Sie befinden sich hier in der katalytischen Kammer, im katalytischen Teil. Und hier können Sie sie sehen: Dies sind Threoninreste, und sie werden speziell von Velcade inhibiert. Das war Ihnen von Avram gezeigt worden. Es handelt sich hierbei um ein Tripeptid, ein Borsäurederivat, und es greift auf elektrophonische Weise speziell den Threoninrest an, um ihn zu inhibieren. Hier sehen Sie einen Patienten. Dies ist ein Patient mit einem multiplen Myelom. Bei einem multiplen Myelom – für diejenigen unter Ihnen, die keine Mediziner sind – handelt es sich um eine monoklonale Erweiterung einer B-Zelle, einer sekretorischen B-Zelle vom Immun-IG-Typ im Knochenmark. Es füllt den gesamten Raum des Knochenmarks aus. Es unterdrückt die Vorläufer aller anderen Zellen, und der Patient leidet schwer unter dieser Raumforderung. Wenn wir uns die Sache vorstellen, sind Tumore raumfordernde Läsionen. Und in diesem Fall ist es die Unterdrückung der anderen Elemente, so dass der Patient an einem Mangel an roten Blutkörperchen leidet, an Atembeschwerden, an einem Mangel an weißen Blutkörperchen, an Infektionen, Blutungen aufgrund fehlender Thrombozyten und dann an krankheitsverursachten Frakturen, da der Tumor gegen die Wirbelknochen und die Röhrenknochen drückt. Und wie Avram erwähnte, nahm diese Erkrankung einen tödlichen Verlauf, bis vor mehreren Jahren 2 Medikamente auf den Markt kamen. Eines von ihnen ist Velcade, das andere ist ein Derivat von Thalidomid. Ich werde nicht darauf eingehen. Hier sehen Sie einen Patienten. Sie sehen den durch den Tumor hervorgerufenen enorm steigenden Immunoglobulinspiegel. Und Sie sehen, dass wir in diesem Fall einen hervorragenden Biomarker haben. Die Behandlung, Chemotherapie, beginnt hier. Sie sehen einen teilweisen Rückgang und dann einen erneuten Rückfall. Dann begann die Behandlung mit Velcade, und Sie sehen eine Unterdrückung des Biomarkers. Nicht alle Patienten sprechen auf die Behandlung an. Wir wissen noch nicht ... Forscher erstellen Patientenprofile, um eine personenspezifische Medizin zu ermöglichen, um die Behandlung auf den Patienten zuzuschneiden, weil nicht alle Patienten auf die Behandlung ansprechen. Wir möchten erkennen, warum einige von ihnen auf die Behandlung reagieren und andere nicht. Hier sehen Sie das Knochenmark der Patienten, und Sie sehen hier das bösartige, gleichförmige Knochenmark, das von diesen B-Zellen durchsetzt ist. Und nach der Behandlung können Sie sehen, dass das Knochenmark verjüngt und wieder mit den normalen Vorläufern von Zellen gefüllt ist. Hier sehen Sie eine verwandte Krankheit. Dies ist ein CAT-Scan des Brustkorbes. Es ist ein Non-Hodgkin-Lymphom - das ist eine Art Schwestererkrankung. Und Sie sehen hier einen Querschnitt durch den Brustkorb, für diejenigen von Ihnen, die anatomisch nicht bewandert sind. Der CAT-Scan ist eine wunderbare Technologie, für die ebenfalls ein Nobelpreis vergeben wurde. Und was Sie hier sehen, ist ein Schnitt durch den Brustkorb, den wir sozusagen drehen, um hineinzusehen, doch wir tun dies im übertragenen Sinne. Hier sehen Sie das Brustbein, den vorderen Knochen des Brustkorbes. Sie können die Wirbel mit dem Wirbelkanal sehr gut erkennen, Sie sehen das Schulterblatt, den Knochen in der Schulter, die Schultermassen, die Rippen, und hier sehen Sie einen Tumor, der im Hilum sitzt, am Eingang zur rechten Lunge. Das Schwarze ist offensichtlich die Luft in der Lunge. Hier sehen Sie die großen Gefäße des Herzens und hier den zurückgegangenen Tumor. Sie sehen eine