DE102004025988A1 - Use of vanadyl compounds for the treatment of tumor diseases - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft die Verwendung von Vanadylverbindungen zur Behandlung von Tumorerkrankungen. DOLLAR A Grundlage der Erfindung ist eine Möglichkeit der Einflußnahme auf die Schalterregionen bestimmter Proteine zur gezielten Regulation von Signaltransduktionsprozessen. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf die Substitution des normalerweise Nikleotid-gebundenen Metallatoms Mg·2+· durch VO·2+· und den damit verbundenen Konformationsänderungen in den Schalterregionen der Superfamilie von "P-loop"-enthaltenden Mono-Nukleotidbindungsproteinen inklusive der wichtigen Familie der Guanosin-bindenden Proteine. Eine solche Substitution bietet eine Vielzahl von medizinischen Anwendungen, u. a. die Möglichkeit der Entwicklung von Onkogen Regulatoren zur Krebstherapie, kann aber möglicherweise auch in diversen anderen Feldern Anwendung finden.The invention relates to the use of vanadyl compounds for the treatment of tumor diseases. DOLLAR A basis of the invention is a way of influencing the switch regions of certain proteins for the targeted regulation of signal transduction processes. In particular, the invention relates to the substitution of the normally nickel-tide-bound metal atom Mg · 2 + by VO · 2 + and the associated conformational changes in the switch regions of the superfamily of P-loop-containing mono-nucleotide binding proteins, including the important family guanosine-binding proteins. Such a substitution offers a variety of medical applications, u. a. the possibility of developing oncogene regulators for cancer therapy, but may also be applicable in a variety of other fields.
Description
Feld der ErfindungField of the invention
Diese Erfindung bezieht sich ganz generell auf das Feld der medizinisch-pharmazeutischen anorganischen Biochemie mit entscheidenden Implikationen für de novo Therapieanwendungen insbesondere Krebstherapie.These This invention relates generally to the medical-pharmaceutical field inorganic biochemistry with decisive implications for de novo Therapy applications, in particular cancer therapy.
KurzzusammenfassungQuick Facts
Grundlage der Erfindung ist eine Möglichkeit der Einflußnahme auf die Schalterregionen bestimmter Proteine zur gezielten Regulation von Signaltransduktionsprozessen. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf die Substitution des normalerweise Nukleotid-gebundenen Metallatoms Mg2+ durch VO2+ und den damit verbundenen Konformationsänderungen in den Schalterregionen der Superfamilie von "P-loop"-enthaltenden Mono-Nukleotidbindungsproteinen inklusive der wichtigen Familie der Guanosin-bindenden Proteine. Eine solche Substitution bietet eine Vielzahl von medizinischen Anwendungen, u.a. die Möglichkeit der Entwicklung von Onkogen Regulatoren zur Krebstherapie, kann aber möglicherweise auch in diversen anderen Feldern Anwendung finden.The basis of the invention is a possibility of influencing the switch regions of specific proteins for the targeted regulation of signal transduction processes. In particular, the invention relates to the substitution of the normally nucleotide-bound metal atom Mg 2+ by VO 2+ and the associated conformational changes in the switch regions of the superfamily of "P-loop" -containing mononucleotide binding proteins including the important family of guanosine binding proteins. Such substitution offers a variety of medical applications, including the possibility of developing oncogene regulators for cancer therapy, but may also find application in a variety of other fields.
Als sogenannte 'klassische' Mono-Nukleotidbindungsproteine (MNBPs) sollen im Folgenden, regulatorische Hydrolasen bezeichnet werden, die sich durch das Vorhandensein von ganz charakteristischen strukturellen Merkmalen in der Primär-, Sekundär und Tertiärstruktur der Nukleotidbindungstasche bzw. Faltung auszeichnen (siehe hierzu beispielweise die Übersichtsartikel: Walker et al., 1982; Bourne et al., 1991; Kjeldgaard et al., 1996), welches auch als eine gemeinsame GTP/ATP-Bindungstopologie bezeichnet werden kann. Die Homologie der Proteine äußert sich durch die Gegenwart einer an Glyzin-reichen Domäne mit einer in all diesen Proteinen hoch-konservierten Aminosäuresequenz der Form G·X·X·X·X·G·K·[S/T] (wobei X eine beliebige Aminosäure ist und die übrigen Zeichen die gebräuchliche einbuchstabige Nomenklatur der Aminosäuren darstellt), auch bekannt als Walker Motiv A (Walker et al., 1982), die Teil einer Tertiärstruktur ist, die auch als "P-loop" (Phosphatbindungs-'loop'), manchmal auch als G-1 Box bezeichnet wird. Dies ist eine Bindungsregion die alle klassischen' MNBPs besitzen, und somit können besagte MNBPs auch als eine "P-loop"-besitzende Superfamilie von regulatorischen Nukleotidtriphosphat (NTP)-Hydrolasen angesehen werden (Saraste et al., 1990). All diesen Proteinen gemeinsam ist, daß sie als molekulare Schalter agieren. Insgesamt kann die Superfamilie, auf die sich hier bezogen wird, charakterisiert werden dadurch, daß sie 1. ein "P-loop" (Walker A) Motiv besitzt, 2. eine Schalter I Region und 3. eine Schalter II Region (Walker Motiv II) und somit eine große Homologie der "active-site" was auch die funktionelle Ähnlichkeit ausmacht.When so-called 'classic' mono-nucleotide binding proteins (MNBPs) are referred to below as regulatory hydrolases be characterized by the presence of quite characteristic structural features in the primary, secondary and tertiary structure of the nucleotide binding pocket or Distinguish folding (see for example the review article: Walker et al., 1982; Bourne et al., 1991; Kjeldgaard et al., 1996), which is also referred to as a common GTP / ATP binding topology can. The homology of the proteins is expressed by the presence a glycine-rich domain with an amino acid sequence highly conserved in all of these proteins of the form G × X × X × X × G × K × S / T (where X is any amino acid is and the rest Sign the usual one-letter Nomenclature of amino acids also known as Walker motif A (Walker et al., 1982), the part of a tertiary structure which is also known as "P-loop" (phosphate binding 'loops'), sometimes called G-1 box is called. This is a binding region that has all the classic 'MNBPs, and thus can said MNBPs also as a "P-loop" -owned superfamily of regulatory nucleotide triphosphate (NTP) hydrolases (Saraste et al., 1990). All these proteins are common, that she act as molecular switches. Overall, the superfamily, to which reference is hereby characterized by that she 1. a "P-loop" (Walker A) motif owns, 2. a switch I region and 3. a switch II region (Walker motif II) and thus a great homology of the "active-site" which also the functional similarity accounts.
Eine große und wichtige Unterfamilie dieser MNBPs sind die G-Proteine; dies sind Proteine die Guanosin 5'-Triphosphat (GTP) binden und sogenannte regulatorische Schalterfunktionen wahrnehmen, die unten eingehend beschrieben werden. Diese umfassen im wesentlichen die Ras-ähnlichen Proteine, wie beispielsweise die kleinen monomeren GTPasen wie Rab, Rap1, Rap2, TC21, Ran, Ral, Rheb, Arf, Arl etc. und neuerdings muß wohl auch noch die β-Untereinheit der kürzlich identifizierten Signalerkennungspartikel-Rezeptoren SRβ dazugezählt werden; ferner die Ras-Homologe (RHO) wie Rho, Rac, Cdc42 etc., aber auch andere Proteine wie die Translations-Elongationsfaktoren EF-Tu, EF-G und EF-T oder Proteine der Familie der heterotrimeren G-Proteine mit der homologen Gα-Untereinheit. All diesen Proteinen ist gemein, daß sie kritische GTP hydrolyseinduzierte Konformationsänderungen durchmachen. Das nifH Genprodukt welches das Nitrogenase Fe-Protein kodiert ist ein weiteres Protein das eine Nukleotidbindungsfaltung wie die G-Proteine besitzt, das allerdings im Gegensatz zu den G-Proteinen ATP bindet und hydrolysiert aber zur gleichen Superfamilie von "P-loop"-enthaltenden Nukleotidtriphosphat-Hydrolasen gezählt wird.A large and important subfamily of these MNBPs are the G proteins; these are proteins that bind guanosine 5'-triphosphate (GTP) and perform so-called regulatory switch functions, which are described in detail below. These include essentially the Ras-like proteins, such as the small monomeric GTPases such as Rab, Rap1, Rap2, TC21, Ran, Ral, Rheb, Arf, Arl, etc. and more recently probably the β-subunit of the recently identified signal recognition particles -Rezeptoren SRβ be counted; the Ras homologues (RHO) such as Rho, Rac, Cdc42 etc., but also other proteins such as the translation elongation factors EF-Tu, EF-G and EF-T or proteins of the family of heterotrimeric G proteins with the homologous G α subunit. All these proteins have in common that they undergo critical GTP hydrolysis-induced conformational changes. The nifH gene product encoding the nitrogenase Fe protein is another protein that has a nucleotide-binding fold like the G proteins, but unlike the G proteins binds ATP and hydrolyzes to the same superfamily of "P-loop" -containing nucleotide triphosphate -Hydrolasen is counted.
