Übersicht der Arbeitsgruppe Reutter am Institut für Laboratoriumsmedizin, Klinische Chemie und Pathobiochemie

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Die drei Forschungsschwerpunkten der Arbeitsgruppe Reutter

Arbeitsgruppe Reutter
  • Charakterisierung der Schlüsselenzyme der N-Acetylneuraminsäure (Sialinsäure)-Biosynthese und Auffindung spezifischer Inhibitoren zur Stimulierung der natürlichen Immunabwehr
  • Metabolisches Glycoengineering der N-Acyl-Seitenkette der N-Acylneuraminsäure und biologische Auswirkungen
  • Anwendung von Galaktose zur Beseitigung von Energiemangelzuständen bei defektem Insulin-Rezeptor (z.B. bei hepatischer Enzephalopathie, Sepsis und Alzheimer)

N-Acetylneuraminsäure (Sialinsäure)

Abb. 1: Sesselkonformation der N-Acetylneuraminsäure

Die N-Acetylneuraminsäure gehört zur Familie von etwa 50 Sialinsäuren. Sie bilden funktionell und strukturell essentielle Komponenten von Glycoconjugaten auf der Zelloberfläche und in Serumglykoproteinen.
Sialinsäuren sind Nonulosonsäuren mit drei strukturellen Besonderheiten. Sie tragen eine Carboxy-Gruppe, sie sind an der Position C-6 mit einem Glycerolanteil verbunden und sie besitzten eine N-Acyl-Seitenkette. Die Hydroxy-Funktionen können an vielen Stellen zusätzlich modifiziert sein. Der häufigste Vertreter der Sialinsäuren ist die N-Acetylneuraminsäure (Neu5Ac; Abb. 1).

Abb. 2: Schematische Übersicht der Biosynthese von Neu5Ac

Als Konstituenten der Zelloberfläche vermitteln Sialinsäuren den Kontakt zu Nachbarzellen und zur umgebenden Biomatrix sowie zu Mediatorstoffen. Als Bestanteile von Glykoproteinen oder Glykolipiden können Sialinsäuren hierbei entweder Bindestellen auf Liganden und Rezeptoren blockieren oder selbst direkt als Bindepartner agieren.

Interaktionen zwischen Zellen des Immunsystems und Tumorzellen werden entscheidend durch Sialinsäuren beeinflusst. Viele Tumorzellen zeichnen sich durch eine gesteigerte Neu5Ac-Konzentration auf ihrer Oberfläche aus. Auf diese Weise werden bestimmte Ligand-Rezeptor-Bindungen mit Komponenten des Immunsystems blockiert und dadurch die immunologische Überwachung des Tumors erschwert ("Tarnkappenbildung"). Bakterien, Viren (z.B. das Influenzavirus mit Hämagglutinin) und andere Mikroorganismen nutzen Sialinsäuren, um Zielzellen zu erkennen und an diese zu binden.

Das Schlüsselenzym der Biosynthese von Sialinsäuren ist die UDP-GlcNAc-2-epimerase/ManNAc-Kinase (GNE/MNK). Dieses bifunktionelle Enzym wurde in unserer Arbeitsgruppe erstmalig mit biochemischen und molekularbiologischen Methoden charakterisiert. Die Epimerase-Domäne der GNE/MNK wandelt UDP-N-Acetylglucosamin in N-Acetylmannosamin (ManNAc) um. In einem zweiten Schritt wird ManNAc and der C-6-Position durch die ManNAc-Kinase zu N-Acetylmannosamin-6-phosphat phosphoryliert. Anschließend erfolgt die Kondensation von ManNAc-6-phosphat mit Phosphoenolpyruvat (PEP) zu Neu5Ac-9-phosphat, katalysiert durch die Neu5Ac-9-phosphat-Synthase. In weiteren Schritten wird Neu5Ac-9-phosphat dephosphoryliert und im Zellkern zu CMP-Neu5Ac aktiviert und sogleich in den Golgi-Apparat transportiert, wo CMP-Neu5Ac als Substrat für die verschiedenen Sialyltransferasen der Glykansynthese dient.

