Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

"Molekularer Scharfmacher" entschlüsselt

20.08.2003


Modell der kristallinen Struktur der Proteinase Furin (rot) mit einem Hemmstoff im aktiven Zentrum (gelb). Furin ist für die Aktivierung von Proteinvorstufen vieler wichtiger Proteine verantwortlich. Wachstumsfaktoren, aber auch bakterielle Giftstoffe, wie beispielsweise das Anthrax-Toxin, erhalten durch Furin erst ihre Wirksamkeit.

Foto: Max-Planck-Institut für Biochemie


Max-Planck-Wissenschaftler klären Kristallstruktur von Furin auf, einem Aktivator-Protein, dass an vielen gefährlichen Krankheiten beteiligt ist


Die dreidimensionale Struktur von Furin, einem Protein, das für die Aktivierung zahlreicher wichtiger Eiweißstoffe in lebenden Zellen zuständig ist, haben Wissenschaftlern des Max-Planck-Instituts für Biochemie in Martinsried gemeinsam mit amerikanischen und britischen Forschern aufgeklärt (vgl. Nature Structural Biology, Juli 2003). Furin spielt bei so unterschiedlichen Erkrankungen und Infektionen, wie Ebola, AIDS oder Anthrax, eine wichtige Rolle. Deshalb stellt Furin nicht erst seit dem Einsatz von Anthrax-Erregern als Biowaffe ein sehr interessantes Zielmolekül für Medikamente dar. Heute gibt es bereits eine Reihe von Hemmstoffen, mit denen sich die Aktivierung von Proteinen durch Furin unterdrücken lässt. Doch um diese Hemmstoffe zu wirksamen Medikamenten zu entwickeln, ist die Kenntnis der genauen räumlichen Struktur von Furin von großer Bedeutung.

Wenn Bakterien oder Viren andere Organismen befallen, sind sie bei dieser Infektion häufig auf die Ressourcen in den Zellen ihres Wirts angewiesen, damit sie sich dort vermehren können. Bei einer Reihe von gefährlichen Krankheiten wie Ebola, AIDS, Anthrax und Diphtherie benutzen die Krankheitserreger das Protein Furin aus den Säugetierzellen, um ihre Strategien mit fatalen Folgen für den Infizierten in Gang zu setzen.


Furin kommt überall in unserem Körper vor und sorgt dafür, dass zahlreiche andere Proteine ihre natürlichen Funktionen ausüben können. Dieses Protein tritt sowohl auf der Oberfläche von Zellen als auch in ihrem Innern auf und überführt andere Proteine, die als inaktive Vorstufen in den Zellen vorliegen, in ihre biologisch aktive Form. Hierzu spaltet es entweder diese Vorstufen oder verkürzt sie an einem Ende, indem es die Aminosäurenkette des Proteins an einer ganz bestimmten Stelle durchtrennt (Proteolyse). Auch Furin selbst entsteht zuerst als inaktive Vorstufe, kann sich dann allerdings selbst proteolytisch spalten und braucht somit keine weiteren Proteine für seine Aktivierung. Proteine, die andere Proteine durch Spaltung oder Verkürzung aktivieren, zählen zur Familie der Proteinasen. Innerhalb der Proteinasen gehört Furin zu einer speziellen, Kalzium-abhängigen Unterfamilie, den so genannten Proprotein-Konvertasen.

Zu den Zielproteinen (Substraten) von Furin gehören Vorstufen von ganz unterschiedlichen Proteinen, wie zum Beispiel Wachstumsfaktoren, Hormone, Rezeptoren und Plasmaproteine, die zumeist an sehr wichtigen Aufgaben wie der embryonalen Entwicklung oder der Regulation verschiedener Körperfunktionen (Homöostase) beteiligt sind. Doch dieser Art der biologischen Aktivierung bedienen sich in einer Zelle nicht nur körpereigene Proteine, sondern auch Bakterien und Viren. Bei einer Infektion benutzen diese das Furin ihres Wirts dazu, um ihre Proteinvorstufen in aktive Proteine umzuwandeln: Erst dadurch wird beispielsweise bei Anthrax und Diphtherie die Aktivierung und Aufnahme der Erregergifte in die Zelle möglich. Doch Furin kann auch an einer fehlerhaften Aktivierung körpereigener Proteine beteiligt sein, was dann zur Entstehung von Krebs oder der Alzheimerschen-Krankheit führt.