Ein Vertreter der menschlichen Ras-Proteine ist das ras proto-Onkogenprodukt p21. Im Folgenden soll p21ras stellvertretend für 'klassische' MNBPs näher beschrieben werden, da dies das Schlüsselprotein war, dessen Schalterfunktion erstmals kristallographisch mittels Röntgenstrukturanalyse detailliert, d.h. im GDP- und GTP-gebundenen Zustand und auch als Heteroproteinkomplexe mit Regulatoroder Effektorproteinen, untersucht wurde und resultierende Funktionsmechanismen eingehend strukturell analysiert wurden.A representative of the human ras proteins is the ras proto-oncogene product p21. In the following, p21 ras is described in more detail as a representative of 'classical' MNBPs, as this was the key protein whose switch function was first studied crystallographically by X-ray crystallography, ie in the GDP- and GTP-bound state and also as heteroprotein complexes with regulator or effector proteins Functional mechanisms were analyzed in detail structurally.
p21 ras : Eines der identifizierten proto-Onkogene ist das ras-Gen. Es existieren verschiedene ras-Gene (abgeleitet von Rattensarkoma) deren geläufigste Vertreter mit ungefähr 85 % Sequenzidentität als H-ras, K-ras und N-ras bezeichnet werden und die zusammengefaßt werden als p21ras-Genprodukte. Selbst in der Untergruppe der Ras- und Ras-ähnlichen Proteine bestehend aus M-Ras, R-Ras, Rap und Ral besitzen diese immer noch eine Aminosäureidentität von 40-50 %. Das monomere menschliche ras-Genprodukt p21, welches im Folgenden als p21ras oder nur als Ras bezeichnet wird, ist ein membran-assoziiertes Signaltransduktionsprotein. Besagte GTPase wirkt als binärer Schalter, der zwischen dem aktiven "An"-(GTP-gebundenen) und dem inaktiven "Aus"-(GDP-gebundenen) Zustand zirkuliert. Dieser elementare Schaltmechanismus gilt nicht nur für Ras, sondern liegt allen hier erwähnten Proteinfamilien zugrunde. Nur die GTP-gebundene, aktive Konformation erlaubt Ras multiple stromabwärtsgelegene Effektoren zu binden und zu aktivieren. Dieser aktive Zustand initiiert in eukaryotischen Zellen mittels der Effektormoleküle u.a. eine Kaskade von "mitogen-activated-protein-kinase" (MAPK)-Schritten, die via diverser Phosphorylationsreaktionen ein Signal zum Zellkern transmittieren mittels Aktivierung von "extracellular signal-regulating kinases" ERKs. Als solches stellt p21 ras eine zentrale Komponente in der Signaltransduktionskette dar, die primär für Prozesse wie Zellwachstum und Zellproliferation, Differenzierung und Überleben verantwortlich ist.p21 ras: One of the identified proto-oncogenes is the ras gene. There are several ras genes (derived from rat sarcoma) whose most common representatives are termed about 85% sequence identity as H-ras, K-ras and N-ras, and which are grouped together as p21 ras gene products. Even in the subset of Ras and Ras-like proteins consisting of M-Ras, R-Ras, Rap and Ral, these still have an amino acid identity of 40-50%. The monomeric human ras gene product p21, which is referred to below as p21 ras or only as Ras, is a membrane-associated signal transduction protein. Said GTPase acts as a binary switch which switches between the active "on" (GTP bound) and inactive "off" (GDP bound) states sunk. This elementary switching mechanism does not only apply to Ras, but is based on all the protein families mentioned here. Only the GTP-bound active conformation allows Ras to bind and activate multiple downstream effectors. This active state initiates in eukaryotic cells by means of the effector molecules, inter alia, a cascade of "mitogen activated protein kinase" (MAPK) steps, which transmit a signal to the nucleus via various phosphorylation reactions by activating "extracellular signal-regulating kinases" ERKs. As such, p21 ras represents a central component in the signal transduction chain that is primarily responsible for processes such as cell growth and proliferation, differentiation and survival.
Das p21ras-Genprodukt ist sowohl im GDP-gebundenen als auch im GTP-gebundenen Zustand durch Röntgenstrukturanalyse untersucht worden (DeVos et al., 1988; Pai et al.; 1989; Pai et al., 1990; Milburn et al., 1990; Tong et al., 1991), so daß strukturelle Konformationsänderungen relativ gut verstanden sind. Die onkogene, mutierte Transformation ist ebenfalls kristallographisch charakterisiert worden (Krengel, 1990; Tong et al., 1991; Franken et al., 1993). Trotz der genauen Kenntnisse der p21ras Strukturen beschränkt sich herkömmliche onkologische Forschung, in Bezug auf Inhibitordesign, weitgehend auf vorhergehende oder stromabwärts gelegene Schritte in der Ras-abhängigen Signaltransduktionskette (siehe z.B. Adjei, 2001). Beispiele hierfür sind jeweils der Farnesylationsschritt der Farnesyltransferase (Kohl et al., 1994; Park et al., 1997; Long et al., 2002) oder die MEK-Blockade durch Verbindungen wie 2-(2-Chloro-4-Iodo-phenylamino)-N-Cyclopropylmethoxy-3,4-difluoro-Benzamid (Sebold-Leopold et al., 1999). Der Ras-gesteuerte Signalübertragungsweg ist allerdings nicht nur bei karzinogenen Transformationen beteiligt sondern kann eine Vielzahl von Prozessen steuern.The p21 ras gene product has been examined by both X-ray and GTP-bound conditions by X-ray diffraction analysis (DeVos et al., 1988; Pai et al., 1989; Pai et al., 1990; Milburn et al., 1990 Tong et al., 1991), so that structural conformational changes are relatively well understood. The oncogenic mutant transformation has also been characterized crystallographically (Krengel, 1990, Tong et al., 1991, Franken et al., 1993). Despite the precise knowledge of p21 ras structures, conventional oncological research, with respect to inhibitor design, is largely limited to preceding or downstream steps in the Ras-dependent signal transduction chain (see, eg, Adjei, 2001). Examples include the farnesylation step of farnesyl transferase (Kohl et al., 1994, Park et al., 1997, Long et al., 2002) or MEK blockade by compounds such as 2- (2-chloro-4-iodo-phenylamino ) -N-cyclopropylmethoxy-3,4-difluoro-benzamide (Sebold-Leopold et al., 1999). However, the Ras-driven signal transduction pathway is not only involved in carcinogenic transformations but can control a variety of processes.
0 Ohne externe Aktivierung liegt Ras primär im inaktiven Zustand vor, da GDP fest gebunden ist und die Dissoziationsrate entsprechend gering ist. Aktivierung von Ras geschieht, wenn das GDP-gebundene Ras-Protein von sogenannten "guanine-nucleotide exchange faktors" (GEFs) gebunden wird, die die Dissoziation bzw. den Austausch des Nukleotids beschleunigen. Da in der Zelle sehr viel mehr GTP als GDP vorhanden ist wird Ras hauptsächlich GTP binden und somit in den aktiven Zustand versetzt.0 Without external activation, Ras is primarily in the inactive state since GDP is tightly bound and the dissociation rate corresponding is low. Activation of Ras happens when the GDP-bound Ras protein from so-called "guanine nucleotide exchange Factors "(GEFs) which is the dissociation or exchange of the nucleotide accelerate. Because there is much more GTP than GDP in the cell Ras is mainly GTP bind and thus put into the active state.
GEFs
wirken als positive Regulatoren von Ras (und auch ganz generell
für die
gesamte hier beschriebene Klasse von NBPs), während "GTPase-activating proteins" (GAPs), die bevorzugt
mit der aktiven (GTP-gebundenen) Form wechselwirken, entweder als
Effektoren der Ras-Funktion agieren oder dessen negativem Regulator.
Der Austausch der Guanosin-Nukleotide wird stimuliert durch GEFs, wie
Sos oder Cdc24, die die Dissoziationsrate des Nukleotids beschleunigen
und wird inhibiert durch "guanine-nucleotide
dissociation inhibitors" (GDIs). Das
bedeutet, daß die
Ras Aktivierung moduliert wird durch die lokale Balance von GEFs
und GAPs. Dies ist in
In der aktiven GTP-gebundenen Konformation überträgt Ras ein Signal an ein Effektormolekül welches u.a. zu Zellwachstum und Proliferation, aber auch Apoptose führen kann. Die Wechselwirkung von p21ras mit seinem Effektor Raf aktiviert eine ganze Kinase-Kaskade (MAPK-Signalübertragungsweg). Außer dem MAPK-abhängigen Übertragungsweg existiert auch ein MAPK-unabängiger Übertragungsweg der Ras-induzierte zellulare Reaktionen vermittelt und letzlich verschiedenartige Transkriptionsfaktoren kontrolliert. Die Ets, c-Myc und c-Jun Proteine sind solche Ras-abhängigen Transkriptionsfaktoren die nötig sind für zellulare Transformationen in vitro und in vivo. Der nukleare Transkriptionsfaktor κB (NF-κB) wird aktiviert im Fall von onkogenem Ras was in Verbindung gebracht wtrd mit der Protektion vor Apoptose. Phosphoinositid 3-Kinase (PI3-K) ist neben Raf ein anderer direkter Ras-Effektor dessen γ-Einheit im Komplex mit Ras ebenfalls röntgenkristallographisch eingehend charakterisiert wurde (Pacold et al., 2000). Dieser Effektor aktiviert die Serin/Threonin-Kinase Akt, auch bekannt als Proteinkinase B (PKB), die ebenfalls bei der Protektion vor Apoptose eine Rolle spielt.In the active GTP-bound conformation, Ras transmits a signal to an effector molecule, which can lead to cell growth and proliferation as well as apoptosis. The interaction of p21 ras with its effector Raf activates an entire kinase cascade (MAPK signaling pathway). In addition to the MAPK-dependent transmission pathway, there is also a MAPK-independent pathway that mediates Ras-induced cellular responses and ultimately controls diverse transcription factors. The Ets, c-Myc and c-Jun proteins are those Ras-dependent transcription factors necessary for cellular transformations in vitro and in vivo. The nuclear transcription factor κB (NF-κB) is activated in the case of oncogenic Ras, which is associated with protection against apoptosis. Phosphoinositide 3-kinase (PI3-K) is, in addition to Raf, another direct Ras effector whose γ unit in complex with Ras has also been thoroughly characterized by X-ray crystallography (Pacold et al., 2000). This effector activates the serine / threonine kinase Akt, also known as protein kinase B (PKB), which also plays a role in protection against apoptosis.
Herkömmlicherweise wurde angenommen, daß das Ras-Protein nur aktiv ist an der äußeren Plasmamembran. Jüngst haben sich die Hinweise verdichtet, daß zumindest H-Ras nicht nur als plasmamembran-assoziierte Komponente wirkt, sondern auch an innerzellularen Membranen, wie der Membran des endoplasmatischen Retikulums, der Endosommembran und des Golgiapparates, zu den Signaltransduktionsprozessen beiträgt (Bivona et al., 2003). Durch diesen neuen Signaltransduktionswege würde Ras eine überraschend multifunktionelle Rolle zukommen, was diesem Protein eine weitaus bedeutendere Schlüsselfunktion, als ohnehin angenommen, zuweist.traditionally, it was assumed that the Ras protein is only active on the outer plasma membrane. Recently the evidence condenses that at least H-Ras not only as a plasma membrane-associated component acts, but also on intracellular membranes, such as the endoplasmic membrane Reticulum, the endosome membrane and the Golgiapparates, to the signal transduction processes contributes (Bivona et al., 2003). Through these new signal transduction pathways, Ras a surprise multifunctional role, giving this protein a far more important key function, as already accepted, assigns.