Die Suche nach wirksamen Inhibitoren der Sialinsäure-Biosynthese und damit Hemmung ihrer Expression an Zelloberflächen ist ein wesentliches Ziel unserer Arbeit, mit dem Ziel, durch die resultierende Minderung der Zelloberflächen-Sialylierung Tumorzellen wieder der natürlichen Immunüberwachung zuzuführen (Angriff auf die "Tarnkappe").

Eine Inhibition der Sialinsäureexpression in Zellen stellt ein nützliches Werkzeuge dar zum besseren Verständnis der physiologischen Sialinsäure-Funktionen dar und darüber hinaus Tumorwachstum zu hemmen.

Metabolisches Glycoengineering

Bei Studien zur Spezifität der MNK-Aktivität gegenüber N-Acetylmannosamin-Analoga konnte überraschend gefunden werden, dass die Enzyme der Sialinsäure-Biosynthese unspezifisch gegenüber der N-Acyl-Seitenkette sind. Verlängerungen der Seitenkette um eine oder mehrere Methylen(–CH2–)-Gruppen werden toleriert und führen zu neuen Sialinsäuren, wie N-Propionyl- oder N-Butanoyl- oder N-Pentanoyl-neuraminsäure. Sie werden in Zelloberflächenkomponenten eingebaut und so die Sialinsäure-Zusammensetzung modifizieren. Zellen, deren Glykokalyx so veränderte, nicht-natürliche Sialinsäuren tragen, weisen veränderte biologische Eigenschaften auf. Von über 20 Arbeitsgruppen wurde dieses Konzept übernommen und weiterentwickelt. Es hat sich ein neues Gebiet der "metabolic glycoengineering" oder "metabolic oligosaccharide engineering" (MOE) oder "metabolic sialoengineering" (MSE) daraus entwickelt. Als bemerkenswerte neue biologische Eigenschaften nach Behandlung mit Mannosamin-Analoga seien erwähnt Hemmung der Aufnahme von Influenza-A-Viren, Stimulation des Neuritenwachstums, Stimulation humaner T-Lymphozyten, Stimulation der Angiogenese.
Durch die Arbeitsgruppe von C. R. Bertozzi (Berkeley) erhielt die verlängerte aliphatische N-Acyl-Seitenkette durch die biochemische Insertion reaktiver Gruppen eine neue Eigenschaft (bioorthogonale Modifikation), indem sie mit Fluorophoren verknüpft werden konnten. Damit wird eine hoch spezifische, neue Art der Zelltopographie ermöglicht.

Galaktose

Galaktose ist die 4-epimere Form der Glukose, besitzt jedoch einen unterschiedlichen Stoffwechsel. Neben dem Insulin-abhängigen Transport über den Glukosetransporter GLUT4 (gilt für Glukose wie für Galaktose) kann Galaktose jedoch Insulin-unabhängig über GLUT3, der besonders im Nervensystem exprimiert ist, erfolgen und benötigt nur einen Konzentrationsgradienten. Daher besitzt Galaktose ein hohes therapeutisches Potential bei Erkrankungen, bei denen die Funktion des Insulin-Rezeptors (IR) gestört ist. Störungen des IR liegen bei verschiedenen Erkrankungen vor, beispielsweise durch seine Schädigung durch Ammoniak. Endogen wird Ammoniak frei, wenn die Leber ihre Entgiftungsfunktion eingebüßt hat (z.B. bei terminaler Leberzirrhose oder ausgeprägten Lebertumoren). Ammoniak schädigt den IR in allen Körperzellen, was sich besonders auf die Hirnfunktionen auswirkt. Die intrazelluläre Umwandlung von Galaktose in Glukose erfolgt rasch. Dem Energiedefizit kann so wirkungsvoll entgegen gewirkt werden. Auch bei der Alzheimer'schen Krankheit ist ein biochemischer Defekt des IR-Systems nachgewiesen worden, außerdem ein Anstieg der Ammoniak-Konzentration. In einem sporadischen Alzheimer-Rattenmodell konnte ein Gedächtnisverlust durch Galaktose verhindert werden.