Aaron Ciechanover

The Revolution of Personalized Medicine: Are We Going to Cure All Diseases and at What Price?

Category: Lectures

Date: 1 July 2014

Duration: 32 min

Quality: HD MD SD

Subtitles: EN DE

Aaron Ciechanover (2014) - The Revolution of Personalized Medicine: Are We Going to Cure All Diseases and at What Price?

Many important drugs such as penicillin, aspirin, or digitalis, were discovered by serendipity - some by curious researchers who accidentally noted a "strange" phenomenon, and some by isolation of active ingredients form plants known for centuries to have a specific therapeutic effect

Well, good early afternoon everybody. What I’ll tell you today is a marathon that we’ve been running for the last almost 35 years: The discovery and then the deeper exploration of the ubiquitin system. And you heard a lot here on the central dogma of biology, how the information that is embedded in DNA is then transcribed to RNA and then translated into proteins. And there was very little interest along the years in how proteins are degraded. People knew that proteins are degraded but learning from primitive systems like the stomach where every protein that is going into the stomach is digested by proteins through amino acids. People thought, well this may be also the case for our own body’s proteins. And the idea was to discover the organ or the system that carries out this function. But there was not really much interest, especially not between the 60s and the 80s where much of the attention and focus was on the other side of the equation. At that time I became a graduate student of Avram Hershko, a wonderful biochemist who became interested in this problem. And because of some subtle points that attracted his attention, and then mine, to what appeared to be a boring system but nevertheless evolved along the years into a very interesting platform. So we are here in the very east side of the Mediterranean, in the beautiful city called Haifa that sits on the mountain, on the Carmel mountain, and the Medical School is sitting right on the sea. So if we look today 30 years later or 40 years later into what I call the destruction map of the cell, it looks much more cumbersome than people ever imagined. And I don’t have the time to go into all the details but there are 3 major systems that are all involved in destruction. First is the apoptosis system that is involved in destruction of cells and we know how important it is, both for development and also in removing damaged, irreversibly damaged cells which protect us from numerous diseases including malignant transformation. Then we have the lysosome-vacuolar system that is involved not only in the degradation of extracellular proteins, as was originally described by the late Christian de Duve, but also of intracellular protein - under stress mostly. And a new field is now evolving in front of our eyes which is the field of autophagy and there are different classes of autophagy and I will not go into it. And this system, the autophagic vacuolar system, especially as related to intracellular protein degradation, is involved mostly in bulk degradation of proteins, not in highly specific. And then on the side sits here the ubiquitin system that is involved in timed and programmed degradation of very unique and very specific proteins on which I'm going to allude. All these systems talk extensively to one another. Ambassadors or representatives or components of the ubiquitin system are sitting in the other systems, as ubiquitin ligands, as some proteins, as another... and kinases and so on and so forth. So there is a heavy talk/conversation/dialogue between the 3 systems that are well, well coordinated. So as you can see today even the destruction that appeared 30 or 40 years ago to be kind of boring and taken for granted now looks much more cumbersome. So let's go to proteolysis. The chemistry is very simple and it doesn’t matter where it occurs. It's always in production of a molecule of water into a peptide bond in order to split it into 2. And at the very end, once you split all the peptide bonds, we get back the amino acid that make the protein and it doesn’t matter where it occurs. It can occur extracorporeal in the gastrointestinal tract - it's outside the body, it’s a tube that crosses the body. It can occur inside the body but outside of cells. Like the blood coagulation system is a bona fide cascade of proteins, it's an act one after the other and at the very end we are generating fibrin from fibrinogen. And then it occurs inside the cells. So you see they are kind of a ladder we are climbing, and as we climb the ladder specificity also is being attained. So the commonality, the common base of all these systems, is this simple chemistry. But they are very much different in the level of control. But nevertheless, if we think about proteolysis - by definition proteolysis is destructive. So always, always we need to protect ourselves from the destructive activity of proteolysis. And it doesn’t matter where it occurs. If it's in the gastrointestinal tract, we don’t want the proteins that are secreted by the pancreas for example to digest the gastrointestinal tract. So we have to protect it. And we do it by secretion of a mucinous lining that protects the wall, the epithelium of the gastrointestinal tract, from the digestive activity of the secreted enzymes. And you just heard from Barry Marshall yesterday about what happens if there is an aberration in the process. If there is a destruction in the continuity of the mucinous secretion, we are ending up with ulcers; and you heard all the story of helicobacter pylori. In the blood, for example let's take coagulation. How we protect ourselves from untoward coagulation - by localisation. So only when I'm wounded I'm secreting tissue factors. And these tissue factors recruit blood coagulation factors in order to make sure that the coagulation will occur only in the wound in order to prevent haemorrhage. And not for example in other places that we don’t want it to occur, like the coronary arteries where untoward coagulation does lead to one of the most common diseases in the western world, which is myocardial infarction. And in the cell - we shall see what happens in the cell, how the cell protects itself from the very activity, or the digestive activity of the proteins. Now the question comes, why at all do we need to degrade proteins? Why not to synthesise them and to grow up and to attain our final weight at the age of 16 or 18 and live with all the reparative protein forever? Why at all do we need to exchange them? So we need to exchange them because of quality control, because proteins as you all know are very sensitive structures. They are getting misfolded in nature, mutated, affected by post-translational changes like oxidation and so on and so forth. So there is a constant need to remove damaged, harmful, inactivated proteins that are useless and to replace them with new ones. We need to control processes: so at that time, at that event we are removing healthy functional proteins that are not needed anymore. Talk to Tim Hunt about cyclin - actually I think that Tim was one of the predictors of the profits of the ubiquitin system by seeing this protein that cycles during cell cycle, that comes up and goes away at the proper time; and it was just one single protein, while all other proteins were kept intact. And then in order to maintain the differentiation and morphogenetic genetic state of tissues we need to remove proteins permanently and in many cases - you heard yesterday the talk on teratocarcinomas, they are coming back. So teratocarcinoma is a fine example of a tumour, of a malignant tumour where numerous tissues are coming back like teeth, muscles, bones and so on. So there is a dedifferentiation process. So you see that there are many good reasons why we have to degrade proteins and we have to degrade them at quite a high rate. Just to give you the number: we are removing daily 6 to 8% of our proteins. Some of them are removed several times an hour; they are cycling very quickly in order to attain control, like transcription factor p53, MEK and others. And some of them are long-lived like haemoglobin that lives a 120 days until it is removed by the spleen. And in between you have ranges of different half-lifetimes, but all in all I would say that within 3 to 4 months we are basically removing almost our entire protein. Which is amazing, namely that the man that stands in front of you now on July 1st 2014 was not made of the same proteins just nearly 4 months ago. So it raises some nice philosophical questions: who am I anyway if I'm not the same? But it's going beyond this philosophical question. Because the question that really should be asked is not only on the system that carries it out, its control and biomedical implications, but also how is it that’s our software, which is our high functions of the brain, is maintained - nevertheless we are exchanging the hardware. And this is not a simple biological question. But we shall not go into it, we shall just leave it, because there are some thoughts about what's going on. So the founding father of the field we always give credit to the founding father. Not only because we want to give them credit or respect them but because we are always on a continuum. We never start anything and we never end anything. We are taking something that was there, purify it further, distil it and donate it then to the next generation. This is the way that science is going on. I think that this is the reason why these people are so important to us. Rudolf Schoenheimer, a Jewish