erfolgreiche Behandlung. Gehen wir zu einer anderen Ebene. Vergessen Sie, den Proteasom-Inhibitor, gehen wir weiter. Chaperone - Chaperone sind Qualitätskontrollproteine, deren Funktion darin besteht, Proteine wieder zu falten und sie in das Proteinpool zurückzubringen. Bevor man also ein Protein abbaut, gibt man ihm eine Chance, neu gefaltet zu werden. Doch von Zeit zu Zeit werden Chaperone – in der Sprache von Susan Lindquist, einer hervorragenden Chaperon-Forscherin, Sie sehen es hier auf der linken Seite – zu evolutionären Mutationskapazitäten. Sie halten das mutierte Protein fest und lassen es nicht los. Sie falten es nicht neu, aber geben es nicht an das Ubiquitin-System weiter. Hier ist das Protein also vor dem Abbau geschützt und führt weiterhin seine mutierte, abweichende Funktion aus. Die Idee wird also sein, diesen Gordischen Knoten zwischen dem Chaperon und den mutierten Proteinen zu lösen. Verschiedene Dissoziierer wurden entwickelt; einer von ihnen ist Geldanamycin. Er stellte sich als giftig heraus, doch hier sehen Sie eine fluoreszente Einfärbung einer Brustgewebszelle, Zellen einer Zellkultur mit dem mutierten EGF-Rezeptor. Und nach der Behandlung mit dem Dissoziierer können Sie sehen, dass die Fluoreszenz beseitigt ist. Das Protein wurde freigegeben und wurde nach der Ubiquitinierung an das Lysosom weitergegeben. Und hier sehen Sie die Biologie, ich meine, sie ist wunderschön, die Chemie. Dies ist ein anderer Dissoziierer. Sie können sehen, dass das Protein, das ErbB-2, bei dem es sich um ein Derivat des EGF-Rezeptors handelt, nach der Hinzufügung des Dissoziierers ubiquitiniert wird. Das Protein selbst verschwindet, doch diese Wachstumsförderungsfaktoren sind größtenteils selbststimulierende Kinasen. Eines Tages bindet sich ein Ligand an sie, sie dienen sich dann selbst als Kinase, und dann werden sie für ihre Aktivität im weiteren Ablauf aktiviert. Sie sehen, dass die Kinase-Aktivität, dass das Phosphotyrosine – dies ist ein spezifischer Antikörper zu Phosphotyrosine – auf dem Rezeptor selbst vollständig verschwunden ist. Wir können uns den Patienten mit den multiplen Plattenepithelkarzinomen im Gesicht anschauen. Sie können sehen, dass dieser große Tumor nach 47 Tagen jetzt ulzeriert ist. Er befindet sich also auf dem Weg der Heilung und das Gesicht sieht bereits besser aus. Und nach weiteren fast 40 Tagen, sieht das Gesicht sehr viel besser aus. Wir nehmen also einen Mechanismus und machen ein Medikament daraus. Doch bei der nächsten Medikamentengeneration wird es sich um Inhibitoren der Ubiquitin-Ligasen handeln, denn es gibt Unmengen davon. Doch es erwies sich als eine nur schwer zu lösende Aufgabe. Warum? Weil die Ligasen mit einer proteolytischen Substanz des Ubiquitin-Systems bei einer nur geringen Affinität an großen Oberflächen interagieren. Und es erwies sich als sehr schwer, daran etwas zu ändern. Daher hinkt dieser Forschungsbereich bei der Entwicklung von Inhibitoren für Ligasen etwas hinterher. Doch einige Leute machen Versuche in diese Richtung und ich werde Ihnen einen Versuch vorstellen. Und dies ist wieder P53. Ich komme auf diesen entscheidend wichtigen Tumorsuppressor, diesen Checkpoint, dieses Qualitätskontrollprotein, zurück. Dieses Protein steigt bei jeder Art von Stress sprunghaft an. Sie berühren die Zelle, berühren sie nur, es kommt zur Verkürzung von Telomeren, die Zahl der Ribonukleotide geht zurück, die während der Mitose aufgebaute Spindel oder die DNA wird beschädigt - bei jeder Verletzung steigt das P53 