Die
(De)Phosphorylierung des gebundenen Nukleotids führt zu erheblichen Konformationsänderungen
des Proteins wie in
Die
Nukleotidbindungsumgebung in diesen Regionen ist charakterisiert
durch hochkonservierte Aminosäuresequenzen
die sowohl Residuen beinhalten, die für die Nukleotidbindung wichtig
sind als auch Liganden des Nukleotid-koordinierenden Metallatoms
darstellen. Diese Regionen sind weiter unten noch näher beschrieben.
Eine schematische Darstellung der Mg2+-Koordinationsstrukturen
für die
GDP- und GTP-gebundene Konformation von p21ras ist
in
Dies verdeutlicht, daß dem divalenten nukleotidgebundenen Metallatom eine zentrale Rolle in der Ras-induzierten Signaltransduktionskette zukommt, da dieses maßgeblich zu den koordinationsbedingten Konformationsänderungen beiträgt. Diese Interpretation wird u.a. gestützt durch die vermeintlichen Wirkungsmechanismen von GEF's, die den gesteigerten Nukleotidaustausch dadurch bewerkstelligen; daß die Nukleotid Mg2+-Bindung blockiert wird durch die Verdrängung der Residuen die gewöhnlich das Metallatom und die terminale Phosphatgruppe koordinieren (speziell die, der Schalter I Region) und der Einführung von hydrophoben und azidischen Residuen, was entscheidend zu der Schwächung der Nukleotidbindung führt. Somit kommt dem Metallatom, daß erheblich zur Stärke der Nukleotidbindung beiträgt, eine Schlüsselposition in den Regulationsmechanismen von G-Proteinen zu.This shows that the divalent nucleotide-bound metal atom plays a central role in the Ras-induced signal transduction chain, since this contributes significantly to the coordination-related conformational changes. This interpretation is supported, inter alia, by the supposed mechanisms of action of GEFs, which accomplish the increased nucleotide exchange thereby; that the nucleotide Mg 2+ binding is blocked by the displacement of the residues that usually coordinate the metal atom and the terminal phosphate group (specifically, the switch I region) and the introduction of hydrophobic and acidic residues, which leads to the weakening of the nucleotide bond , Thus, the metal atom, which contributes significantly to the strength of nucleotide binding, has a key position in the regulatory mechanisms of G proteins.
Die oben für p21ras beschriebenen Charakteristika der Tertiärstrukur des katalytischen Kerns, der sogenannten Nukleotidbindungsfaltung sind im wesentlichen in allen G-Proteinen wiederzufinden. Allerdings können offensichtlich schon geringfügige sterische Veränderungen zu signifikanten Änderungen von Faktoren wie der Nukleotid-Dissoziationsrate führen.The characteristics described above for p21 ras of the tertiary structure of the catalytic nucleus, the so-called nucleotide binding folding, can essentially be found in all G proteins. However, even slight steric changes can obviously lead to significant changes in factors such as the nucleotide dissociation rate.
Abgesehen von den bereits oben erwähnten Möglichkeiten zur Einflußnahme auf die Ras-abhängige Signaltransduktionskette existieren zur Zeit eine Reihe weiterer Ansätze zur direkten Modifikation von onkogenem p21ras, dies ist (1) der Vorschlag des Gebrauchs des non-steroidalen antiinflammatorischen Mittels (NSAID) Sulindac Sulfid (Herrmann et al., 1998), (2) der Ersatz von Guanosin 5'-Triphosphat durch Diaminobenzophenon-phosphoroamidat-GTP (DABP-GTP) und ähnliche Verbindungen, die die Nukleotidbindungstasche modifizieren (Ahmadian et al., 1999) und (3) die Entwicklung von Peptiden, die ähnlich des Argininfingers im GAP-Mechanismus, ein Arginin-ähnliches Residuum zur Hydrolysestimulation beitragen (Scheffzek et al., 1996; Scheffzek et al., 1997; Scheffzek et al., 1998a). Die Röntgenstrukturanalyse des Ras·p120GAP Komplexes hat gezeigt, daß Aminosäuren sowohl der Schalter I als auch die Schalter II Region von Ras zahlreiche Interaktionen mit entsprechenden Aminosäuren von GAP machen. Die signifikantesten strukturellen Modifikationen sind in der Schalter II Region zu beobachten so ist z.B. diese sehr mobile, hypervariable Region in Ras wohl definiert im Ras·RasGAP Komplex. Wichtig an dieser Stelle ist auch zu bemerken, daß der Gebrauchs eines Argininfingers zur Stimulation der Hydrolyserate nicht auf Ras beschränkt ist, sondern als allgemeiner Mechanismus vieler der hier erwähnten Proteinfamilien zugrunde liegt. Auf der anderen Seite hat der Ersatz von Guanosin 5'- Triphosphat gezeigt, daß die Rate der Hydrolysestimulation auch durch eine zusätzliche funktionale Gruppe wie beispielsweise eine 3,4-Diaminobenzophenon-Phosphonoamidatgruppe am terminalen Phosphat von GTP erheblich gesteigert werden kann. Sulindac Sulfid bindet Ras hingegen direkt in einer non-kovalenten Art und Weise mit der Folge, daß die p21ras Bindungsdomäne mit Raf zu inhibieren scheint, was ebenfalls angeblich auch den Nukleotid-Austausch mit CDC25 beeinträchtigt sowie die Beschleunigung der Hydrolyse durch p120GAP. Die molekulare Bindungsposition und Geometrie von Sulindac Sulfid ist hingegen unbekannt. Ein weiterer Ansatz, der weiter unten näher beschrieben wird, ist der Ersatz des nukleotidgebundenen Mg2+-Ions durch Mn2+ (Schweins et al., 1997).Apart from the possibilities already mentioned above for influencing the Ras-dependent signal transduction chain, there are currently a number of further approaches for the direct modification of oncogenic p21 ras , which is (1) the proposal of the use of the non-steroidal anti-inflammatory agent (NSAID) sulindac sulfide (Herrmann et al., 1998), (2) the replacement of guanosine 5'-triphosphate with diaminobenzophenone-phosphoroamidate GTP (DABP-GTP) and similar compounds that modify the nucleotide binding pocket (Ahmadian et al., 1999) and (3 ) the development of peptides that, similar to the arginine finger in the GAP mechanism, contribute to an arginine-like residue for hydrolysis stimulation (Scheffzek et al., 1996, Scheffzek et al., 1997, Scheffzek et al., 1998a). X-ray diffraction analysis of the Ras · p120 GAP complex has shown that amino acids of both switch I and switch II regions of Ras make numerous interactions with corresponding amino acids of GAP. The most significant structural modifications are to be observed in the switch II region, eg this very mobile, hypervariable region in Ras is well defined in the Ras · RasGAP complex. It is also important to note at this point that the use of an arginine finger to stimulate the rate of hydrolysis is not limited to Ras but is the underlying mechanism of many of the protein families mentioned herein. On the other hand, the replacement of guanosine 5'-triphosphate has shown that the rate of hydrolysis stimulation can also be significantly increased by an additional functional group such as a 3,4-diaminobenzophenone phosphonoamidate group on the terminal phosphate of GTP. By contrast, sulindac sulfide binds Ras directly in a non-covalent fashion, with the result that the p21 ras binding domain appears to inhibit with Raf, which also allegedly interferes with nucleotide exchange with CDC25 and acceleration of hydrolysis by p120GAP. The molecular bonding position and geometry of sulindac sulfide, however, is unknown. Another approach, described in more detail below, is the replacement of the nucleotide-bound Mg 2+ ion by Mn 2+ (Schweins et al., 1997).
2. Zusammenfassung der Erfindung2. Summary the invention
Signaltransduktionsprozesse, die von der Norm abweichen, sind Ursache für die Entstehung einer Vielzahl von Krankheiten. Wichtige Komponenten dieser Prozesse stellen bestimmte Guanosin-bindende (und teilweise auch Adenosin-bindende) Proteine dar. Die Konformation dieser Proteine wird maßgeblich bestimmt durch strukturelle Umordnungen in zwei flexiblen Domänen, den sogenannten Schalter I und II Regionen was die Interaktionen mit Regulator- und Effektormolekülen reguliert. Entscheidend für die Konformation ist das Nukleotid, daß in Gegenwart eines divalenten Metallions, normalerweise Mg2+, gebunden ist. Die Patentanmeldung bezieht sich auf den Gebrauch des Übergangsmetalles Oxo-Vanadium(IV) oder Vanadyl als Modulator der im katalytischen Kern enthaltenen Schalterregionen der charakteristischen Superfamilie von 'klassischen' "P-loop"-enthaltenden GTPasen und ATPasen. Diese GTPasen und ATPasen zeichnen sich dadurch aus, daß sie eine große Homologie der Metall-Nukleotidbindungsfaltung besitzen. Die Substitution des nukleotidgebundenen Mg2+-Kations durch VO2+ führt zu entscheidenden Veränderungen der Ligandenstruktur dieser nukleotidbindenden Hydrolasen, die die für zellulare Signaltransduktion essentiellen Schalter I und Schalter II Regionen maßgeblich beeinfloßt. Somit ist VO2+ in der Lage die Nukleotidbindungsfaltung derart zu modifizieren, daß hiermit die kritischen Schalterregionen moduliert (reguliert) werden können. Diese Tatsache hat wichtige Auswirkungen insbesondere auf die Interaktionen besagter GTPasen und ATPasen mit Effektorproteinen aber auch Regulatorproteinen, wie den Guanosin-Austauschfaktoren, die sehr empfindlich auf Umordnungen in den Schalterregionen reagieren. Insbesondere hat eine solche Modifikation der "inner-sphere" Metall-Koordinationsstruktur für die Modulation des Ras Onkogenprodukt p21ras und der damit verbundenen Signaltransduktionskette entscheidende Einfluß.Signal transduction processes that deviate from the norm are the cause of a variety of diseases. Key components of these processes are certain guanosine-binding (and sometimes adenosine-binding) proteins. The conformation of these proteins is largely determined by structural rearrangements in two flexible domains, the so-called switch I and II regions, which interact with regulatory and effector molecules regulated. Decisive for the conformation is the nucleotide that is bound in the presence of a divalent metal ion, usually Mg 2+ . The patent application relates to the use of the transition metal oxo-vanadium (IV) or vanadyl as a modulator of the switch family of the characteristic superfamily of 'classical' P-loop GTPases and ATPases contained in the catalytic core. These GTPases and ATPases are characterized by having a large homology of metal nucleotide binding fold. Substitution of the nucleotide-bound Mg 2+ cation by VO 2+ leads to significant changes in the ligand structure of these nucleotide-binding hydrolases, which decisively influences the switches I and switch II regions, which are essential for cellular signal transduction. Thus, VO 2+ is able to modify the nucleotide binding fold such that it can modulate (control) the critical switch regions. This fact has important implications, in particular for the interactions of said GTPases and ATPases with effector proteins but also regulatory proteins, such as the guanosine exchange factors, which are very sensitive to rearrangements in the switch regions. In particular, such a modification of the "inner-sphere" metal coordination structure has a decisive influence on the modulation of the Ras oncogene product p21 ras and the associated signal transduction chain.