scientist that lived here in Germany in Freiburg. He was fired upon the rise of the Nazi to power, went to Columbia University to the Department of Chemistry of Hans Clarke, where America at that time absorbed many of these Jews and even non-Jews. And what Rudolf Schoenheimer did, he was using labelled amino acids, heavy isotope labelled amino acids and fed them to rats; and he found that the amino acids are incorporated into proteins and then coming out. So he found that the proteins are dynamic, which was really kind of a shock because everybody thought that proteins are static. There were many Jews at that time - Albert Einstein among them, here in the Solvey meeting; once he left Germany he never came back. The term 'Hitler’s Gift' as you saw it on this book of Jean Medawar – actually the widow of Professor Medawar who was himself a Nobel laureate for his achievement in immunology. There were many reviews that were written on this Gift that Hitler gave to the west in the form of this established wonderful scientists. And among them Fritz Lipmann, the co-discoverer of I would say basic biochemistry; he got the Nobel Prize for the coenzyme A, but numerous fundamental discoveries in biochemistry. And then Rudolf Schoenheimer, Konrad Bloch, the father of the biosynthetic pathway of cholesterol, and many others. And what Rudolf Schoenheimer did - this is an obituary that I found in the New York Times, digging into the public library in New York - that his work helped establish that the living body is a chemical laboratory where varied and complex transformation of matter are taking place incessantly. So we are dynamic. We are exchanging ourselves all the time and it's true not only for proteins but for lipids, for small molecules and for other macromolecules, nucleic acids. We are all moving all the time. For proteins the field goes kind of dead, so he established the foundation, the very fact that we are dynamic, but there was nothing known about the mechanism. In the early ‘50s Mel Simpson at Yale found that protein degradation requires energy, which was a real surprise. Here you see protein degradation, and he ... doesn’t matter. The assay ones he trapped the oxygen from the incubator replaced it with nitrogen: no ATP, no respiration, protein degradation stopped all together. So he surmised that protein degradation requires energy but this didn’t make thermodynamic sense. Because we are using proteins as a source of energy, so why do we invest energy in order to degrade high-energy macromolecule into low energy like amino acid? He guessed that it should be for control. Think about driving a car downhill, there are 2 ways to do it: either you turn off the switch and leave your leg off the brake; this is one way to drive but it will be a rather short ride. Or if you want to survive it you shift the car to a low gear and put your leg on the brake generating heat and control the speed. So you see that even if you don’t need to invest energy - well the analogy is not exact but it gives you an idea that nature always pays with energy in order to control processes. So this was the first milestone that picked up our attention. And then came Christian de Duve, a wonderful scientist, just died in February 2 1/2 years ago. And Christian discovered this organism, it is called the lysosome, he also shared the Nobel Prize for his discovery. And the lysosome has proteases inside, protected by a membrane - again the idea of protection. But then the question was how they bate, the proteins are getting into the teeth of the shark. And there were several mechanisms; we know about them and they evolved along the years. Some of them are receptor-mediated endocytosis of specific ligands like insulin, the PDGF molecule, the cholesterol molecule that is being carried on the LDL particle - wonderful work by Mike Brown and Joe Goldstein from Texas. Some are coming by pinocytosis, the cell is drinking the fluid around it, and many other mechanisms that bring extracellular proteins into the lysosome. How? By including them in vesicles so vesicles are leaving the cell surface and migrating into the cell and then they fuse with the lysosome and pour their contents into the lysosome. It’s a well worked out studied mechanism - I will not go into it. How about intracellular proteins? Christian wanted to believe that the lysosome is the mother of all proteolytic processes. And he said this is going by microautophagy. So the lysosome pinches droplets of cytosol and converts them into vacuoles, and these vacuoles then open up and pour their contents. So there was this theory where ATPs were there. We need to pump hydrogen ions into the lysosome; the pH in the lysosome is low by 2 units, which is a hundredfold concentration of hydrogen. Because the optimal activity... the proteins that are in the lysosome act only at low pH, they act optimal at low pH - why? Again, in order to protect the cell, because if the lysosome explodes nothing will happen to the cell, because the volume of the lysosome is very small and there will be neutralisation of the low pH and the proteases will be inactive. So think about evolution behind it. So for years the field went into dormancy. And because there was... people realised that proteins are degraded, they have a mechanism, energy is required; everything went into silence which in many ways acted in our favour. Because you are in a small country, limited resources, surrounded by big American sharks - so you want to be left alone. But then people realised that this may not be the... that the lysosome may not be the organ - and why? Because different proteins have different half-lifetimes. This is just compilation of data. And then Tim and Lee Hartwell and Paul Nurse came with the cyclin of the cell cycle and they said, yes, proteins can be stable all along the cell cycle and all of a sudden they are degraded. So you need specificity, the lysosomal mechanism couldn't explain specificity. Because it's just bulk pinching off of droplets, it's all the proteins that are in the site that are represented in this little droplet and are taken up and degraded. So regulation and specificity looked to be out of the lysosome ability to handle them. So people started to search. We were not the first; there were several people, there were not too many. One of them was Brian Poole, a wonderful scientist that worked along with Christian at the Rockefeller University, and Brian did a simple experiment: He inhibited the lysosome by using a base, ammonium chloride, which dissipates the intralysosomal pH. And he showed within very simple experiments that chloroquine inhibits mostly the degradation of extracellular protein; you can see here without chloroquine, and with chloroquine 68% degradation. And while it doesn’t have... little affect say on the degradation of intracellular proteins, so all of a sudden he said there must be 2 systems. One, the lysosome that is inhibitable, and involved mostly in the degradation of extracellular proteins. And then something else that is involved in intracellular proteins. He didn’t shy out by poetically defining it in a beautiful way, saying the following: while the endogenous proteins will be broken down wherever it is that endogenous proteins are broken down.” Somewhere, go and find it. And he did go to find it. Unfortunately he died of complications of metabolic disease I came to know him during my graduate studies. He was a very generous competitor I must admit, made all his tools and knowledge available to us. But that’s what happens. And along with Avram we launched our journey, we started with a reticulocyte which is a terminally differentiating red blood cell. It's another lack because for years people didn’t believe us; and if they did believe us they said this is not biology - this is the corner of biology, it’s a terminally differentiating cell. So that again gave us some time to dig into the system. The reason we decided to go to the reticulocyte is because the reticulocyte doesn’t have lysosomes, it ejects them out during its maturation. And then it continues to degrade further its other machineries to live behind very primitive cells gluthathione in order to keep the reduced state of many other proteins – but very primitive cells. So this is a kind of a rapid differentiation. So nature provided us: there was no siRNA, we couldn't silence any proteins at that time. So we went and we published the first paper in ’78 in a very awkward journal. Yesterday Randy Schekman commented on the new culture, I will not go into it, but this is a journal that nowadays will take you nowhere. It took us to Stockholm. It was cited by the Committee which tells you very briefly that it doesn’t matter WHERE you publish it matters WHAT you publish. But let’s forget about this one. The paper was important in the sense that immediately it left us without a paradigm. So already at the very beginning we were left without a paradigm. And the reason was that indeed in the reticulocyte high speed supernatant we found ATP-dependent proteolytic activity and then like good biochemists we started to fractionate it and it was fractionated. And instead of the classical tango already in the first step we fractured it into two. So fraction one doesn't matter, it depends on the column that you use. Didn’t have any activity we just split it. Fraction 2 didn’t have any activity or little and we had to combine them. So this is a tango of 3 already: Now remember these 2 fractions contain each 10,000 proteins, because it's the cell lysate that was. So then we started to further fractionate because nobody told us that fraction 1 has only