sprunghaft an. Und wenn die P53-Konzentration steigt, hält sie sofort die Zellteilung an. Die Idee ist hierbei, dass eine geschädigte Zelle nicht weitermachen kann. Sie soll daran gehindert werden, sich zu teilen. Dann wird versucht, den Schaden zu reparieren. P53 sind eine ganze Reihe von Reparaturenzymen und -genen nachgeschaltet, die aktiviert werden, ob der Schaden in der DNA oder anderer schadenorientierter Richtungen liegt. Und wenn der Schaden nach einem Versuch, der nach einem Zeitplan erfolgt, nicht repariert werden konnte, leitet P53 den Zelltod ein. Es tötet die Zelle und nimmt sie aus dem Zellrepertoire. P53 ist also ein Protein von kritischer Bedeutung, und nur um Ihnen zu zeigen, wie kritisch es ist: Man konnte beweisen, dass Mutationen von P53 bei der Entstehung von 50 % aller bekannten Tumore eine Rolle spielen. Es ist ein Protein von kritischer Bedeutung. Und bei weiteren 50 % der restlichen 50 %, wir reden nun also von 75 %, ist die Konzentration von P53 reduziert. Es ist eine wilde Form, sie ist nicht mutiert, sie ist funktionsfähig, aber dennoch herunterreguliert. Wie ist es herunterreguliert? Durch seine eigene Ubiquitin-Ligase. Hier spielt das Ubiquitin-System also eine phatogenetische Rolle. Es nimmt einen Tumorsuppressor und reguliert ihn herunter, um es dem Krebs zu erlauben weiterzuwachsen. Wie reguliert es ihn herunter? Indem es seine Ubiquitin-Ligase hochreguliert. Normalerweise befindet die Ubiquitin-Ligase von P53, die bei der Maus den Namen MDM2 trägt, beim Menschen als HDM2 bezeichnet wird, zusammen mit P53 in einem Servoschleifen-Regulationsmechanismus. P53 ist demnach ein Transkriptionsfaktor, es reguliert seinen eigene „Scharfrichter“ nach oben. Er ubiquitiniert P53 und baut es dann ab. P53 ist herunterreguliert. Wenn P53 herunterreguliert ist, kann es die Ligase nicht länger transkribieren. Dann ist die Ligase herunterreguliert, aber P53 ist hochreguliert. Und nun geht die Geschichte so weiter und immer weiter. Sie schwanken also zyklisch in einer sinusförmigen Phasendifferenz voneinander, und dies hat man wunderschön gezeigt. In den 25 % der Tumore, bei denen P53 vom wilden Typ ist, steigt die Konzentration von HDM2 auf unkontrollierte Weise; es hört nicht mehr auf die regulierende Stimme von P53, es gerät außer Kontrolle. Seine Konzentration ist ständig erhöht, und es senkt P53 ständig, reguliert es herunter. Hier hat man also einen Mechanismus, was soll man tun? Wir müssen einen Inhibitor für MDM2 entwickeln. Wenn wir einen kleinen, molekularen Inhibitor für HDM2 verwenden, wird HDM2 vorhanden sein. Seine Konzentration wird hoch sein, doch es wird P53 nicht mehr erkennen können, und P53 wird wieder ansteigen. Schauen wir uns an, wie das funktioniert - es funktioniert. Es gibt einen Inhibitor namens Nutlin, der in Nutlin in New Jersey von Roche entwickelt wurde. Es ist noch immer ein experimenteller Inhibitor, und der Inhibitor basiert erneut auf dem Verständnis der dreidimensionalen Struktur der Ligase. Es ist ein kleines Molekül, das genau da sitzt, wo P53 sitzt. Es konkurriert also mit P53, verdrängt es vom aktiven Zentrum der Ligase. Schauen wir uns das Ergebnis des Experiments an. Hier ist es. Wir fügen den Inhibitor hinzu, die Konzentration von P53 steigt an – fantastisch. Hier ist also der Inhibitor. MDM2 steigt ebenfalls an, also steigt der „Scharfrichter“ an, doch das kümmert uns nicht, denn er ist tot, denn in dem Medium gibt es einen Inhibitor. Hier ist er. Wir erhalten also folgende Situation: P53 ist