Stefan Henrich hat es nun mit seinen Kollegen aus der Abteilung Strukturforschung am Max-Planck-Institut für Biochemie, Martinsried, geschafft, das Furin-Protein aus der Maus zu kristallisieren und seine dreidimensionale Struktur mit Hilfe der Röntgengenstrukturaufklärung zu bestimmen. Damit gelang den Forschern zugleich die erstmalige Kristallisation eines Mitglieds der Proprotein-Convertase-Familie. Das Protein wurde in enger Zusammenarbeit mit einer Wissenschaftlergruppe um Iris Lindberg am Health Sciences Center der Louisiana State University in New Orleans (Louisiana, USA) gewonnen.

Die dreidimensionale Struktur ermöglicht den Forschern tiefe Einblicke in die verschiedenen Bereichen des Proteins. So besteht Furin aus einer für die Spaltung seiner Zielproteine wichtigen Region (katalytische Domäne), die durch einen weiteren Bereich, die so genannte P?Domäne, stabilisiert wird. Beide Regionen sind für die richtige Funktion, also das Spalten von Zielproteinen, unerlässlich. Von großem Interesse ist aber insbesondere das aktive Zentrums, jener Teil der katalytischen Region, an die Zielproteine binden und wo die proteolytische Spaltung tatsächlich erfolgt. Hier liefern die jetzt gewonnenen Strukturdaten wichtige Anhaltspunkte, welche hohen Ansprüche Furin an die Erkennung der Spaltregion in seinen Zielproteinen stellt: Nur wenn diese Substratmoleküle eine ganz bestimmte Form aufweisen, passen sie in das aktive Zentrum, wie ein Schlüssel in das Schloss. Während andere Proteinasen oftmals viele verschiedene Formen von Substraten zulassen, müssen bei Furin vor der beabsichtigten Spaltstelle positiv geladene Bausteine (basische Aminosäuren) einer bestimmten Größe vorhanden sein. Diese basischen Aminosäuren reichen dann tief in das negativ geladene aktive Zentrum des Proteins und es kommt zur Spaltung des Zielmoleküls. Das so geschnittene Molekül zerfällt in zwei Teile, löst sich wieder vom aktiven Zentrum und gibt dieses für das nächste Zielmolekül frei.

Genau an dieser Stelle ist die dreidimensionale Struktur besonders interessant für die medizinische Forschung und die Entwicklung von neuen Medikamenten. Gelingt es nämlich Hemmstoffe zu finden, die genau in das aktive Zentrum von Furin passen und dieses blockieren, könnte man die proteolytische Spaltung der Zielmoleküle verhindern. Hierzu bindet ein solcher Hemmstoff an das Furin, kann dort aber nicht umgesetzt werden und verhindert daher dauerhaft die Umsetzung weiterer Zielmoleküle. Bereits jetzt kennt man natürliche und synthetische Hemmstoffe, mit denen sich das Absterben von Zellen verhindern lässt, das durch bakterielle Gifte, wie das Anthrax-Toxin, verursacht wird. Mit der genauen räumlichen Struktur des Furins kann man nun die Bindung der Hemmstoffe im Computermodell simulieren und die Hemmstoffe exakt auf die Form des aktiven Zentrums zuschneiden. Je besser ein Hemmstoff in das aktive Zentrum passt, umso besser kann dieser die natürlichen Zielmoleküle nachahmen, sie verdrängen und die Aktivität von Furin herabsetzen. Eine Blockade von Furin durch genau angepasste Hemmstoffe würde bei einer Infektion die Reifung der bakteriellen oder viralen Proteine verhindern und so den tödlichen Verlauf einer Infektion verhindern, den Verlauf einer Krankheit abschwächen bzw. ihre Heilung beschleunigen.

Mit der exakten Bestimmung der Struktur von Furin, einer der wichtigsten Proteinasen, die für die Aktivierung vieler verschiedener Proteine verantwortlich ist, haben die Martinsrieder Wissenschaftler den Ausgangspunkt für die Entwicklung neuer Medikamentente gegen Krankheiten wie Krebs, Alzheimer und Anthrax geschaffen. Die am Beispiel der Maus gewonnenen Erkenntnisse lassen sich sehr gut auf das menschliche Furin übertragen, da beide Proteine fast identisch sind. Mehr noch, Furin ist der bekannteste Vertreter der Familie der Proprotein-Convertasen, so dass sich die aus der räumlichen Struktur gewonnenen Ergebnisse mit großer Wahrscheinlichkeit auch auf seine anderen Familienmitglieder verallgemeinern lassen. Im Gegensatz zu dem im gesamten Körper vorkommenden Furin ist der Wirkkreis dieser Furine häufig auf bestimmte Gewebe oder Organe, wie beispielsweise das Gehirn, beschränkt. Entsprechend lassen sich dafür spezifische Medikamente entwickeln, die nur lokal im Vorkommensbereich einer bestimmten Furin-Verwandten wirken.