one component. And the same for fraction 2. When I left the lab to go to MIT to a postdoc I left behind about 14 different factors that are all needed in order to degrade one single protein, but most importantly we knew what they were doing. So this was the more difficult part. It was not the fractionation, but assigning each a role and put them in a row to know who is first. So we started to write the alphabet of the system. Because of a lack of time I’ll show you the alphabet of the system but in a summary and then I will jump quickly to medicine. So the system is now known to be composed of close to 2,000 proteins - it's almost 10% of the human genome. And I’ll just show you the principle components: Here you have a substrate, this is the victim to be degraded. Something typically has to happen to the victim, it has to be oxidised, phosphorylated, hydroxiprolinated The policeman is called ubiquitin ligase. It’s a huge family that’s made of sub-families so half of the family of the ubiquitin, the big ubiquitin family, is made of recognising the enzymes. This is a critical element of the system: It recognises the substrate to be degraded and it binds it. That’s what it does. Meanwhile a small molecule called ubiquitin is being activated by a single component in the database called E1 or ubiquitin activating enzyme to high energy. We jump it to high energy - I don’t have the time to show you all the biochemical details, but it's beautiful biochemistry. And from there it jumps to a second enzyme, it’s a transmitting, it’s a conveyor called E2. There are about 50 E2 in the database. And from there it goes to the substrate, to mark the substrate. So now we have a substrate with something happening to it and it's marked, but it's still intact. Only now, following the ubiquitination the first bind to the substrate, the second to the third, the third to the second, and so on and so forth. Then come the scissors. And the scissors will recognise only ubiquitinated proteins, they will not recognise naked proteins. There is one exception which is ornithine decarboxylase; I don’t want to talk about it, but this is basically the only well-established known exception. All the other proteins have to be ubiquitinated. And the protein recognises this ubiquitin, it doesn’t recognise the substrate; it brings the substrate, however, close to the protease. The substrate is opened up by the activity of ATPase; it’s a huge substrate, the structure of which was deciphered by Robert Huber and Wolfgang Baumeister and others in the Max Planck Institute in Martinsried near Munich, it’s a beautiful structure. And it's opened up by the activity of ATPases that are here in the upper and lower complex. It is composed of 2 sub-complexes, the 19th and the 20th, it's a huge, it’s a 2-Megadalton, 2 million-dalton protease. The active chamber is here, so the proteolytic activity occurs here in the 20th complex, in the alpha rings. You see there are 4 rings, 2 alpha rings at the periphery and 2 beta rings in the middle, and there the activity occurs. And there is a degradation of the substrate to peptides, not to amino acids, and these peptides are also part of the immune system serving as MHC class I molecule peptides The system got complicated along the years because each ubiquitin is bound to another, typically via one lysine which is lysine 48 but there are others, 7 lysines that can also bind ubiquitin. And gradually a whole language evolved around the system. And again I'm sorry that I don’t have the time and the language is complicated because the ubiquitin can be bound via a single lysine or there can be 1 ubiquitin that 2 ubiquitins will bind to it And then there are linear chains, that each ubiquitin is attached to the other: head to tail, head to tail. And there are monoubiquitinations and oligoubiquitinations. And then the whole family of proteins, of cousins of ubiquitin, which are called ubiquitin-like proteins, were discovered, SUMO, Rub, NEDD and so on; and the whole family increased dramatically. Not only in the number of the members of the family but also in the way they link to one another. And it turned out that what we discovered is a proteolytic machinery, but what we discovered more than that is a novel form of post-translational modification that serves numerous functions, like phosphorylation. But the beauty of the system is that we didn’t want to discover the ubiquitin system, we didn’t have any intention to discover, we asked the biological question. So we came from the very bottom and gradually we peeled it off like an onion. And then the informaticists came and other people came and added up on top of it. So I think this is a more elegant and beautiful way to approach biology asking a question rather than screaming; but obviously both approaches are legitimate and people can come to wonderful conclusions from both directions. But we came from the bottom, from the biology. The homology tool phosphorylation - Eddy Fisher is here really striking. You see the ligases, the 1,000 ligases that modify ubiquitin, the 600 kinases. Ubiquitin can be deubiquitinated, can be recycled. Phosphatases will take phosphate off. Phosphates generate a signal, an output signal to be recognised by downstream element And ubiquitin also, as I said in one case it’s a signal to the proteasome but depending on the structure of the chain it’s a signal for numerous downstream effectors. And, most importantly, the 2 systems talk to one another. So some proteins, as I showed you in the scheme, will be degraded only following phosphorylation. Let me jump very quickly in the last 2 minutes to medicine. With 2,000 components cannot be that aberrations in some of them will not lead to diseases. And I’ll show you one example but the principle is the following. Proteins are degraded, 2 things can happen: either one degraded excessively or one is not degraded; they either go below their steady state or accumulate above their steady state, and here you have a disease. So there are many diseases. Basically all the neurodegenerative diseases have the ubiquitin system involved, either as a primary culprit or as a secondary culprit. And if you look at brains of Alzheimer’s patients, this is early-onset Alzheimer's patients, you will see accumulation of constipated conjugates. So these conjugates are ubiquitinated but the proteasome is constipated, it cannot degrade. But you will see these ubiquitinated proteins in numerous diseases. But let’s go not to quality control but to control of processes; and cancer immediately comes up. Why cancer? Because either excessive degradation of the tumour suppressor like P53 that occurs in human cervical uterine carcinoma will lead to cancer, because we are removing from the cell the tumour suppressor protein. How does it occur? The virus enclosed in an early gene called E6 heterodyne rises to P53, the ubiquitin system looks at it, it finds something foreign and it trashes it. What was the purpose of the virus? Exactly that: to mislead the ubiquitin system to remove a tumour suppressor - but we shall not talk about the evolution of viruses. On the other side the very same. An oncogenic protein that will be under degraded or a growth promoting protein that will be under-degraded will also lead to malignant transformation. Think about the EGF receptor that is mutated in numerous breast cancers. It signals to the cells nonstop. It cannot bind the ligand anymore, because the engagement of the ligand will lead to its internalisation and degradation. And we have some solution for it: the antibody Herceptin, that will cluster it on the cell surface, but this is not an ultimate solution. So let's drug it now; we have disease, we can drug it and with that I'll end up. The first drug very successful drug, it's an inhibitor of the proteasome. People thought that this was unrealistic to inhibit the proteasome because the whole ubiquitin system will be clogged behind. Then why I'm coming and telling you all these stories here, how important or not important it is? But the partial inhibition of the proteasome does lead to a very beneficial effect in one disease which is called multiple myeloma. This is the inhibitor, Bortezomib, it’s a tripeptide and it's a boronic acid derivative. And here you have a patient with multiple myeloma - multiple myeloma is a malignant disease. It’s a B-cell leukaemia where there is a monoclonal expansion of a B-cell in the bone marrow. The patients are suffering from suppression of all other elements of the bone marrow: red blood cells, anaemia, white blood cells, infection, platelets, haemorrhages, fractures because the mass of the tumour cells is pressing. And here you can see a nice treatment: The disease gallops, the B-cells secrete immuno-globin, chemotherapy started, partial effect, relapse, ... (inaudible 31.11). And here you can see the bone marrow of the same patient. Heavily malignantly floated bone marrow with 41% cells of malignant cells. Following treatment less than 1%, then rejuvenation of the bone marrow with its normal progenitor. And the very last one, you can see an X-ray of another disease, which is a cousin disease, non-Hodgkin lymphoma. You can see the tumour sitting here at the gate of the right lung, and significant regression following treatment. You can see here the ribs, the sternum, the vertebra, the shoulder and so on. So you can see we had nothing to do with these drugs, no rights even, no royalties, nothing. But how basic curiosity in just unsolved problems leads at the very end not only to the discovery of an important system, but also to huge benefits to human kind. Thank you very much.