3. Detaillierte Beschreibung der Erfindung3. Detailed Description of the invention
Die Erfindung bezieht sich auf eine Methode, die direkt auf die Schalterregionen bestimmter GTPasen und ATPasen Einfluß nehmen kann. Eine solche Beeinflussung der Schalterregionen, die bisher noch nicht möglich war ohne Änderungen der Aminosäuresequenzen besagter Regionen, ist der direkteste Ansatz zur Kontrolle stromabwärtsgelegener und teilweise GTPase/ATPase kontrollierender Proteinprozesse was u.a. direkt Einfluß auf den Ras-aktivierten Signalübertragungsweg nehmen kann.The The invention relates to a method that directly relates to the switch regions certain GTPases and ATPases can influence. Such an influence the switch regions, which was previously not possible without changes the amino acid sequences of these regions, is the most straightforward approach to controlling downstream and partially GTPase / ATPase controlling protein processes et al directly influence the Ras-enabled signal transmission path can take.
Nitrogenase
Fe-Protein: Wie Ras gehört auch
das Nitrogenase Fe-Protein zur gleichen Superfamilie von "P-loop"-enthaltenden Nukleotidtriphosphat-Hydrolasen.
Die Aminosäure-Sequenzhomologie
und die Ähnlichkeit
der Tertiärstrukturen
zwischen dem ATP-bindenden Fe-Protein und anderen 'klassischen' MNBPs, und besonders
den Ras-ähnlichen GTP-bindenden
Proteinen speziell in Bezug auf die "active-site"-Topologie, wurden bereits in diversen Publikationen
erwähnt
(Georgiadis et al., 1992; Howard, 1993; Rees et al., 1993; Howard & Rees, 1994; Howard & Rees, 1996; Burgess & Lowe, 1996; Rees & Howard, 1999;
Vetter & Wittinghofer,
1999; Jang et al., 2000), d.h. das die Walker-Sequenzmotive auch im
Fe-Protein beobachtet werden, so daß ähnliche Funktionsprinzipien
auch für
das Fe-Protein gelten. Ein
Sequenzvergleich der entscheidenden Nukleotidbindungsregionen für p2lras
und den Nitrogenase Fe-Proteinen von zwei verschiedenen Organismen ist
in
Das Nitrogenase Fe-Protein ist eines von zwei Proteinen, die die minimale funktionale Einheit bestimmter Mikroorganismen zur Katalyse von N2 zu NH3 darstellen. Das Fe-Protein dient hierbei als ein spezifischer Elektronendonor für das Nitrogenase MoFe-Protein, daß das katalytische Zentrum beherbergt. Das Fe-Protein ist ein γ2-Homodimer, und wirkt als natürliches Reduktionsmittel des MoFe-Protein, nötig um Distickstoff zu fixieren. Jedes der beiden Fe-Protein Untereinheiten bindet ein Adenosin-Nukleotidmolekül. Die Hydrolyse von MgATP zu MgADP führt zu erheblichen Konformationsänderungen, die bisher für gewöhnlich nur indirekt durch Veränderungen der Eigenschaften des im Fe-Protein enthaltenen [4Fe-4S]-Clusters beachtet werden konnten (siehe: Burgess & Lowe, 1996).The nitrogenase Fe protein is one of two proteins that represent the minimal functional unit of certain microorganisms to catalyze N 2 into NH 3 . The Fe protein serves as a specific electron donor for the nitrogenase MoFe protein harboring the catalytic center. The Fe protein is a γ 2 -Homodimer, and acts as a natural reducing agent of the MoFe protein, necessary to fix dinitrogen. Each of the two Fe protein subunits binds an adenosine nucleotide molecule. The hydrolysis of MgATP into MgADP leads to considerable conformational changes, which until now have been observed only indirectly through changes in the properties of the [4Fe-4S] cluster contained in the Fe protein (see: Burgess & Lowe, 1996).
Eine andere wichtige Parallele zwischen den beiden besagten Proteine ist das Aluminiumfluorid (AlFx-Bindungsverhalten. AlFx wird gewöhnlich als eine Verbindung angesehen, die den Übergangszustand bei der Hydrolyse repräsentiert, wobei AlFx die terminale Phosphatgruppe des pentakoordinierten triphosphat-gebundenenen Zustands mimikt in inhibitorischen Komplexen mit GDP oder ADP (Chabre, 1990). Interessanterweise bindet Ras (Mittal et al., 1996) und Ras-verwandte Proteine (Kahn, 1991) AlFx nur im Beisein von GAP. Ein ganz ähnliches Verhalten ist auch für Nitrogenase bekannt. Hier bilden sogar unter "turn-over" Konditionen die individuellen Nitrogenase Proteinkomponenten keine stabilen AlFx Nukleotidkomplexe (Renner & Howard, 1996; Duyvis et al., 1996). Dies ist ein weiteres Indiz, daß sich die beiden Metall-Nukleotidbindungsumgebungen fast identisch verhalten da selbst die intermediären Übergangszustände eine hohe Homologie zeigen.Another important parallel between the two said proteins is the aluminum fluoride (AlF x -bonding behavior). AlF x is usually considered to be a compound that represents the transition state in hydrolysis, with AlF x being the terminal phosphate group of the pentacoordinate triphosphate-bound state mimict in inhibitory Interestingly, Ras (Mittal et al., 1996) and Ras-related proteins (Kahn, 1991) bind AlF x only in the presence of GAP th is also known for nitrogenase. Here, even under "turn-over" conditions, the individual nitrogenase protein components do not form stable AlF x nucleotide complexes (Renner & Howard, 1996, Duyvis et al., 1996). This is another indication that the two metal nucleotide binding environments behave almost identically because even the intermediate transition states show high homology.
Eine weitere Ähnlichkeit zwischen dem Nitrogenase Fe-Protein und Ras ist auch die Stimulation der ATPase bzw. GTPase Aktivität durch andere Proteine. Im Falle des Fe-Proteins ist dies das MoFe-Protein wie für p21ras die GAPs, mit dem Unterschied, daß das Fe-Protein trotz der Bindung von MgATP keine oder vernachlässigbare intrinsische ATPase Aktivität besitzt in Abwesenheit vom MoFe-Protein, im Gegensatz zu der nicht unbedeutenden intrinsischen Aktivität von Ras ohne GAPs. Dies gab zu der Spekulation Anlaß, daß das MoFe-Protein entweder direkt zur MgATP Hydrolyse beiträgt indem es eine katalytische Gruppe stellt (was ähnlich zum Argininfinger von GAP im p21ras·RasGAP Komplex wäre) oder das es einer Konformationsänderung bedarf damit eine solche katalytische Gruppe in die richtige Position oder Orientierung gebracht wird um die Hydrolysereaktion einzuleiten (Burgess & Lowe, 1996).Another similarity between the nitrogenase Fe protein and Ras is the stimulation of ATPase or GTPase activity by other proteins. In the case of the Fe protein this is the MoFe protein as for p21 ras the GAPs, with the difference that despite the binding of MgATP the Fe protein has no or negligible intrinsic ATPase activity in the absence of the MoFe protein as opposed to the not insignificant intrinsic activity of Ras without GAPs. This gave rise to the speculation that the MoFe protein either contributes directly to MgATP hydrolysis by providing a catalytic group (which would be similar to the arginine finger of GAP in the p21 ras · RasGAP complex) or that it requires a conformational change with such a catalytic group placed in the correct position or orientation to initiate the hydrolysis reaction (Burgess & Lowe, 1996).
Es
gibt allerdings auch einige wenige Punkte die erwähnt werden
müssen
die unterschiedlich sind und die Nukleotidbindungstasche betreffen,
so ist eines der beiden "β-sheets" im Fe-Protein antiparallel zur
Richtung die es für
p21ras besitzt (
Die
Röntgenkristallstrukturen
für das
Fe-Protein von Azotobacter vinelandii und die des menschliche p21ras Proteins, die die Ähnlichkeit der Proteine verdeutlichen,
ist in
Mitglieder der Ras-Proteinfamilie waren die ersten Schalterproteine, die nicht nur röntgenstrukturmäßig sondern auch spektroskopisch mittels magnetischer Resonanztechniken im ADP- und ATP-gebundenen Zustand untersucht wurden durch Substitution des nukleotidgebundenen Metallatoms, wobei die Röntgenstruktur sowohl mit Mg2+ und Mn2+ an der Nukleotidbindungsstelle analysiert wurde (Schweins et al., 1997). Die andere Methode kann hingegen, vom Prinzip her, nur mit paramagnetischen Metallzentren studiert werden. In Verbindung mit p21ras sind bis zu diesem Zeitpunkt außer Mn2+ noch keine anderen paramagnetischen Metallionen für die spektroskopische Charakterisierung benutzt worden.Members of the Ras protein family were the first switch proteins to be investigated not only by X-ray structure but also spectroscopically by magnetic resonance techniques in the ADP and ATP-bound states by substitution of the nucleotide-bound metal atom, with X-ray diffraction with both Mg 2+ and Mn 2+ at the Nucleotide binding site was analyzed (Schweins et al., 1997). On the other hand, the other method, in principle, can only be studied with paramagnetic metal centers. In connection with p21 ras , no other paramagnetic metal ions have yet been used for spectroscopic characterization except for Mn 2+ .