Weitere Informationen erhalten Sie von:

Manuel E. Than
Max-Planck-Institut für Biochemie, Martinsried
Tel.: 089 - 8578-2685, Fax.: - 3516
E-Mail: than@biochem.mpg.de

Manuel E. Than | Max-Planck-Gesellschaft
Weitere Informationen:
http://www.mpg.de/instituteProjekteEinrichtungen/institutsauswahl/biochemie/index.html
http://www.biochem.mpg.de

Weitere Berichte zu: Anthrax Furin Hemmstoff Infektion Medikament Protein Proteinasen Spaltung Zielmolekül Zielprotein

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Aufschlussreiche Partikeltrennungen
20.07.2017 | Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V.

nachricht Bildgebung von entstehendem Narbengewebe
20.07.2017 | Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V.

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Molekulares Lego

Sie können ihre Farbe wechseln, ihren Spin verändern oder von fest zu flüssig wechseln: Eine bestimmte Klasse von Polymeren besitzt faszinierende Eigenschaften. Wie sie das schaffen, haben Forscher der Uni Würzburg untersucht.

Bei dieser Arbeit handele es sich um ein „Hot Paper“, das interessante und wichtige Aspekte einer neuen Polymerklasse behandelt, die aufgrund ihrer Vielfalt an...

Im Focus: Das Universum in einem Kristall

Dresdener Forscher haben in Zusammenarbeit mit einem internationalen Forscherteam einen unerwarteten experimentellen Zugang zu einem Problem der Allgemeinen Realitätstheorie gefunden. Im Fachmagazin Nature berichten sie, dass es ihnen in neuartigen Materialien und mit Hilfe von thermoelektrischen Messungen gelungen ist, die Schwerkraft-Quantenanomalie nachzuweisen. Erstmals konnten so Quantenanomalien in simulierten Schwerfeldern an einem realen Kristall untersucht werden.

In der Physik spielen Messgrößen wie Energie, Impuls oder elektrische Ladung, welche ihre Erscheinungsform zwar ändern können, aber niemals verloren gehen oder...

Im Focus: Manipulation des Elektronenspins ohne Informationsverlust

Physiker haben eine neue Technik entwickelt, um auf einem Chip den Elektronenspin mit elektrischen Spannungen zu steuern. Mit der neu entwickelten Methode kann der Zerfall des Spins unterdrückt, die enthaltene Information erhalten und über vergleichsweise grosse Distanzen übermittelt werden. Das zeigt ein Team des Departement Physik der Universität Basel und des Swiss Nanoscience Instituts in einer Veröffentlichung in Physical Review X.

Seit einigen Jahren wird weltweit untersucht, wie sich der Spin des Elektrons zur Speicherung und Übertragung von Information nutzen lässt. Der Spin jedes...

Im Focus: Manipulating Electron Spins Without Loss of Information

Physicists have developed a new technique that uses electrical voltages to control the electron spin on a chip. The newly-developed method provides protection from spin decay, meaning that the contained information can be maintained and transmitted over comparatively large distances, as has been demonstrated by a team from the University of Basel’s Department of Physics and the Swiss Nanoscience Institute. The results have been published in Physical Review X.

For several years, researchers have been trying to use the spin of an electron to store and transmit information. The spin of each electron is always coupled...

Im Focus: Das Proton präzise gewogen

Wie schwer ist ein Proton? Auf dem Weg zur möglichst exakten Kenntnis dieser fundamentalen Konstanten ist jetzt Wissenschaftlern aus Deutschland und Japan ein wichtiger Schritt gelungen. Mit Präzisionsmessungen an einem einzelnen Proton konnten sie nicht nur die Genauigkeit um einen Faktor drei verbessern, sondern auch den bisherigen Wert korrigieren.

Die Masse eines einzelnen Protons noch genauer zu bestimmen – das machen die Physiker um Klaus Blaum und Sven Sturm vom Max-Planck-Institut für Kernphysik in...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Operatortheorie im Fokus

20.07.2017 | Veranstaltungen

Technologietag der Fraunhofer-Allianz Big Data: Know-how für die Industrie 4.0

18.07.2017 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - September 2017

17.07.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

1,4 Millionen Euro für Forschungsprojekte im Industrie 4.0-Kontext

20.07.2017 | Förderungen Preise

Von photonischen Nanoantennen zu besseren Spielekonsolen

20.07.2017 | Physik Astronomie

Bildgebung von entstehendem Narbengewebe

20.07.2017 | Biowissenschaften Chemie