Ihnen allen einen frühen "Guten Abend". Wovon ich Ihnen heute erzählen werde, ist ein Marathon, den wir fast die letzten 35 Jahre lang gelaufen sind: die Entdeckung und dann die tiefergehende Erforschung des Ubiquitin-Systems. Sie haben hier eine Menge zu dem zentralen Dogma der Biologie gehört, wie die in DNA enthaltene Information in RNA transkribiert und dann in Proteine übersetzt wird. Und daneben bestand jahrelang nur ein sehr geringes Interesse daran, wie Proteine abgebaut werden. Man weiß, dass Proteine abgebaut werden. Aber man lernte von primitiven Systemen wie dem Magen, wo jedes Protein, das in den Magen gelangt, von Proteinen durch Aminosäuren verdaut wird, und man dachte, okay, das könnte auch bei den Proteinen unseres eigenen Körpers der Fall sein. Und hatte daher die Vorstellung, das Organell oder System zu entdecken, das diese Funktion ausführt. Aber es gab nicht wirklich viel Interesse daran, vor allem nicht zwischen den 1960er und den 1980er Jahren, in denen ein Großteil der Aufmerksamkeit sich auf die andere Seite der Gleichung konzentrierte. Zu jener Zeit wurde ich Doktorand von Avram Hershko, einem wunderbaren Biochemiker, der sich für diese Frage zu interessieren begann - und zwar aufgrund einiger weniger auffälliger Punkte, die seine Aufmerksamkeit, und anschließend meine, auf etwas lenkten, was ein langweiliges System zu sein schien, sich aber dennoch über die Jahre zu einer sehr interessanten Plattform entwickelte. Hier sind wir also auf der östlichsten Seite des Mittelmeers, in der wunderschönen Stadt namens Haifa, die auf dem Karmel-Berg liegt, und die Medizinische Fakultät liegt direkt am Meer. Wenn wir heute, 30 oder 40 Jahre später, einen Blick in das werfen, was ich die "Zerstörungskarte" der Zelle nenne, sieht es sehr viel komplizierter aus, als es sich die Leute je vorgestellt hatten. Ich habe nicht die Zeit, in all die Details zu gehen, aber es gibt drei Hauptsysteme, die alle an dem Abbau beteiligt sind. Das erste ist das Apoptose-System, das am Abbau von Zellen beteiligt ist, und wir wissen, wie wichtig es ist, sowohl für die Entwicklung aber es gibt noch viele andere Entwicklungsprozesse - als auch für die Beseitigung von geschädigten, irreparabel geschädigten Zellen, was uns vor zahlreichen Krankheiten beschützt, einschließlich bösartiger Veränderungen. Dann haben wir da das System von Lysosom und Vakuole, das nicht nur am Abbau extrazellulärer Proteine beteiligt ist, wie dies ursprünglich von dem verstorbenen Christian de Duve beschrieben wurde, sondern auch am Abbau intrazellulären Proteins - hauptsächlich unter Stress. Und vor unseren Augen entsteht zur Zeit ein vollkommen neues Fachgebiet, das Gebiet der Autophagie. Es gibt verschiedene Formen der Autophagie. Ich werde nicht darauf eingehen. Und dieses System, das autophagische vakuolare System, ist am Massenabbau von Proteinen beteiligt, nicht an ihrem hochspezifischen Abbau. An der Seite sitzt hier das Ubiquitin-System, das an dem zeitlich festgelegten und programmierten Abbau äußerst einzigartiger und sehr spezieller Proteine beteiligt ist, die ich ansprechen werde. Alle diese Systeme kommunizieren umfassend miteinander. Botschafter oder Repräsentanten oder Komponenten des Ubiquitin-Systems befinden sich in den anderen Systemen, als Ubiquitin-Liganden, als einige Proteine, als andere ... und Kinasen und so weiter und so fort. Es gibt hier also ein reges Gespräch/eine rege Konversation/einen regen Dialog zwischen den drei Systemen, die gut koordiniert sind. Wie Sie sehen können, sieht heute sogar der Abbau [von Proteinen], der vor 30 oder 40 Jahren irgendwie langweilig und selbstverständlich erschien, sehr viel komplizierter aus. Lassen Sie uns also zur Proteolyse kommen. Die Chemie ist sehr einfach und es spielt keine Rolle, wo sie sich ereignet. Sie findet immer bei der Produktion eines Wassermoleküls in eine Peptidbindung statt, um es in zwei aufzuteilen. Ganz am Ende, wenn wir alle Peptidbindungen aufgespaltet haben, bekommen wir wieder die Aminosäuren, die das Protein bilden, und es spielt keine Rolle, wo sich dies ereignet. Es kann außerhalb des Körpers im Gastro-Intestinal-Trakt stattfinden - dieser befindet sich außerhalb des Körpers, er ist ein Rohr, das den Körper durchzieht. Dies kann innerhalb des Körpers stattfinden, aber außerhalb der Zellen ein Ereignis nach dem anderen, und am Ende generieren wir Fibrin aus Fibrinogen. Und es kann auch innerhalb der Zellen stattfinden. Wie Sie sehen, handelt es sich um eine Art von Leiter, die wir hinaufklettern, und während wir die Leiter hinaufklettern, wird auch Spezifität erreicht. Die Gemeinsamkeit, die gemeinsame Basis all dieser Systeme, ist diese einfache Chemie. Aber hinsichtlich des Niveaus der Steuerung unterscheiden sie sich sehr. Dennoch, wenn wir über Proteolyse nachdenken - so ist Proteolyse per Definition zerstörerisch. Daher müssen wir uns immer, immer vor der zerstörerischen Aktivität der Proteolyse schützen. Und es spielt keine Rolle, wo sie sich ereignet. Wenn es sich um den Gastro-Intestinal-Trakt handelt, möchten wir nicht, dass die Proteine, die beispielsweise von der Bauchspeicheldrüse abgegeben werden, den Gastro-Intestinal-Trakt verdauen. Wir müssen ihn daher schützen. Und wir tun dies mittels der Absonderung eines muzinösen Belags, der die Wand, das Epithel des Gastro-Intestinal-Trakts, vor der Verdauungsaktivität der abgesonderten Enzyme schützt. Sie haben erst gestern von Barry Marshall gehört, was passiert, wenn es eine Abweichung in dem Prozess gibt. Wenn die Kontinuität der muzinösen Absonderung unterbrochen ist, sind am Ende Geschwüre die Folge, und Sie alle haben die Geschichte von Heliobacter pylori gehört. Lassen Sie uns beim Blut zum Beispiel die Blutgerinnung nehmen. Wie schützen wir uns vor ungewollter Blutgerinnung? - Durch Lokalisierung. Ich sondere nur dann, wenn ich eine Verletzung habe, Gewebefaktoren ab. Und diese Gewebefaktoren rekrutieren Gerinnungsfaktoren, um sicherzustellen, dass die Blutgerinnung nur in der Wunde stattfindet, um eine Blutung zu verhindern, und nicht beispielsweise an anderen Stellen, wo wir nicht möchten, dass sie stattfindet, wie in den Koronar-Arterien. Hier führt eine ungewollte Blutgerinnung zu einer der in der westlichen Welt am weitesten verbreiteten Krankheiten - zum Herzinfarkt. Und in der Zelle - wir werden sehen, was in der Zelle geschieht, wie die Zelle sich selbst vor genau dieser Verdauungsaktivität der Proteine schützt. Nun stellt sich die Frage: Warum müssen wir Proteine überhaupt abbauen? Warum synthetisieren wir sie nicht, wachsen und erreichen unser endgültiges Gewicht mit 16 oder 18 Jahren und leben für immer mit all den reparablen Proteinen? Warum müssen wir sie überhaupt austauschen? Wir müssen sie aus Gründen der Qualitätskontrolle austauschen, weil Proteine, wie Sie wissen, sehr empfindliche Strukturen sind. In der Natur kommt es vor, dass sie fehlerhaft gefaltet, mutiert oder von post-translationalen Veränderungen wie Oxidation etc. betroffen sind. Daher besteht ständig die Notwendigkeit, geschädigte, gefährliche, inaktivierte Proteine, die nutzlos sind, zu beseitigen und durch neue zu ersetzen. Wir müssen Prozesse steuern: hierbei, durch dieses Ereignis, beseitigen wir gesunde, funktionale Proteine, die