Die unmittelbare Koordinationsstruktur des nukleotidgebundenen divalenten Metallions (natürlicherweise wie für p21ras ein Mg2++-Atom) ist für die ADP-gebundene Konformation des Fe-Proteins, abgesehen von leichten Änderungen in der äußeren Koordinationsschale, im wesentlichen identisch mit der entsprechenden GDP-gebundenen Struktur von p21ras. Die Überlagerung der "P-loop"-Region von p21ras mit der eines der beiden Fe-Protein Monomere, unter Benutzung der Cα-Atome der Phosphatbindungsregion, zeigt deutlich, daß nicht nur die Positionen und die Orientierung des Nukleotids, sondern teilweise auch Position und Orientierung der umgebenden Residuen, ähnlich sind (Jang et al., 2000). Die ATP-gebundene Struktur des Fe-Proteins ist weniger eingehend untersucht. Die einzigen Röntgenstrukturuntersuchungen bisher sind die für zwei Fe-Protein:MoFe-Protein Komplexe und diese entsprechen nicht dem konventionellen aktiven Zustand; es sind dies die Struktur bei 3.3 Å Auflösung entsprechend dem Übergangszustand mit ADP und AlFx gebunden (Schindelin et al., 1997) und ein modifiziertes Fe-Protein bei 3.0 Å Auflösung (Chiu et al., 2001) ohne das jedoch bisher Elektronendichten von Sauerstoffatomen der Wassermoleküle identifiziert wurden, sodaß die entsprechende Wasserligandenkoordination für das Fe-Protein noch unbestimmt ist. Letztere Struktur besitzt eine Auslassung an Position Leu127 (ΔL127), d.h. in der Schalter II Region, und repräsentiert somit nicht die native Koordinationsstruktur. Interessanterweise befindet sich Leu127 im entsprechenden Fall für das Ras-Protein, dicht bei einem Residuum, welches für eine der malignen Transformationen verantwortlich ist (Q61). Auch zeigt diese Struktur eine gewisse Homologie zu Ras indem es in der Mg2+-Triphosphatnukleotid-gebundenen Form fixiert ist und selbst die Bindung mit dem MoFe-Protein (GAP) die Hydrolyse nicht stimuliert wird.The direct coordination structure of the nucleotide-bound divalent metal ion (naturally, as for p21 ras, a Mg 2+ + atom) is essentially identical to the corresponding GDP for the ADP-bound conformation of the Fe protein, except for slight changes in the outer coordination shell. bound structure of p21 ras . The superposition of the "p-loop" region of p21 ras with that of one of the two Fe protein monomers, using the Cα atoms of the phosphate binding region, clearly shows that not only the positions and the orientation of the nucleotide but also partially position and orientation of the surrounding residuals are similar (Jang et al., 2000). The ATP-bound structure of the Fe protein is less thoroughly investigated. The only X-ray structural studies so far are for two Fe protein: MoFe protein complexes and these do not correspond to the conventional active state; these are the structure bound at 3.3 Å resolution according to the transition state with ADP and AlF x (Schindelin et al., 1997) and a modified Fe protein at 3.0 Å resolution (Chiu et al., 2001) without, however, the electron densities of Oxygen atoms of the water molecules have been identified, so that the corresponding water ligand coordination for the Fe protein is still undetermined. The latter structure has an omission at position Leu127 (ΔL127), ie in the switch II region, and thus does not represent the native coordination structure. Interestingly, Leu127 is in the corresponding case for the Ras protein, close to a residue that is responsible for one of the malignant transformations (Q61). Also, this structure shows some homology to Ras by being fixed in the Mg 2+ triphosphate nucleotide-bound form and even binding with the MoFe protein (GAP) does not stimulate hydrolysis.
Obwohl
diese beiden Strukturen nur begrenzt die natürliche ATP-aktivierte Struktur
widerspiegeln, legen sie trotzdem den Schluß nahe, daß das Fe-Protein als gutes
Modell zwischen den verschiedenen MNBPs auch auf molekularer Ebene
dienen kann. Die Ähnlichkeit
der Röntgenkristallstrukturen
des Hydrolyse Übergangszustands
für den
jeweiligen Diphosphatkomplex mit AlFx für die beiden
Proteine, p21ras und das Nitrogenase Fe-Protein, ist in
Metall-Nukleotid Koordinationsstrukturen: Natürlicherweise bindet das Nukleotid in besagten "klassischen" MNBPs im Beisein eines divalenten Metall-Kations, normalerweise Mg2+. Hierbei ist das Mg2+-Ion in einer oktaedrischen Koodinationsumgebung mit den Nukleotidphosphatgruppe(n) in der äquatorialen Ebene angeordnet. Dies ist der Fall für diese Klasse von MNBPs für Tri- und Diphosphatnukleotide, wobei eine zweizähnige Metall-Nukleotidkoordination vorliegt für Triphosphatnukleotide (Pβ und Pγ), während nach Abspaltung der terminalen Phosphatgruppe für Diphosphatnukleotide nur eine Phosphatgruppe (Pβ) gebunden ist. Jeweils eines der Sauerstoffatome der Nukleotid Pβ- und Pγ Phosphatgruppen von GTP/ATP koordinieren das Metall in äquatorialen Metallpositionen. Eine solche Koordinationsstruktur ist für die zellulare Form von p2lras als auch im "wild-type" Fe-Protein zu beobachten. Die onkogene Transformation von p2lras nimmt dieselbe oder eine zumindest sehr ähnliche Metall-Kordinationstruktur an.Metal Nucleotide Coordination Structures: Of course, the nucleotide in said "classical" MNBPs binds in the presence of a divalent metal cation, usually Mg 2+ . In this case, the Mg 2+ ion is arranged in an octahedral coordination environment with the nucleotide phosphate group (s) in the equatorial plane. This is the case for this class of MNBPs for tri- and Diphosphatnukleotide, wherein a bidentate metal Nukleotidkoordination present for triphosphate nucleotides (P β and P γ), while after removal of the terminal phosphate group for Diphosphatnukleotide only a phosphate group (P β) is bound. In each case one of the oxygen atoms of the nucleotide P β and P γ phosphate groups of GTP / ATP coordinate the metal in equatorial metal positions. Such a coordination structure can be observed for the cellular form of p2lras as well as in the wild-type Fe protein. The oncogenic transformation of p2lras assumes the same or at least a very similar metal coordination structure.
Eine Substitution des Metallions ist für p2lras kürzlich beschrieben worden, und es wurde darauf hingewiesen, daß eine solche Möglichkeit ein interessantes "Target" für die Entwicklung eines anti-Krebsmittels darstellt (Schweins et al., 1997). Hierfür wurde in diesem Fall Mn2+ benutzt, daß zeigte das die Substitution mit Mn2+ in der Lage ist sowohl die intrinsische kcat-Rate von p2lras als auch die GAP-stimulierte GTPase Rate erheblich zu steigern. Dies ist möglicherweise das Resultat einer Erhöhung des pKa-Wertes der terminalen Nukleotid-Phosphatgruppe. Es sind noch zwei weitere divalente Metalle getestet worden, Zn2+ und Cd2+, die aber beide nicht in der Lage waren das stark gebundene Mg2+-Ion zu ersetzen. Die Wichtigkeit des nukleotidgebundenen divalenten Kations ist seit langer Zeit bekannt; so ist beispielsweise der Typ dieses Kations ein ganz entscheidender Regulator im GTP-bindenden Tubulinprotein (Jemiolo & Grisham, 1982).Substitution of the metal ion has recently been described for p2lras, and it has been suggested that such a possibility represents an interesting "target" for the development of an anti-cancer agent (Schweins et al., 1997). For this purpose, Mn 2+ was used in this case, which showed that substitution with Mn 2+ is able to significantly increase both the intrinsic k cat rate of p2lras and the GAP-stimulated GTPase rate. This is possibly the result of an increase in the pK a value of the terminal nucleotide phosphate group. Two more divalent metals have been tested, Zn 2+ and Cd 2+ , but both were unable to replace the strongly bound Mg 2+ ion. The importance of the nucleotide-bound divalent cation has been known for a long time; For example, the type of this cation is a crucial regulator in the GTP-binding tubulin protein (Jemiolo & Grisham, 1982).
Oxo-Vanadium(IV) ist in Bezug auf biologische Systeme ein eher selten gebrauchtes divalentes Metallion, daß erst in jüngerer Vergangenheit mehr an Interesse gewonnen hat. Obwohl es in den seltensten Fallen selber ein aktives Protein hinterläßt, ist gezeigt worden, daß es in der Lage ist in einer Vielzahl von Metalloproteinen das natürlicherweise gebundene Metall zu ersetzen (Chasteen, 1983). Es ist jüngst ebenfalls gezeigt worden, daß das Nukleotid-chelierende Metallion, Oxo-Vanadium, sehr effektiv mit Mg2+ um die Bindungsstelle konkurriert in 'klassischen' "P-loop"-enthaltenden Proteinen (Petersen et al., 2002). Der hieraus ermittelte IC50 Wert (Wert bei dem die Aktivität um 50 % gesunken ist) ergab ca. 4.0 mM. Dies zeigt, daß VO2+ tatsächlich das nukleotidgebundene Mg2+-Ion ersetzt.Oxo-vanadium (IV) is a rather rare divalent metal ion with respect to biological systems, and has only recently gained more interest. Although it seldom leaves an active protein on its own, it has been shown to be capable of replacing the naturally-bound metal in a variety of metalloproteins (Chasteen, 1983). It has also recently been shown that the nucleotide-chelating metal ion, oxo-vanadium, very effectively competes with Mg 2+ for the binding site in 'classical' P-loop containing proteins (Petersen et al., 2002). The resulting IC 50 value (value at which the activity has fallen by 50%) gave about 4.0 mM. This shows that VO 2+ indeed replaces the nucleotide-bound Mg 2+ ion.
Vanadium Chemie und molekulare Struktur : Vanadium ist ein Übergangsmetal, das in letzter Zeit mehr und mehr an Interesse gewonnen hat durch seine ungewöhnliche Stereochemie als auch der Relevanz in Bezug auf biologische Systeme, da es das katalytische Zentrum in wenigstens zwei Enzymen bildet; dies sind die bromo-chloro Peroxidasen und die Vanadium-enthaltende Nitrogenase (dies ist aber nicht zu verwechseln mit dem Gebrauch von Vanadium im vorliegenden Patentantrag, der basiert auf der gebräuchlicheren Molybden-enthaltenden Nitrogenase). Vanadium ist ein physiologisch wichtiges Spurenelement, daß in geringen Konzentrationen auch in Nahrungsmitteln enthalten ist (unter 1ng/g). Die tägliche Vanadiumaufnahme der US Bevölkerung liegt zwischen 10 und 60 μg. Vanadium in Verbindung mit physiologisch relevanten Systemen liegt im wesentlichen in zwei Oxidationszuständen vor, als tetravalentes V(IV) und pentavalentes V(V), und formt kationische (V=O)2+ (Vanadyl) oder anionische (VO3)– (Vanadat) Oxo-Komplexe.Vanadium Chemistry and Molecular Structure: Vanadium is a transition metal that has recently gained more and more interest due to its unusual stereochemistry as well as its relevance to biological systems, as it forms the catalytic center in at least two enzymes; these are the bromo-chloro peroxidases and the vanadium-containing nitrogenase (but this is not to be confused with the use of vanadium in the present patent application, which is based on the more commonly used molybdenum-containing nitrogenase). Vanadium is a physiologically important trace element that is also present in foods in low concentrations (below 1ng / g). The daily vanadium intake of the US population is between 10 and 60 μg. Vanadium in conjunction with physiologically relevant systems exists in essentially two oxidation states, as tetravalent V (IV) and pentavalent V (V), and forms cationic (V = O) 2+ (vanadyl) or anionic (VO 3 ) - (vanadate ) Oxo complexes.