aktiv, es transkribiert seinen Scharfrichter, doch der ist tot, weil es einen Inhibitor gibt, der ständig vorhanden ist. Und woher wissen wir, dass P53 eine gute Form hat? Weil P53 nun P21 induziert und P21 ein Zellzyklusinhibitor ist. Und woher wissen wir, dass wir den Zellzyklus inhibieren? Wir schauen uns die Faktenanalyse an. In der Faktenanalyse im Kontrollexperiment synthetisieren fast 50 % der Zellen die DNA. Sie befinden sich in einem Zyklus. Während später, nachdem wir den Inhibitor hinzugefügt haben, nur noch 5 % vorhanden sind. Wir drängen die Zelle also aus dem Zellzyklus. Und hier ist das Ergebnis bei Mäusen, bei SCID-Mäusen. Wie Sie sehen, injizieren wir Tumorzellen in den Rücken von SCID-Mäusen und der Tumor wächst. Was Sie auf der Ordinate sehen, ist das Tumorvolumen, und Sie sehen, dass es zunimmt. Nachdem wir Nutlin injiziert haben, sehen Sie, dass der Tumor sein Wachstum eingestellt hat. Die Wirkung von Nutlin ist identisch mit derjenigen von Doxorubicin, bei dem es sich um einen hochgiftigen, zytostatischen Wirkstoff handelt, der mit der DNA Chelate bildet. Mit einem spezifischen Inhibitor der Ubiquitin-Ligase können wir also genau dasselbe Ergebnis erzielen, das wir mit einem hochgiftigen chemotherapeutischen Wirkstoff mit breiterem Wirkungsspektrum erzielen. Dies ist ein gutes Zeichen für die Zukunft. Da die Zeit für meinen Vortrag fast zuende ist, möchte ich zu den letzten Dias weitergehen und Ihnen zeigen, wie sich das Forschungsfeld tatsächlich entwickelt hat. Die ist ein Aufsatz, den ich in der letzten Ausgabe der Fachzeitschrift Cell gefunden habe. Für diejenigen unter Ihnen, die in der Biologie arbeiten, ist Cell eine sehr berühmte Fachzeitschrift. Sie erschien am letzten Freitag. Dies zeigt Ihnen einfach, wie schnell sich dieses Feld weiterentwickelt. In diesem Fall richtet sich die Forschung auf E2. Dies ist das E2, das im Zellzyklus eine Rolle spielt. Es ist ein völlig allosterischer, neuer Inhibitor, der soeben erst gefunden wurde, nur um Ihnen zu zeigen, wie dynamisch dieses Forschungsgebiet ist. Und dann gibt es Inhibitoren von Ubiquitin-ähnlichen Proteinen, über die ich Ihnen nichts sagen will, sondern ich möchte zu den letzten beiden Dias gehen und Ihnen zeigen, wie wir das Ubiquitin-System so manipulieren können, dass wir sogar auf Krankheiten eingehen können, die auf einem Funktionsverlust beruhen, und dies ist sehr interessant. Gehen wir zum Thema der Neurodegeneration. Bei der Neurodegeneration haben wir es, wie ich Ihnen sagte, mit einer Ansammlung von Proteinen zu tun, und dies geht mit einem Funktionsverlust einher, und wir stehen hilflos daneben. Die Geschichte ist also folgende: Wir haben hier das Proteasom, und das Proteasom baut Ubiquitin zu Proteinen ab, und das Proteasom verfügt außerdem auch über Enzyme, die die Ubiquitin-Markierung rückgängig machen, um das Ubiquitin zu recyceln. Ein Protein gelangt also zum Proteasom, das Protein wird abgebaut, Ubiquitin wird recycelt. Wenn wir das Proteasom und die Enzyme ein wenig manipulieren, die die Markierung mit Ubiquitin rückgängig machen, teilweise inhibieren, werden wir den Abbau dadurch etwas effizienter machen. Wir können also die beiden Prozesse manipulieren, weil das Proteasom ein Enzym mit einer Doppelfunktion ist. In der medizinischen Fakultät der Universität Harvard wurde also von Dan Finley ein Inhibitor entwickelt. Dies ist ein Aufsatz aus Nature, der vor einigen Wochen erschien, und ich möchte Ihnen noch ein letztes Diagramm zeigen. Es ist dieses