nicht länger benötigt werden. Sprechen Sie mit Tim Hunt über Cyclin - tatsächlich glaube ich, dass Tim einer der Propheten des Nutzens des Ubiquitin-Systems war, indem er dieses Protein sah, das sich während des Zellzyklus im Kreis bewegt und zur richtigen Zeit erscheint und verschwindet. Und es handelte sich nur um ein einziges Protein, während alle anderen Proteine intakt blieben. Und dann müssen wir, um die Differenzierung und den morphogenetischen/genetischen Zustand von Geweben zu erhalten, in vielen Fällen Proteine dauerhaft beseitigen - gestern haben Sie den Vortrag zu Teratokarzinomen gehört, die kommen wieder. Das Teratokarzinom ist ein gutes Beispiel für einen Tumor, einen bösartigen Tumor, bei dem zahlreiche Gewebe zurückkommen, wie Zähne, Muskeln, Knochen usw. Es gibt dort also einen Prozess der Dedifferenzierung. Wie Sie sehen, gibt es also viele gute Gründe, warum wir Proteine abbauen müssen, und wir müssen sie mit einer ziemlich hohen Geschwindigkeit abbauen. Um ihnen einfach die Zahl zu nennen: Jeden Tag beseitigen wir 6 bis 8 % unserer Proteine. Manche werden mehrfach pro Stunde beseitigt; sie durchlaufen einen sehr schnellen Zyklus, um Kontrolle zu erreichen, wie etwa der Transkriptionsfaktor p53, MEK und andere. Einige wiederum sind langlebig, wie Hämoglobin, das 120 Tage lang besteht, bevor es von der Milz beseitigt wird. Dazwischen gibt es eine Bandbreite unterschiedlich langer "Halblebenszeiten", aber alles in allem würde ich sagen, dass wir innerhalb von drei bis vier Monaten im Grunde fast unser gesamtes Protein abbauen. Was verblüffend ist, denn es bedeutet, dass der Mensch, der heute am 1. Juli 2014 vor Ihnen steht, fast vier Monate früher nicht aus denselben Proteinen bestand. Dies wirft also einige interessante philosophische Fragen auf: Wer bin ich überhaupt, wenn ich nicht derselbe bin? Es geht jedoch über diese philosophische Fragestellung hinaus. Denn die Frage, die wirklich gestellt werden sollte, bezieht sich nicht nur auf das ausführende System, seine Steuerung und biomedizinischen Implikationen, sondern auch darauf, wie es sein kann, dass unsere Software, unsere höheren Hirnfunktionen, aufrechterhalten werden - obwohl wir die Hardware austauschen. Und dies ist keine einfache biologische Frage. Wir werden sie jedoch nicht weiter verfolgen, sondern sie einfach stehen lassen, denn es gibt einige Überlegungen dazu, was da passiert. Kommen wir zum Gründungsvater dieses Fachgebiets - wir zollen den Gründungsvätern immer Anerkennung. Nicht nur, weil wir ihnen Anerkennung zollen oder ihnen Respekt erweisen möchten, sondern auch, weil wir uns in einem Kontinuum befinden. Wir beginnen nichts neu und wir beenden nichts. Wir nehmen etwas, das schon da war, auf, purifizieren es weiter, destillieren es und schenken es dann der nächsten Generation. Das ist der Weg, den die Wissenschaft nimmt. Ich denke, dass dies der Grund dafür ist, warum diese Leute für uns so wichtig sind. Rudolf Schönheimer, ein jüdischer Wissenschaftler, der hier in Deutschland, in Freiburg lebte. Mit dem Aufstieg der Nazis zur Macht wurde er entlassen und ging an die Columbia University, an Hans Clarkes Fakultät für Chemie. Dort nahm Amerika zu jener Zeit viele dieser Juden und sogar Nichtjuden auf. Rudolf Schönheimer tat Folgendes: Er verwendete markierte Aminosäuren, mit schweren Isotopen markierte Aminosäuren, und verfütterte diese an Ratten und stellte fest, dass die Aminosäuren in Proteine eingebaut wurden und dann herauskamen. Er fand also heraus, dass die Proteine dynamisch sind, was tatsächlich eine Art Schock war, da jeder dachte, Proteine seien statisch. Damals gab es bei den Solvay-Konferenzen viele Juden - unter ihnen auch Albert Einstein. Nachdem er Deutschland verlassen hatte, kehrte er nie wieder zurück. Sie kennen den Begriff "Hitlers Geschenk" von dem Buch von Jean Medawar - der Witwe von Professor Medawar, der selbst ein Nobelpreisträger war und den Nobelpreis für seine Leistungen in der Immunologie erhielt. Es gibt viele Artikel über dieses Geschenk, das Hitler dem Westen in Form dieser etablierten, wunderbaren Wissenschaftler machte. Zu diesen gehörte Fritz Lipmann, der Mitentdecker, wie ich sagen würde, grundlegender Biochemie; er bekam den Nobelpreis für das Coenzym A, aber er machte zahlreiche weitere grundlegende Entdeckungen auf dem Gebiet der Biochemie. Und dann Rudolf Schönheimer, Konrad Bloch, der Vater des Biosynthesewegs des Cholesterols, und viele andere. Und was Rudolf Schönheimer tat bestand darin, dass seine Forschungsarbeit dazu beitrug, zu zeigen, dass der lebende Körper ein chemisches Labor ist, in dem unaufhörlich verschiedene komplexe Stoffumwandlungen stattfinden. Wir sind also dynamisch. Wir sind die ganze Zeit über dabei, uns selbst zu ersetzen, und das trifft nicht nur auf Proteine zu, sondern auch auf Lipide, auf kleine Moleküle und andere Makromoleküle, Nukleinsäuren. Wir alle sind immer in Bewegung. In Bezug auf Proteine war das Fachgebiet gewissermaßen tot. Er bewies also die grundlegende Tatsache, dass wir dynamisch sind, über die Mechanismen wusste man jedoch nichts. In den frühen 1950er Jahren fand Mel Simpson in Yale heraus, dass der Proteinabbau Energie benötigt, was eine echte Überraschung war. Hier sehen Sie den Proteinabbau, und er ... egal. Die Untersuchungen: Er fing den Sauerstoff aus dem Inkubator ein und ersetzte ihn durch Stickstoff: kein ATP, keine Respiration, der Proteinabbau kam gänzlich zum Stillstand. Er vermutete daher, dass der Proteinabbau Energie benötigt, aber dies machte, thermodynamisch betrachtet, keinen Sinn, denn wir nutzen Proteine als Energiequelle - warum also investieren wir Energie, um ein Makromolekül mit viel Energie in etwas mit wenig Energie, wie eine Aminosäure, zu zerlegen? Er vermutete, dass dies aus Gründen der Steuerung geschah. Stellen Sie sich vor, ein Auto bergab zu fahren. Es gibt zwei Arten, dies zu tun: Entweder schalten Sie den Schalter aus und lassen Ihren Fuß von der Bremse - dies ist die eine Art zu fahren, aber es wird eine ziemlich kurze Fahrt sein. Oder Sie wechseln in einen niedrigen Gang und setzen Ihren Fuß auf die Bremse, um Hitze zu erzeugen und die Geschwindigkeit zu steuern. Sie sehen also, dass Sie, selbst wenn Sie keine Energie investieren müssen - nun, die Analogie ist nicht genau, aber Sie vermittelt Ihnen die Idee, dass die Natur immer mit Energie bezahlt, um Prozesse zu steuern. Dies war also der erste Meilenstein, der unsere Aufmerksamkeit erregte. Und darauf folgte Christian de Duve, ein wunderbarer Wissenschaftler, der gerade erst im Februar vor zweieinhalb Jahren verstarb. Und Christian entdeckte dieses Organell. Er bezeichnete es als "Lysosom" und erhielt für seine Entdeckung auch einen geteilten Nobelpreis. In seinem Inneren enthält das Lysosom Proteasen, geschützt von einer Membran - wiederum die Idee des Schutzes. Die Frage war jedoch, wie sie ihre Beute anlocken, wie die Proteine zwischen die Zähne des Hais gelangen. Und da gab es mehrere Mechanismen - wir kennen sie und sie kristallisierten sich im Laufe der Jahre heraus. Einige von ihnen sind eine rezeptorvermittelte Endozytose spezifischer Liganden wie Insulin, das PDGF-Molekül, das Cholesterol-Molekül, das mit dem LDL-Partikel transportiert wird - wunderbare