Im Folgenden ist unter der Bezeichnung Vanadyl bzw. Vanadylkomplex eine Koordinationsverbindung zu verstehen mit einem zentralen Vanadium Atom oder Ion, wobei Vanadium einen Oxidationszustand von +4 besitzt und eine Doppelbindung zu einem Sauerstoffatom (Oxo-Vanadium) eingeht und verschiedene Liganden besitzen kann, wie beispielsweise H2O, Substratatome oder Protein Residuen. Hierbei sollen auch ausdrücklich solche Oxo-Vanadiumverbindungen mit eingeschlossen sein, die einen, maximal zwei, Liganden besitzen, die nicht Hydroxylgruppen sind sondern andere Einzelionen darstellen können, wie Cl–, oder 'kleine', nicht sperrige Verbindungen, aber alle das Kriterium erfüllen müssen, daß sie die hier beschriebene für VO2+ charakteristische Konformationsgeometrie nicht wesentlich beeinflussen.In the following, the term vanadyl or vanadyl complex is to be understood as meaning a coordination compound having a central vanadium atom or ion, where vanadium has an oxidation state of +4 and forms a double bond to an oxygen atom (oxo vanadium) and may have different ligands, such as H 2 O, substrate atoms or protein residues. It should also be expressly included such Oxo-vanadium compounds having one, maximum two, ligands that are not hydroxyl groups but may represent other single ions, such as Cl - , or 'small', not bulky compounds, but all have to meet the criterion in that they do not significantly affect the conformational geometry described here for VO 2+ .
Oxo-Vanadium(IV) bindet in vielen Fällen in einer oktaedrischen Koordinationsgeometrie wobei das Vanadium Oxo-Atom einen der axialen Liganden repräsentiert. Die Vanadium-Oxo Richtung entspricht der molekularen z-Achse. In axialsymmetrischen Systemen entspricht diese der g∥-bzw. A∥-Achse, wobei g∥ und A∥ die molekulare g-Faktor bzw. 51V Hyperfein (HF)-Komponente entlang der V=O Verbindungsachse ist.In many cases, oxo vanadium (IV) binds in an octahedral coordination geometry with the vanadium oxo atom representing one of the axial ligands. The vanadium-oxo direction corresponds to the molecular z-axis. In axially symmetric systems this corresponds to the g ∥ -bzw. A ∥ axis, where g ∥ and A ∥ is the molecular g-factor or 51 V hyperfine (HF) component along the V = O connecting axis.
Vanadium(IV) in Form von Oxo-Vanadium bzw. Vanadyl [V(IV)=O]2+ ist, im Gegensatz zum häufig verwendeten Vanadat, paramagnetisch (Elektronenspin S ≠ 0) und kann daher als Spinsonde für die spektroskopische Untersuchung von Koordinationsumgebungen dienen. Solche spektroskopische Methoden sind z.B. "electron-paramagnetic-resonance" (EPR) und "electron-nuclear-double-resonance" (ENDOR). Ferner besitzt das am häufigsten vorkommende Vanadium Isotop, 51V (99,75 % natürliche Häufigkeit), einen Kernspin von I = 7/2 was in EPR Spektren von wässerigen Lösungen zu 2I + 1 = 8 i.a. gut aufgelöster HF-Linien führt. In gefrorenen Lösungen sind diese 8 Linien dann noch einmal in pulverspektrentypische parallele (g∥, A∥) und senkrechte (g⊥, A⊥) HF-Komponenten aufgespalten für das gewöhnlich axial symmetrische Spektrum des Vanadyl-Zentrums.Vanadium (IV) in the form of oxo vanadium or vanadyl [V (IV) = O] 2+ is, in contrast to the commonly used vanadate, paramagnetic (electron spin S ≠ 0) and can therefore be used as a spin probe for the spectroscopic investigation of coordination environments serve. Such spectroscopic methods include "electron paramagnetic resonance" (EPR) and "electron nuclear double resonance" (ENDOR). Furthermore, the most commonly occurring isotope of vanadium, 51 V (99.75% has natuer frequency), a nuclear spin of I = 7/2, which in EPR spectra of aqueous solutions leads to 2I + 1 = 8 ia of well-resolved HF lines. In frozen solutions, these 8 lines are then split into powder-type parallel (g ∥ , A ∥ ) and perpendicular (g ⊥ , A ⊥ ) RF components for the usually axially symmetric spectrum of the vanadyl center.
Hiermit ist es kürzlich gelungen die Hydrolyse-induzierten Konformationsänderungen 'klassischen' MNBPs mit von außen zugefügtem Vanadyl direkt an der Nukleotidbindungsstelle spektroskopisch mittels EPR zu untersuchen (Petersen et al., 2002). Diese Untersuchungen zeigten, daß VO2+ in einer verzerrten oktaedrischen Koordinationsgeometrie gebunden ist. Es ist ebenfalls gezeigt worden, daß Vanadyl die Nitrogenase Substratreduktion inhibiert in einer Art, die nichts mit dem Inhibierungsmechanismus von Proteinen, wie beispielsweise die Inhibierung von Phosphatasen durch Vanadat zutun hat.This has recently been used to spectroscopically study the hydrolysis-induced conformational changes of 'classical' MNBPs with externally added vanadyl directly at the nucleotide binding site by means of EPR (Petersen et al., 2002). These studies showed that VO 2+ is bound in a distorted octahedral coordination geometry. It has also been shown that vanadyl inhibits nitrogenase substrate reduction in a manner unrelated to the inhibition mechanism of proteins, such as the inhibition of phosphatases by vanadate.
Methodik
: Die Nukleotidbindungsumgebung proteingebundenem Vanadyls ist durch
hochauflösende
ENDOR Spektroskopie charakterisiert worden. Die Interaktion eines
paramagnetischen Zentrums, in diesem Fall VO2+ mit
ungepaartem elektronischem Spin S = 1/2 (MS = ± 1/2),
mit einem magnetischen Kern der Umgebung mit nuklearem Spin I = 1/2,
was im vorliegenden Fall für
die folgenden beiden Kerne, 31P und 1H's,
zutrifft, verursacht zwei ENDOR Resonanzen, ν+ und ν–,
wenn die Bedingung νn > |A/2|
erfüllt
ist, in erster Näherung
bei Frequenzen von
31P-Kopplungen: Zur Charakterisierung der Vanadyl-Nukleotid
Koordinationsumgebung sind winkel-selektive ENDOR-Spektren in verschiedenen Frequenzregionen
aufgezeichnet worden.
Darüberhinaus,
und die im Zusammenhang mit dem Patentantrag wichtigere Beobachtung
ist, daß ein
zweites ENDOR "feature" beobachtet wird, daß eine "doublet"-artige Struktur
aufweist. Dieses Signal kann, dadurch das es symmetrisch um die Kern-Zeemannfrequenz
von 31P angeordnet ist und aus dessen Feldabhängigkeit,
eindeutig einer Kopplung von Vanadyl mit einer Phosphatgruppe zugeschrieben
werden. Für
diesen zweiten Satz von Resonanzen ist die Bedingung νn > |A| erfüllt, woraus sich
ergibt, daß eine
weitere, verglichen mit der obigen, sehr viel kleinere Phosphatkopplung
existiert. Die Kopplung ist angezeigt in
Die
untere Spur in
31P-ENDOR Spektren wurden auch für ADP als
koordinierendes Nukleotid aufgezeichnet. Der Vergleich der 31P-ENDOR Spektren für Vanadyl in der Gegenwart
von reduziertem Fe-Protein mit gebundenem ADP oder ATP ist in
1H-Kopplungen : Um die Protonenumgebung des
nukleotidgebundenen VO2+-Zentrums in der Gegenwart des reduzierten
Fe-Proteins zu untersuchen, sind ENDOR-Spektren auch in der Region
um die Zeemann-Frequenz von Protonen aufgezeichnet worden. Das 1H-ENDOR Spektrum mit dem Anregungsfeld B0 zentriert auf der MI = –3/2 senkrechten HF-Linie,
ist in
Zusätzlich sind 1H-ENDOR Spektren auch mit einer Feldposition auf der MI = –7/2 parallelen HF-Linie aufgenommen worden. Diese zeigen ein ENDOR Linienpaar mit einer Aufspaltung von 5.53 MHz. Dieses Linienpaar, zusammen mit dem anderen von 2.69 MHz für die senkrechte Feldposition, kann der A∥ bzw. A⊥ SHF-Komponente von Protonen eines axial koordinierten Wassermoleküls zugeschrieben werden. Das Charakteristikum solcher Protonen ist, daß A∥ ≈ 2A⊥ ist, welches für den vorliegenden Fall ausreichend gut erfüllt ist. Hieraus läßt sich der isotrope Anteil der SHF-Kopplung berechnen der demzufolge nahe Null sein sollte, da für Vanadyl die Spindichte des ungepaarten Elektrons des 3d1 Metallions in dem dxy Orbital lokalisiert ist. Tatsächlich berechnet sich der isotrope Anteil zu Aiso = +0.05 MHz. Für einen solch geringen Aiso-Wert ist es erlaubt, aus den hieraus berechenbaren rein dipolaren SHF-Tensorkomponenten, den Abstand zwischen den Protonen und dem ungepaarten Spinzentrum zu bestimmen. Der solchermaßen bestimmte Abstand beträgt 3.06 Å was in guter Übereinstimmung mit Literaturwerten für axiale Hydroxylprotonen ist. Somit können die ENDOR-Protonenkopplungen eindeutig einem axial koordinierten Wassermolekül zugeschrieben werden. Für das VO2+-ATP gebundene Fe-Protein sind nahezu identische 1H-ENDOR Kopplungen zu beobachten aus denen sich ein VO2+-1H-Abstand berechnet von 3.05 Å. Dies verdeutlicht, daß ein solches Wassermolekül sowohl im ATP- als auch im ADP-gebundenen Zustand vorhanden ist. Das bedeutet ferner, daß wenn an dieser Metallligandenposition ein Wassermolekül gebunden ist, nicht zusätzlich eine axiale Phosphatgruppe gebunden sein kann.In addition, 1 H-ENDOR spectra were also recorded with a field position on the M I = -7/2 parallel RF line. These show an ENDOR line pair with a splitting of 5.53 MHz. This pair of lines, together with the other of 2.69 MHz for the vertical field position, can be attributed to the A ∥ or A ⊥ SHF component of protons of an axially coordinated water molecule. The characteristic of such protons is that A ∥ ≈ 2A ⊥ , which is sufficiently well-satisfied in the present case. From this it can be calculated, the isotropic portion of the SHF-coupling of the thus close to zero should be as vanadyl for the spin density of the unpaired electron of the metal ion is 3d 1 d located in the xy orbital. In fact, the isotropic component is calculated to A iso = +0.05 MHz. For such a low A iso value, it is allowed, from the purely dipolar SHF tensor components which can be calculated from this, the distance between the protons and the unpaired spinene to determine the The distance thus determined is 3.06 Å, which is in good agreement with literature values for axial hydroxyl protons. Thus, the ENDOR proton couplings can be clearly attributed to an axially coordinated water molecule. For Fe protein bound to VO 2+ -ATP, nearly identical 1 H-ENDOR couplings are observed, from which a VO 2+ - 1 H distance of 3.05 Å is calculated. This illustrates that such a water molecule is present in both ATP and ADP bound states. This also means that if at this metal ligand position a water molecule is bound, not an additional axial phosphate group can be bound.
