Mangel eines Proteins führt zu fortschreitendem Retinazerfall

Max Planck-Forscher ergründen mit Röntgenstrukturanalyse sowie halbsynthetischen „Hilfsproteinen“ die molekularen Ursachen von Choroideremia

Rab-Proteine sind multifunktionelle „Lotsen“ für Transportvorgänge innerhalb von Zellen. Mutationen in einzelnen Rab-Partner-Proteinen, wie dem Rab Escort Protein REP-1-Protein, führen zu schwerwiegenden Störungen, wie dem fortschreitenden Zerfall der Retina (Chroroideremia) beim Menschen. Wissenschaftler des Max-Planck-Institut für molekulare Physiologie in Dortmund ist es jetzt gelungen, die atomare Struktur der beteiligten Proteine aufzuklären und ihr Zusammenwirken durch den Einsatz halbsynthetischer fluoreszierender Rab-Proteine in Echtzeit aufzuklären. Hierbei zeigte sich, dass REP-1 eine wichtige Doppelfunktion inne hat. Steht dieses Protein also in nicht ausreichender Menge in der Zelle zur Verfügung, kommt es zur Akkumulation einer bestimmten Form eines Rab-Proteins, was zum Zelltod speziell in den Retina-Zellen führt. Dieser Befund eröffnet neue Möglichkeiten für eine Therapie.

In allen eukaryotischen Zellen befinden sich abgeschlossene Räume, die durch Membranen vom übrigen Zellraum abgegrenzt sind. Zwischen diesen so genannten Kompartimenten findet ein reger Transport von Molekülen, wie Proteinen oder Lipiden statt, die in so genannte Vesikel verpackt sind. Von den Rab-Proteinen weiß man schon seit längerem, dass sie an der Kontrolle des Transports und der Membranfusion dieser Vesikel beteiligt sind. Sie bilden die größte Untergruppe innerhalb der Ras-Superfamilie der GTPasen und wurden in allen bisher untersuchten Eukaryoten gefunden. Rab-Moleküle werden nach ihrer Translation im Ribosom noch mit zwei hydrophoben Lipidresten modifiziert (Geranylgeranylierung). Diese Modifikation ermöglicht den Rab-Proteinen eine feste und zugleich reversible Bindung an biologische Membranen. Sie ist zugleich essentiell, denn die Rab-Proteine können ihre Funktion nur im Membran gebundenen Zustand ausüben. Das Enzym Rab Geranylgeranyl Transferase (RabGGTase) katalysiert die Verknüpfung der Geranylgeranyl-Gruppen mit den Rab-Proteinen zusammen mit dem Rab Escort Protein (REP), das die Interaktion der Rab-Proteine mit der RabGGTase vermittelt.

Neuere Untersuchungen haben nun gezeigt, dass die Deletion eines der zwei menschlichen Gene, welches das REP-Protein kodiert, die Krankheit Choroideremia verursacht. Choroideremia ist eine seltene, an das X-Chromosom gekoppelte, rezessive Erbkrankheit, die fast ausschließlich bei Männern auftritt und zu einer Degeneration der Retina führt. Nachtblindheit ist das erste, allgemein auftretende Symptom in der Kindheit. Je weiter die Krankheit fortschreitet, umso stärker wird der Verlust des peripheren Gesichtsfeldes, was bis hin zur Blindheit führen kann.

Im Zytosol von Choroideremia-Patienten sammelt sich eine signifikante Menge von unprenylierten Rab27 Proteinen an. Deshalb hat man bereits sehr früh vermutet, dass die zweite Isoform des REP-Proteins (REP-2) die Prenylierung von Rab27 nicht genauso effektiv wie REP-1 unterstützen kann. Deshalb kommt es zur Akkumulation von Rab27 in der unprenylierten Form, was zum Zelltod, speziell in den Retina-Zellen führt.

Doch worin sich REP-1 und REP-2 tatsächlich unterscheiden, war lange nicht klar, weil beide Proteine sehr ähnlich (homolog) zueinander sind. Man geht davon aus, dass der einzige Weg, die Prenylierung in den Zellen wieder herzustellen, darin bestehen würde, eine Kopie des REP-1-Gens in den Zellen bereitzustellen, was jedoch eine erfolgreiche Gen-Therapie voraussetzen würde.

Die Dortmunder Max-Planck-Forscher haben nun mit Hilfe der Röntgenkristallographie untersucht, wie die Rab-Proteine mit REP auf atomarer Ebene zusammenwirken. Dabei stellte sich heraus, dass das REP-Protein eine Doppelfunktion erfüllt. Auf der einen Seite ist es am Prenylierungsvorgang beteiligt, auf der anderen Seite wirkt es als ein Chaperon, in dem es den hydrophoben, prenylierten C-Terminus des Rab-Proteins vor dem wässrigen Lösungsmittel schützt. Die Daten lassen darauf schließen, dass beide REP-Moleküle mit allen Rab-Proteinen interagieren können, einschließlich Rab27, das bei Choroideremia in unprenylierter Form vorliegt.

Um diese Hypothese zu überprüfen, haben die Wissenschaftler mit Hilfe einer Kombination aus organischer Synthese und Protein-Engineering fluoreszierende synthetische Rab-Proteine erzeugt. Diese Moleküle fungieren als „Leuchtsensoren“ für die Prenylierungsreaktion, d.h. ihre Fluoreszenz verändert sich in dem Moment, wenn das Rab-Protein modifiziert wird. Mit diesen maßgeschneiderten Molekülen waren die Wissenschaftler erstmals in der Lage, die Prenylierungsreaktion in Echtzeit aufzuzeichnen. Sie stellten fest, dass beide REP-Proteine die Prenylierung aller Rab-Proteine unterstützen, dass aber zu Rab27 die schwächste Affinität unter allen untersuchten Rab-Proteinen bestand. Unter Versuchsbedingungen, bei denen verschiedene Rab-Proteine vorhanden waren, REP-Proteine allerdings nur in begrenzter Menge vorlagen, hatte Rab27 die geringste Chance, prenyliert zu werden, was auf einen kompetitiven Verdrängungsmechanismus schließen lässt.

Diese Ergebnisse haben die Wissenschaftler in einem Modell zusammengeführt: Danach wird die Krankheit Choroideremia vermutlich durch eine reduzierte REP-Aktivität hervorgerufen, die aus einer verminderten Prenylierung von Rab27 im Vergleich zu den anderen Rab-Proteinen resultiert. Choroideremia könnte also geheilt werden, wenn man die Aktivität des verbleibenden REP-2 Protein erhöhen könnte. Dies aber wäre prinzipiell auch ohne Gentherapie möglich und liefert einen neuen Ansatz für die Behandlung von Choroideremia.

Dieses Projekt wurde unterstützt durch die Max-Planck-Gesellschaft, die Engelhorn-Stiftung, die Deutsche Forschungsgemeinschaft sowie die Volkswagen-Stiftung.

Weitere Informationen erhalten Sie von:

Prof. Roger S. Goody und Dr. Kirill Alexandrov
Max-Planck-Institut für molekulare Physiologie, Dortmund
Tel.: 0231 133-2300 und -2356
Fax: 0231 133-2399
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