Forschungsarbeit von Mike Brown und Joe Goldstein aus Texas. Andere ergeben sich durch Pinozytose - die Zelle trinkt die sie umgebende Flüssigkeit - und viele andere Mechanismen, die extrazelluläre Proteine in das Lysosom hereinbringen. Wie? Indem sie in Vesikel eingeschlossen werden. Vesikel verlassen die Oberfläche der Zelle und wandern in die Zelle hinein, und dort verschmelzen sie mit dem Lysosom und schütten ihren Inhalt in das Lysosom aus. Es ist ein wohlausgearbeiteter und erforschter Mechanismus - ich werde nicht ins Detail gehen. Was ist mit den intrazellulären Proteinen? Christian wollte glauben, dass das Lysosom die Mutter aller proteolytischen Prozesse ist. Und er sagte, dass dies mittels Mikro-Autophagie geschehen würde. Das Lysosom schnürt Zytosol-Tropfen ab und verwandelt sie in Vakuolen, und diese Vakuolen öffnen sich dann und schütten ihren Inhalt aus. Das war also diese Theorie, bei der ATPs beteiligt waren. Wir müssen Wasserstoffionen in das Lysosom hineinpumpen; der pH-Wert im Lysosom ist niedrig, bei zwei Einheiten, was einer hundertfachen Konzentration von Wasserstoff entspricht. Denn die optimale Aktivität ...die Proteine, die sich in dem Lysosom befinden, agieren nur bei einem niedrigen pH-Wert, sie agieren optimal bei einem niedrigen pH-Wert - warum? Wiederum, um die Zelle zu schützen, denn wenn das Lysosom zerplatzt, wird der Zelle nichts geschehen, denn das Volumen des Lysosoms ist sehr klein und es wird eine Neutralisierung des niedrigen pH-Werts geben und die Proteasen werden inaktiv sein. Denken Sie an die dahinterstehende Evolution. Das Fachgebiet fiel also für Jahre in einen Schlaf. Und weil es ... gab... Die Leute realisierten, dass Proteine abgebaut werden, dass dies einen Mechanismus hat, dass Energie benötigt wird. Alles wurde still, was in vielerlei Hinsicht für uns günstig war. Denn wenn Sie sich in einem kleinen Land befinden, mit beschränkten Ressourcen, umgeben von großen amerikanischen Haien - dann möchten Sie alleine gelassen werden. Doch dann erkannten die Leute, dass das Lysosom vielleicht gar nicht das gesuchte Organell war - und warum? Weil unterschiedliche Proteine unterschiedliche Halblebenszeiten haben. Dies ist nur eine Zusammenstellung von Daten. Dann kamen Tim und Lee Hartwell und Paul Nurse mit dem Cyclin des Zellzyklus dazu und sie sagten: Ja, Proteine können über den gesamten Zellzyklus hinweg stabil sein und werden dann plötzlich abgebaut. Man braucht also Spezifität, der Mechanismus des Lysosoms konnte Spezifität nicht erklären. Denn es handelt sich nur um Stoffmenge, die in Tropfen abgeschnürt wird, es betrifft alle in diesem kleinen Tropfen enthaltenen Proteine, sie werden genommen und abgebaut. Es sah also so aus, als ließen sich Regulierung und Spezifität durch das Lysosom nicht handhaben. So begannen die Leute zu forschen. Wir waren nicht die ersten; da gab es einige Leute, allerdings nicht zu viele. Einer von ihnen war Brian Poole, ein wunderbarer Wissenschaftler, der mit Christian an der Rockefeller University zusammenarbeitete. Brian führte ein einfaches Experiment durch: Er hemmte das Lysosom mithilfe einer Base, Ammoniumchlorid, die den intra-lysosomalen pH-Wert zerstört. Und in sehr einfachen Experimenten - auf die detailliert einzugehen ich keine Zeit habe -, zeigte er, dass Chloroquin vor allem den Abbau extrazellulärer Proteine hemmt. Hier sehen Sie es einmal ohne Chloroquin und einmal mit Chloroquin: 68 % Abbau. Und da es auf den Abbau intrazellulärer Proteine keine große Auswirkung hatte, sagte er plötzlich, dass es zwei Systeme geben müsse. Erstens das Lysosom, das gehemmt werden kann und vor allem am Abbau extrazellulärer Proteine beteiligt ist. Und dann irgendein anderes System, das am Abbau intrazellulärer Proteine beteiligt ist. Er scheute sich nicht, dies auf eine wunderschöne Art und Weise poetisch zu definieren, und zwar wie folgt: wohingegen die endogenen Proteine dort zerlegt werden, wo immer es ist, dass endogene Proteine zerlegt werden." Irgendwo - gehen Sie hin und finden Sie heraus, wo. Und er machte sich daran, es herauszufinden. Leider starb er an den Komplikationen einer Stoffwechselerkrankung. Ich lernte ihn während meines Promotionsstudiums kennen. Ich muss zugeben, dass er ein sehr großzügiger Wettbewerber war - er stellte uns all seine Geräte und sein Wissen zur Verfügung. Aber so etwas geschieht eben. Und zusammen mit Avram begannen wir unsere Reise. Wir fingen mit einem Retikulozyten an, einem begrenzt differenzierenden roten Blutkörperchen. Es ist ein anderer Mangel, denn jahrelang glaubten die Leute uns nicht, und wenn sie uns glaubten, sagten sie, dies sei nicht Biologie - sondern schon am Rande der Biologie. Es handelt sich um eine begrenzt differenzierende Zelle. Dies gab uns wieder etwas Zeit, um in dem System zu graben. Der Grund, warum wir uns dafür entschieden, uns dem Retikulozyten zuzuwenden, ist, dass der Retikulozyt keine Lysosomen hat. Während seines Heranreifens stößt er sie aus. Dann fährt er fort, seine anderen Maschinerien abzubauen, um aus sehr primitiven Zellen zu bestehen - im Grunde in einer Vakuole voll mit Hämoglobin, mit glykolytischen Enzymen, um ATP zu generieren, Glutathion, um den reduzierten Zustand vieler anderer Proteine zu behalten - aber sehr primitiven Zellen. Dies ist also eine Art von rapider Differenzierung, die uns die Natur zur Verfügung stellte. Es gab keine siRNA, zu jener Zeit konnten wir nicht irgendwelche Proteine zum Verstummen bringen. Wir veröffentlichten also 1978 unsere erste Abhandlung in einer sehr ungünstigen Zeitschrift. Randy Schekman äußerte sich gestern zu der neuen Kultur, ich werde darauf nicht eingehen, aber dies ist eine Zeitschrift, die Sie heutzutage nirgendwo hinbringen wird. Sie brachte uns nach Stockholm. Sie wurde von dem Komitee zitiert, was Ihnen kurz und knapp sagt, dass es nicht darauf ankommt, WO Sie veröffentlichen, sondern WAS Sie veröffentlichen. Aber lassen wir das. Die Abhandlung war insofern wichtig, als dass sie uns sofort ohne ein Paradigma zurückließ. Direkt am Anfang standen wir also ohne Paradigma da. Der Grund war, dass wir tatsächlich in dem Hochgeschwindigkeits-Supernat des Retikulozyten eine ATP-abhängige proteolytische Aktivität fanden, und dann begannen wir - wie gute Biochemiker -, sie zu fraktionieren, und sie wurde fraktioniert. Und anstelle des klassischen Tangos, den Proteine tanzen und der ein Tanz zu zweit ist, bei dem man eine Protease und ein Substrat hat, spalteten wir es im ersten Schritt bereits in zwei Teile auf. Teil 1 ist unerheblich. Es hängt von der Trennsäule ab, die man verwendet. Es gab keine Aktivität, wir spalteten es einfach auf. Teil 2 wies keine oder wenig Aktivität auf, und wir mussten sie kombinieren. Dies ist also schon ein Tango zu dritt: Zwei Teile werden benötigt, um den dritten Partner abzubauen. Behalten Sie in Erinnerung, dass diese zwei Teile jeweils 10.000 Proteine enthalten, denn zuvor war es Zell-Lysat. Wir fraktionierten also weiter, denn niemand sagte uns, dass Teil 1 nur aus einer Komponente bestand. Das gleiche führten wir bei Fraktion 2 durch. Fünf Jahre Arbeit. Als ich das Labor verließ und als Postdoc ans MIT ging, ließ ich ungefähr 14 verschiedene Faktoren zurück, die alle dafür benötigt werden, ein