An dieser Stelle ist wichtig zu bemerken, daß dieses Wassermolekül nur bei relativ niedrigem pH-Wert um pH 6.5 zu beobachten ist. Bei neutralen pH fehlen entsprechende 1H-ENDOR Linienpaare, sodaß bei diesem pH kein axiales Wassermolekül vorhanden sein kann. Man könnte versucht sein anzunehmen, daß wenigstens für diesen Fall eine Nukleotid-Phosphatgruppe in der axialen Position direkt koordiniert ist. Diese Interpretation ist aber nahezu ausgeschlossen, da unabhängig davon ob ein axiales Wassermolekül gebunden ist oder nicht, die kleine beobachtete 31P-Kopplung weitgehend unverändert bleibt. Somit muß geschlußfolgert werden, daß obwohl diese 31P-Kopplung erheblichen axialen Charakter besitzt, und obwohl eine ähnlich kleine Kopplung einer direkt axial koordinierten Phosphatgruppe zugeschrieben wurde, dies inkonsistent mit dem hier beobachteten axialen Wassermolekül ist. Das Fehlen der 31P-ENDOR Resonanzen mit einer geringen Kopplungskonstante für das Protein mit ADP zeigt, daß nur in der Gegenwart von ATP eine solch ungewöhnliche axiale Koordinationsstruktur der terminalen Phosphatgruppe angenommen wird. Das bedeutet das sich für die inaktive Konfiguration mit ADP keine so dramatischen Veränderungen abspielen wie für ATP und somit die Signaltransduktionsprozesse im "Aus"-Zustand mutmaßlich nicht beeinflußt werden. Insgesamt bleibt festzuhalten, daß die VO2+-Koordinationsumgebung eine ausgeprägte pH Abhängigkeit zeigt.It is important to note at this point that this water molecule can only be observed at a relatively low pH around pH 6.5. At neutral pH, corresponding 1 H-ENDOR line pairs are absent so that no axial water molecule can be present at this pH. One might be tempted to assume that, at least for this case, a nucleotide phosphate group is directly coordinated in the axial position. However, this interpretation is almost excluded, since regardless of whether an axial water molecule is bound or not, the small observed 31 P coupling remains largely unchanged. Thus, it must be concluded that although this 31 P coupling has considerable axial character, and although a similarly small coupling was attributed to a directly axially coordinated phosphate group, this is inconsistent with the axial water molecule observed here. The lack of 31 P-ENDOR resonances with a low coupling constant for the protein with ADP shows that only in the presence of ATP is such an unusual axial coordination structure of the terminal phosphate group assumed. This means that for the inactive configuration with ADP no such dramatic changes occur as for ATP and thus presumably the signal transduction processes in the "off" state are not affected. Overall, it should be noted that the VO 2+ coordination environment shows a pronounced pH dependence.
Die
ungewöhnliche
Nukleotidkoordinationsstruktur ist in
Unabhängig davon,
ob der axiale Ligand nun einen direkten Metall-Phosphatkontakt darstellt oder eine
irgendwie anders geartete indirekte axiale Phosphatkoordination,
mit großer
Wahrscheinlichkeit von der terminalen Nukleotidphosphatgruppe im
triphosphatgebundenen-Zustand, bleibt die Tatsache, daß eine solche
Koordinationsstruktur in der Lage ist die axiale VO2+-Koordinationsposition,
die normalerweise mit Mg2+ von Wassermolekülen okkupiert
sein sollte, zu modifizieren. Dies hat entscheidenden Einfluß auf die
Schalterregionen des Proteins, da wie für p2lras exemplarisch dargestellt,
die überbrückenden Wassermoleküle normalerweise
maßgeblich
verantwortlich sind für
kritische Kontakte zwischen dem Metallion und u.a. zwei Protein-Aspartatresiduen
in den Schalterregionen (siehe
Es könnte der Eindruck entstehen als ob VO2+ primär die Schalter II Region moduliert. Allerdings wirken die beiden Schalterregionen generell, für vermutlich alle hier beschriebenen nukleotidbindenden Proteinen nicht unabhängig voneinander. Es ist in zahlreichen Publikationen angedeutet worden, daß eine Konformationsänderung in der Schalter II Region auch direkt mit der Schalter I Region interagiert und umgekehrt, was folglich dazu führt, daß eine Änderung in einer Schalterregion gleichfalls zu einer Reorientierung der anderen führt (Kjeldgaard et al., 1996). Somit würde die Koordinationsstruktur mit VO2+, die speziell die axiale Ligandenposition betrifft mittels der einen Schalterregion auch Auswirkungen via diverser Wasserstoffbrückenbindungen auf die andere Schalterregion haben.It could give the impression that VO 2+ primarily modulates the switch II region. However, the two switch regions generally do not work independently, presumably for all the nucleotide-binding proteins described here. It has been suggested in numerous publications that a conformational change in the switch II region also interacts directly with the switch I region and vice versa, thus resulting in a change in one switch region also leading to a reorientation of the other (Kjeldgaard et al. , 1996). Thus, the coordination structure with VO 2+ , which specifically affects the axial ligand position by means of one switch region, would also have effects via various hydrogen bonds on the other switch region.
Eine axiale Nukleotid-Phosphatkoordinierungsposition könnte ein Spezifikum des Nitrogenase Fe-Proteins sein, allerdings spricht gegen eine solche Interpretation, daß eine ähnlich kleine Phosphatkopplung auch für das einzige andere Nukleotidbindungsprotein das bis jetzt in der Gegenwart von VO2+ untersucht wurde, festgestellt wurde (Buy et al., 1996). Zwar fand diese in der betreffenden Publikation noch keine Beachtung bzw. wurde eine axiale Phosphatkoordinierung nicht als solche interpretiert, doch scheint diese in den dortigen "hyperfine-sublevelcorrelation" (HYSCORE)-Spektren deutlich präsent zu sein. Dies wurde bereits erwähnt in einer Studie an isolierten Triphosphatkomplexen (Dikanov et al., 2002). Somit ist eine solch ungewöhnliche Phosphatkoordinierung nicht nur auf das Fe-Protein beschränkt, was den Schluß nahe legt, daß dies spezifisch für VO2+ ist und generell zumindest für Proteine gilt, die die oben beschriebenen Sequenzmotive besitzen und eine damit einhergehende homologe Nukleotidbindungstopologie, und kann folglich auch auf andere 'klassische' Nukleotidbindungsproteine übertragen werden.An axial nucleotide phosphate coordination position could be a specific feature of the nitrogenase Fe protein, but argues against such an interpretation that a similar small phosphate coupling was also observed for the only other nucleotide binding protein studied so far in the presence of VO 2+ (Buy et al., 1996). Although this was not considered in the publication in question or an axial phosphate coordination was not interpreted as such, but it seems to be clearly present in the local "hyperfine-sublevel correlation" (HYSCORE) spectra. This has already been mentioned in a study on isolated triphosphate complexes (Dikanov et al., 2002). Thus, such unusual phosphate coordination is not confined to the Fe protein, suggesting that it is specific for VO 2+ and is generally valid at least for proteins having the sequence motifs described above and a concomitant homologous nucleotide binding topology, and can therefore also be transferred to other 'classical' nucleotide binding proteins.