Diagramm, Diagramm C. Sie erkennen hier sofort: Wenn wir den Inhibitor inhibieren, sinkt die Konzentration eines experimentellen Proteins namens Q80 oder Q22. Was ist nun Q80 oder Q22? Ich erwähnte eine degenerative Erkrankung, die Huntington-Krankheit. In dieser Krankheitsgruppe, zu der nicht nur die Huntington-Krankheit gehört, sondern auch die spinocerebelläre Ataxie und das Kennedy-Syndrom sowie viele andere Krankheiten, findet man eine genomische Instabilität, und ein Protein erweitert seine N-Terminals, indem es sich in Kooperation mit Glutamin wiederholt, so dass es zu einer CAG-Wiederholung kommt, bei der es sich um das Kodierungstriplet für Glutamin handelt. Normalerweise haben wir nur sehr wenige von ihnen, und plötzlich erhalten wir eine Erweiterung bestimmter Proteine. Und wir erhalten ein Protein, das ein normales Protein ist, doch an den N-Terminals geht ihnen ein langes Stück aus PolyQs voran und diese PolyQs bilden ein Aggregat und fallen aus dem Zytoplasma aus. Sie führen im Ergebnis zu diesen Ansammlungen, die die Krankheit verursachen, sei es die Huntington-Krankheit, spinocerebelläre Ataxie usw. Und hier haben wir ein Modell, in dem wir eine Aktivität des Proteasoms, das Enzym, das die Ubiquitin-Markierung rückgängig macht, manipulieren. Wir treiben das Proteasom an, ein wenig effizienter zu sein, und wir können so ein angesammeltes Protein loswerden. Hier beginnen wir also den Übergang von Krankheiten, die auf einem Funktionsverlust beruhen, zu Krankheiten, bei denen eine Funktion hinzukommt, indem wir Aktivität manipulieren, weil wir über eine reiche Vielzahl des Ubiquitin-Systems verfügen. Ich denke, ich hoffe, dass ich Ihnen einen kleinen Einblick in dasjenige verschaffen konnte, was in den späten 1970er Jahren begann, als ich Doktorand von Avram wurde, einfach neugierig auf eine kleine, noch offene Nische in der Biologie, was schließlich zu Medikamenten führte, ja zu noch mehr: zu einer großen Zukunft für Medikamente. Haben Sie vielen Dank.


Between the 50s and 80s, most studies in biomedicine focused on the central dogma - the translation of the information coded by DNA to RNA and proteins. Protein degradation was a neglected area, considered to be a non-specific, dead-end process. While it was known that proteins do turn over, the high specificity of the process - where distinct proteins are degraded only at certain time points, or when they are not needed any more, or following denaturation/misfolding when their normal and active counterparts are spared - was not appreciated. The discovery of the lysosome by Christian de Duve did not significantly change this view, as it was clear that this organelle is involved mostly in the degradation of extracellular proteins, and their proteases cannot be substrate-specific. The discovery of the complex cascade of the ubiquitin solved the enigma. It is clear now that degradation of cellular proteins is a highly complex, temporally controlled, and tightly regulated process that plays major roles in a variety of basic cellular processes such as cell cycle and differentiation, communication of the cell with the extracellular environment and maintenance of the cellular quality control. With the multitude of substrates targeted and the myriad processes involved, it is not surprising that aberrations in the pathway have been implicated in the pathogenesis of many diseases, certain malignancies and neurodegeneration among them, and that the system has become a major platform for drug targeting.