einziges Protein abzubauen. Das Wichtigste war jedoch, dass wir wussten, was sie taten. Das war der schwierigere Teil - nicht die Fraktionierung, sondern, jedem eine Funktion zuzuweisen und sie in eine Reihenfolge zu bringen, um zu erfahren, welcher Teil der erste ist. Wir begannen also, das Alphabet des Systems zu schreiben. Aufgrund des Zeitmangels werde ich Ihnen das Alphabet des Systems nur in einer Zusammenfassung zeigen, und dann werde ich schnell zur Medizin springen. Man weiß nun, dass sich das System aus knapp 2.000 Proteinen zusammensetzt - das sind fast 10 % des menschlichen Genoms. Ich werde Ihnen einfach die wesentlichen Komponenten zeigen: Hier haben Sie das Substrat, das ist das Opfer, das abgebaut wird. Normalerweise passiert etwas mit dem Opfer, es muss oxidiert, phosphoryliert, hydroxyliert werden. Irgendetwas muss mit ihm passieren, damit ein Polizist es identifizieren kann. Der Polizist heißt Ubiquitin-Ligase. Das ist eine große Familie, die aus Unterfamilien besteht - es gibt fast 1.000 Ubiquitin-Ligasen - und die Hälfte der Ubiquitin-Familie, der großen Ubiquitin-Familie, hat die Funktion, die Enzyme zu erkennen. Dies ist ein entscheidendes Element des Systems: Es erkennt das Substrat, das abgebaut werden soll, bindet es. Das ist es, was es tut. Während dessen wird ein kleines Protein namens Ubiquitin durch eine einzige Komponente in der Datenbank, die als E1 oder Ubiquitin aktivierendes Enzym bezeichnet wird, zu hoher Energie aktiviert. Wir bringen es auf ein hohes Energieniveau - ich habe nicht die Zeit, um Ihnen all die biochemischen Details zu zeigen, aber es ist wunderschöne Biochemie. Und von dort springt es zu einem zweiten Enzym, einem Transmitter, einem Vermittler namens E2. Es gibt um die fünfzig E2s in der Datenbank. Und von dort geht es zu dem Substrat, um das Substrat zu markieren. Wir haben nun also ein Substrat, mit dem etwas passiert und das markiert ist, aber es ist noch intakt. Erst jetzt, im Anschluss an die Ubiquitinierung bindet sich das erste an das Substrat, das zweite an das dritte, das dritte an das zweite und so weiter und so fort. Dann kommen die Scheren. Die Scheren werden nur ubiquitinierte Proteine erkennen, sie werden keine nackten Proteine erkennen. Es gibt eine Ausnahme, das ist Ornithin-Decarboxylase; darauf möchte ich nicht eingehen, aber das ist im Grunde die einzige gut bekannte Ausnahme. Alle anderen Proteine müssen ubiquitiniert werden. Und das Protein erkennt das Ubiquitin, es erkennt nicht das Substrat; allerdings bringt es das Substrat nahe an die Protease heran. Das Substrat wird durch die Aktivität von ATPase geöffnet; es handelt sich um ein großes Substrat, dessen Struktur von Robert Huber, Wolfgang Baumeister und anderen am Max-Planck-Institut in Martinsried in der Nähe von München entziffert wurde - eine wunderschöne Struktur. Es wird durch die Aktivität von ATPasen geöffnet, die sich hier in dem oberen und dem unteren Komplex befinden. Sie besteht aus zwei Unter-Komplexen, dem 19. und dem 20., es ist eine große, eine 2-Megadalton-, 2-Millionen-Dalton-Protease. Die aktive Kammer ist hier, also findet die proteolytische Aktivität hier, in dem 20. Komplex, in den Alpha-Ringen statt. Sie sehen hier vier Ringe, zwei Alpha-Ringe in der Peripherie und zwei Beta-Ringe in der Mitte, und hier findet die Aktivität statt. Es findet ein Abbau des Substrats zu Peptiden statt, nicht zu Aminosäuren, und diese Peptide sind auch Teil des Immunsystems und fungieren als MHC Klasse 1 Molekül Peptide - aber darauf möchte ich wiederum nicht eingehen. Im Laufe der Jahre wurde das System kompliziert, da jedes Ubiquitin an ein anderes gebunden ist; normalerweise über ein Lysin, nämlich Lysin-48, aber es gibt noch andere, sieben Lysine, die Ubiquitin binden können. Allmählich entstand um das System herum eine komplette Sprache. Und wieder habe ich leider nicht genug Zeit und die Sprache ist kompliziert, da das Ubiquitin über ein einzelnes Lysin gebunden sein oder es sich um ein Ubiquitin handeln kann, an das zwei Ubiquitine gebunden werden - so dass es insgesamt drei sein können; es kann wie ein Kerzenleuchter sein. Dann gibt es noch lineare Ketten, bei denen jedes Ubiquitin an ein anderes gebunden ist: Kopf an Ende, Kopf an Ende. Es gibt Mono-Ubiquitinierungen und Oligo-Ubiquitinierungen. Und dann wurde die ganze Familie der Proteine, der Cousins des Ubiquitins, die als Ubiquitin-ähnliche Proteine bezeichnet werden, entdeckt - SUMO, Rab, NEDD usw., und die gesamte Familie wuchs stark an - nicht nur, was die Anzahl der Mitglieder der Familie angeht, sondern auch hinsichtlich der Art und Weise, wie sie untereinander binden. Und es stellte sich heraus, dass das, was wir entdeckt hatten, eine proteolytische Maschinerie ist. Aber wir hatten mehr als das entdeckt - eine neue Form der post-translationalen Modifikation, die mehrere Funktionen erfüllt, wie Phosphorylierung. Aber die Schönheit des Systems besteht darin, dass wir das Ubiquitin-System gar nicht entdecken wollten. Wir hatten keine Absicht, etwas zu entdecken, wir stellten die biologische Frage. Wir kamen also von ganz unten und schälten es wie eine Zwiebel ab. Und dann kamen die Informatiker und andere Leute und fügten dem Ganzen oben noch einiges hinzu. Daher denke ich, dass dies ein eleganterer und schönerer Weg ist, die Biologie anzugehen - eine Frage stellen anstatt zu schreien, aber natürlich sind beide Ansätze legitim und man kann von beiden Seiten aus zu wunderbaren Ergebnissen kommen. Aber wir kamen von unten, von der Biologie. Das Homologie-Werkzeug Phosphorylierung - Eddy Fisher ist hier wirklich beeindruckend. Sie sehen die Ligasen, die 1.000 Ligasen, die Ubiquitin modifizieren, die 600 Kinasen. Ubiquitin kann de-ubiquitiniert werden, kann recycelt werden. Phosphatasen trennen Phosphor ab. Phosphatasen generieren ein Signal, ein Ausgangssignal, das von einem nachgelagerten Element erkannt wird - die wunderbare Forschungsarbeit von Tony Pawson und Tony Hunter. Ubiquitin ist ebenfalls, wie ich in einem Fall sagte, ein Signal an das Proteasom, aber, abhängig von der Struktur der Kette, ist es ein Signal für mehrere nachgelagerte Effektoren. Das Wichtigste: Die beiden Systeme kommunizieren miteinander. Einige Proteine werden also, wie ich Ihnen in dem Schema zeigte, nur im Anschluss an eine Phosphorylierung abgebaut. Lassen Sie mich in den letzten zwei Minuten ganz schnell zur Medizin übergehen. Bei 2.000 Komponenten ist es unmöglich, dass nicht Abweichungen bei einigen von ihnen zu Krankheiten führen. Ich werde Ihnen ein Beispiel zeigen, aber das Prinzip ist das folgende: Proteine werden abgebaut und dabei können zwei Dinge passieren: Entweder wird ein Protein im Übermaß abgebaut, oder es wird nicht abgebaut. Die Proteine fallen entweder unter ihren Gleichgewichtszustand oder sie reichern sich oberhalb ihres Gleichgewichtszustands an. Dann kommt es zu einer Erkrankung. Es gibt also viele Krankheiten. Im Grunde genommen ist bei allen neurodegenerativen Erkrankungen das Ubiquitin-System beteiligt, entweder als primärer Schuldiger oder als sekundärer Schuldiger. Wenn Sie sich das Gehirn von Alzheimer-Patienten anschauen - dies sind Patienten, bei denen Alzheimer früh ausgebrochen ist -, sehen Sie die Ansammlung von verstopften Konjugaten. Diese Konjugate werden ubiquitiniert, aber das Proteasom ist verstopft, es kann nicht abbauen. Sie werden diese ubiquitinierten Proteine bei zahlreichen Krankheiten antreffen. Aber wenn wir uns nicht der Qualitätskontrolle, sondern der Steuerung von Prozessen zuwenden, tritt sofort Krebs in den Vordergrund. Warum Krebs? Weil einerseits übermäßiger Abbau von Tumorsuppressoren wie p53, wie er bei menschlichem Gebärmutterhals- und Gebärmutterkrebs geschieht, dessen Mechanismus auf wunderschöne Art und Weise von Harald zur Hausen enträtselt wurde, zu Krebs führt, weil aus der Zelle das Tumorsuppressor-Protein entfernt wird. Wie passiert das? Das Virus, das in einem frühen Gen, das als E6 Heterodyne bezeichnet wird, eingeschlossen ist, steigt zu p53 auf, das Ubiquitin-System wirft einen Blick darauf, stellt etwas Fremdes fest und zerschlägt es. Was war der Zweck des Virus? Genau dies: das Ubiquitin-System in die Irre zu führen, um einen Tumorsuppressor zu entfernen - aber wir werden nicht über die Evolution von Viren sprechen. Auf der anderen Seite genau dasselbe. Ein onkogenes Protein, das in zu geringer Menge abgebaut wird, oder ein wachstumsförderndes Protein, das in zu geringer Menge abgebaut wird, führen ebenfalls zu malignen Transformationen. Denken Sie an den EGF-Rezeptor, der bei verschiedenen Formen von Brustkrebs mutiert ist. Er gibt den Zellen ein Nonstop-Signal. Er kann den Liganden nicht mehr binden, denn die Bindung des Liganden führt zu seiner Internalisierung und seinem Abbau. Und wir haben dafür eine Lösung: den Antikörper Herceptin (Trastuzumab), der ihn auf der Oberfläche der Zelle bindet, aber dies ist keine endgültige Lösung. Lassen Sie uns zu Medikamenten übergehen - wir haben eine Krankheit, wir können sie mit einem Medikament behandeln und damit werde ich schließen. Das erste Medikament ist ein sehr erfolgreiches Medikament, ein Inhibitor für das Proteasom. Die Leute hielten es für unrealistisch, das Proteasom zu hemmen, weil das gesamte Ubiquitin-System sich dahinter zusammenballen würde. Warum erzähle ich Ihnen dann diese ganzen Geschichten, wie wichtig oder unwichtig ist es? Die partielle Hemmung des Proteasoms führt jedoch tatsächlich zu einer sehr positiven Auswirkung bei einer Krankheit, die Multiples Myelom heißt. Dies ist der Inhibitor, Bortezomib, ein Tripeptid und Borsäure-Derivat. Hier haben Sie einen Patienten mit Multiplem Myelom - das Multiple Myelom ist eine bösartige Krankheit. Es ist eine B-Zellen-Leukämie, bei der es zu einer monoklonalen Ausbreitung der B-Zellen im Knochenmark kommt. Die Patienten leiden an der Unterdrückung aller anderen Elemente des Knochenmarks: rote Blutkörperchen - Anämie; weiße Blutkörperchen - Infektion; Thrombozyten - Blutungen, und an Brüchen, weil die Masse der Tumorzellen zu Druck führt. Hier sehen Sie eine gute Behandlung: Die Krankheit galoppiert voran, die B-Zellen sondern Immunoglobin ab, die Chemotherapie beginnt, partielle Wirkung, Rückfall .... Und hier sehen Sie das Knochenmark desselben Patienten. Das Knochenmark ist heftig mit 41 % malignen Zellen überflutet. Nach der Behandlung weniger als 1 %, dann Verjüngung des Knochenmarks über seine normalen Progenitorzellen. Als allerletztes können Sie hier ein Röntgenbild einer anderen Krankheit sehen, ein Cousin dieser Krankheit, das Non-Hodgkin-Lymphom. Sie können den Tumor erkennen, der sich am Eingang des rechten Lungenflügels befindet, und einen signifikanten Rückgang im Anschluss an die Behandlung. Hier können Sie die Rippen sehen, das Brustbein, die Wirbel, die Schulter und so weiter. Wie Sie sehen, hatten wir nichts mit diesen Medikamenten zu tun - keine Rechte, keine Lizenzgebühren, nichts. Aber Sie sehen, wie eine Grundneugier in Hinblick auf ungelöste Probleme letzten Endes nicht nur zur Entdeckung eines wichtigen Systems, sondern auch zu großem Nutzen für die Menschheit führte. Vielen Dank.


Many important drugs such as penicillin, aspirin, or digitalis, were discovered by serendipity - some by curious researchers who accidentally noted a "strange" phenomenon, and some by isolation of active ingredients form plants known for centuries to have a specific therapeutic effect. Other major drugs like the cholesterol reducing statins were discovered using more advanced technologies, such as targeted screening of large chemical libraries. In all these cases, the mechanisms of action of the drug were largely unknown at the time of their discovery, and were unraveled only later. With the realization that patients with apparently similar diseases at diagnosis – breast or prostate cancer, for example - respond differently to similar treatments, and that clinical behavior of the disease is different in different patients, we have begun to understand that the mechanistic/molecular basis of what we thought is the same disease entity, is different. Thus, breast cancer or prostate cancers appear to be sub-divided into smaller distinct classes according to their molecular characteristics. As a result, we are exiting the era where our approach to treatment of these and many other diseases is “one size fits all”, and entering a new era of “personalized medicine” where we tailor treatment according to a patient’s molecular/mutational profile. Here, unlike the previous era, an understanding of the mechanisms will drive the development of new drugs. This era will be characterized initially by the development of technologies where sequencing and data processing of individual genomes will be fast (few hours) and cheap ( var SERVER_VAR_Article_Type = 'fullarticle'; var SERVER_VAR_Article = {}; SERVER_VAR_Article[0] = 'Many important drugs such as penicillin, aspirin, or digitalis, were discovered by serendipity - some by curious researchers who accidentally noted a "strange" phenomenon, and some by isolation of active ingredients form plants known for centuries to have a specific therapeutic effect. Other major drugs like the cholesterol reducing statins were discovered using more advanced technologies, such as targeted screening of large chemical libraries. In all these cases, the mechanisms of action of the drug were largely unknown at the time of their discovery, and were unraveled only later. With the realization that patients with apparently similar diseases at diagnosis – breast or prostate cancer, for example - respond differently to similar treatments, and that clinical behavior of the disease is different in different patients, we have begun to understand that the mechanistic/molecular basis of what we thought is the same disease entity, is different. Thus, breast cancer or prostate cancers appear to be sub-divided into smaller distinct classes according to their molecular characteristics. As a result, we are exiting the era where our approach to treatment of these and many other diseases is “one size fits all”, and entering a new era of “personalized medicine” where we tailor treatment according to a patient’s molecular/mutational profile. Here, unlike the previous era, an understanding of the mechanisms will drive the development of new drugs. This era will be characterized initially by the development of technologies where sequencing and data processing of individual genomes will be fast (few hours) and cheap (