Ferner könnte VO2+ nur in vitro für das purifizierte Protein eine solche Koordinationsstruktur annehmen. Es gibt allerdings Hinweise das eine solche Struktur auch in vivo angenommen wird. So zeigten in vivo ESEEM-Messungen an Knochenproben von Ratten nach Behandlung mit Bis(Äthylmaltolato) Oxovanadium(IV) eine ähnlich kleine 31P-Kopplungskonstante (Dikanov et al., 1999). Hierin wurden die 31P-Signale einer Wechselwirkung mit der (den) Phosphatgruppe(n) vom Kalzium-Phosphat-Polymer-Hydroxyapatit [Ca10(PO4)6(OH)2] Knochenanteil zugeschrieben. Dies legt den Schluß nahe, daß zumindest für den Anteil von VO2+ der sich in Knochen anlagert eine solche Struktur angenommen wird, sodaß zumindest hierfür davon ausgegangen werden kann, daß diese ungewöhnliche Koordinationsstruktur auch in vivo angenommen wird. Tatsächlich zeigt eine ähnliche in vivo ESEEM-Studie in der ebenfalls Knochenproben von Ratten untersucht wurden nach Behandlung mit Bis(Picolinato)VO2+ gleichermaßen eine Phosphatwechselwirkung allerdings ohne eine auflösbare Aufspaltung, sodaß keine meßbare Kopplungskonstante feststellbar war (Fukui et al., 1999). Bezüglich des Ursprungs der Phosphatwechselwirkung in Knochenmaterial kommen die Autoren zu einer ähnlichen Interpretation wie Dikanov et al. (1999). Es wurde aber gezeigt, daß die Koordinationsstruktur von VO2+(pic)2 sehr ähnlich zu der von VO2+ alleine ist. Darüberhinaus wurden auch ESEEM-Messungen an Leber und Niere durchgeführt. Diese zeigen erstaunlicherweise wiederum auffallend ähnliche ESEEM-Spektren für Ratten die mit VO2+SO4 oder dem VO2+(pic)2 Komplex behandelt wurden, was die Vermutung nahelegt, daß der VO2+-Komplex in diesen Organen nicht mehr als VO2+(pic)2 vorliegt, sondern wenigstens teilweise zerfallen ist in beispielsweise den Monopicolinato-Komplex, sodaß die Ligandenstruktur mehr der nach Einnahme vom Vanadylsalz alleine ähnelt. Ähnliches gilt wahrscheinlich auch für andere Oxovanadium-Komplexe wie den Bismaltolato-Oxovanadium-Komplex (BMOV)(Peters et al., 2003).Furthermore, VO 2+ could only adopt such a coordination structure in vitro for the purified protein. However, there are indications that such a structure is also assumed in vivo. Thus, in vivo ESEEM measurements on rat bone samples after treatment with bis (ethylmaltolato) oxovanadium (IV) showed a similar low 31 P coupling constant (Dikanov et al., 1999). Here, the 31 P signals were attributed to interaction with the phosphate group (s) of the calcium phosphate polymer hydroxyapatite [Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2] bone portion. This suggests that, at least for the proportion of VO 2+ that attaches to bone, such a structure is assumed, so that it can at least be assumed that this unusual coordination structure will also be assumed in vivo. In fact, a similar in vivo ESEEM study in which bone samples from rats were also investigated after treatment with bis (picolinato) VO 2+ shows a phosphate interaction albeit without a resolvable splitting, so that no measurable coupling constant was detectable (Fukui et al., 1999). , Regarding the origin of the phosphate interaction in bone material, the authors come to a similar interpretation as Dikanov et al. (1999). However, it has been shown that the coordination structure of VO 2+ (pic) 2 is very similar to that of VO 2+ alone. In addition, ESEEM measurements were also performed on liver and kidney. These surprisingly show strikingly similar ESEEM spectra for rats treated with VO 2+ SO 4 or the VO 2+ (pic) 2 complex, suggesting that the VO 2+ complex in these organs is no more than VO 2+ (pic) 2 , but at least partially decomposed into, for example, the monopicolinato complex, so that the ligand structure is more similar to that after ingestion of the vanadyl salt alone. The same is likely to apply to other oxovanadium complexes such as the bismaltolato-oxovanadium complex (BMOV) (Peters et al., 2003).
Im Gegensatz zu der Substitution mit Mn2+ (Schweins et al., 1997) ist hier für VO2+ eine unterschiedliche Strategie verfolgt worden, die nicht so sehr darauf ausgerichtet ist die intrinsische oder stimulierte Reaktionsrate zu beeinflussen, sondern die direkt auf die Schalterregionen Einfluß nehmen kann durch die Metall-Koordinationsstruktur und somit Effektor- und/oder Regulatorwechselwirkungen kontrolliert. Metall-Koordinationsstrukturen 'klassischer' MNBPs sind, abgesehen von der Struktur von p2lras mit Mn2+, bisher nur für das natürlicherweise gebundene Mg2+-Atom bekannt. Die Struktur mit Mn2+ zeigt allerdings eine fast identische Koordinationsumgebung wie Mg2+. Da sonst noch keine anderen Metall-Koordinationsstrukturen bekannt sind, ist die ungewöhnliche Koordinationsgeometrie für VO2+ die bisher einzige, die zu einer solchen Beeinflussung der Schalterregionen in der Lage ist. Zusammenfassend kann gesagt werden, daß der Gebrauch von VO2+ eine neue Methode darstellt, die potentiell direkt auf zellulare Signaltransduktionsprozesse Einfluß zu nehmen in der Lage ist indem man die Schalterregionen bestimmter GTPasen modifizieren kann.In contrast to the substitution with Mn 2+ (Schweins et al., 1997), a different strategy has been followed for VO 2+ , which is not so much aimed at influencing the intrinsic or stimulated reaction rate, but directly at the switch regions Influence can be controlled by the metal coordination structure and thus effector and / or regulator interactions. Metal coordination structures of 'classical' MNBPs are, apart from the structure of p2lras with Mn 2+ , so far only known for the naturally bound Mg 2+ atom. However, the structure with Mn 2+ shows an almost identical coordination environment as Mg 2+ . Since otherwise no other metal coordination structures are known, the unusual coordination geometry for VO 2+ is so far the only one that is capable of such an influence on the switch regions. In summary, the use of VO 2+ is a novel method that is potentially able to directly influence cellular signal transduction processes by modifying the switch regions of particular GTPases.
Eine Anwendung der oben beschriebenen VO2+-Nukleotidbindungsstruktur auf andere P-"loop"-enthaltende Proteine, die gleichfalls (1) die charakteristischen Schalter I und Schalter II Regionen besitzen und (2) die konservierten Walker A und Walker B Motive, würde entscheidende Auswirkungen auf deren regulatorische Wirkungen haben. Dies würde konsequenterweise die Möglichkeit eröffnen auf eine Vielzahl von zellularen Prozessen, die durch die besagten GTPasen (und ATPasen) gesteuert werden, Einfluß nehmen zu können. Dies wiederum kann potentiell für neue Therapieansätze benutzt werden, um gewisse Krankheiten zu behandeln, insbesondere auch bei karzinogenen Transformationen. Die Signaltransduktionskette als "target" für die Therapie von Krankheiten ist bereits oftmals in der einen oder anderen Weise beschrieben worden (siehe beispielsweise: Levitzki, 1994; Levitzki, 1996).Applying the VO 2+ nucleotide binding structure described above to other P-loop containing proteins that also have (1) the characteristic switch I and switch II regions and (2) the conserved Walker A and Walker B motifs, would be crucial Have an impact on their regulatory effects. This would consequently open up the possibility of being able to influence a large number of cellular processes which are controlled by the said GTPases (and ATPases). This in turn can potentially be used for new therapeutic approaches to treat certain diseases, especially in carcinogenic transformations. The signal transduction chain as a "target" for the therapy of diseases has often already been described in one way or another (see for example: Levitzki, 1994, Levitzki, 1996).
Es wird schon seit einiger Zeit vermutet, daß Vanadium in der Lage ist in zellulare regulatorische Prozesse eingreifen zu können (siehe hierzu die Übersichtsartikel: Ramasarma & Crane, 1981; Stern et al., 1993), oft ohne jedoch zwischen den verschiedenen Oxidationszuständen von Vanadium zu differenzieren oder näher auf intrazellulare Redoxvorgänge einzugehen. Generell bezieht sich die Literatur fast ausschließlich auf den Gebrauch von Vanadat und die Wirkung von Vanadat auf spezielle zellulare Komponenten.It has been suspected for some time that vanadium is capable to intervene in cellular regulatory processes (see the reviews: Ramasarma & Crane, 1981; Stern et al., 1993), often without, however, between the various oxidation states of vanadium or to elaborate on intracellular redox events. Generally, the literature refers almost exclusively to the use of vanadate and the effect of vanadate on special cellular components.
Obwohl eine der ersten Studien über die antineoplastische Wirkung von Vanadium bereits 1984 erschien (Thompson et al., 1984), gibt es bis jetzt nur relativ wenige Arbeiten die Vanadyl in Bezug auf die Untersuchung von antikarzinogenen Wirkungen benutzen. Diese ursprüngliche Arbeit stellte fest, daß oral verabreichtes Vanadylsulfat chemisch-induzierte Mamma-Karzinogenese inhibiert. Seither gibt es zahlreiche Arbeiten, die antineoplastische Wirkungen von Vanadium untersuchen allerdings fast ausschließlich in Verbindung mit dem Gebrauch von Vanadat(V) und Vanadatverbindungen (siehe Review Artikel von: Djordjevic, 1995; Evangelou, 2002). Jüngere Studien zeigten, daß Vanadat sowohl mit der Inhibierung der Leber-Karzinogenese (Bishayee & Chatterjee, 1995) als auch der Chemoprävention der Mamma-Karzinogenese (Bishayee et al., 2000) in Verbindung gebracht werden kann. Antitumoraktivitäten für Vanadium(IV)-Komplexe und anderer Metalle mit 2-Methylaminopyridin sind berichtet worden (El-Naggar et al., 1998). Dies wurde allerdings auf eine erhöhte Superoxiddismutase-artige Aktivität in Kombination mit einer Senkung der Glutathionperoxidase und Glutathionreduktase Aktivität, bei einer gleichzeitigen Verminderung von reduziertem Glutathion was zu einer Akkumulation von H2O2 führt, als mögliche Ursache für die antikarzinogene Wirkung zurückgeführt. Die einzigen anderen Arbeiten in Bezug auf Oxo-Vanadium betreffen Vanadylverbindungen wie 1,10-Phenanthrolin-Vanadyl im Beisein von Wasserstoffperoxid (Sakurai et al., 1995), Bis(maltolato)-Vanadyl (Schieven et al., 1995) und Bis(4,7-Dimethyl-1,10-Phenanthrolin)-Sulfatooxovanadium(IV) (Narla et al., 2000; Narla et al., 2001). Anknüpfend an den Erfolg von Cisplatin in der Krebstherapie sind auch andere Metallozänkomplexe untersucht worden, wie der Cisplatin-analoge Vanadozän-Komplex, Bis(π-zyklopentadienyl)Vanadium(IV) Dichlorid (Toney et al., 1986), und deren Apoptose-induzierende Wirkung bei menschlichem Hodenkrebs von Gosh et al. (2000) eingehend beschrieben wurde. Kürzlich zeigte ein weiterer Vanadozän-Komplex, Vanadozän(IV) Azetylazetonat der Form [VCp2(acac)](CF3SO3), antineoplastische Wirkungen mit zweifacher Funktion, einerseits mit anti-angiogenen und andererseits mit anti-mitose Eigenschaften (Gosh et al., 2001). Abgesehen von den wenigen oben erwähnten Vanadylkomplexen könnte der Grund dafür, daß die Wirkung von VO2+ lange Zeit für therapeutische Zwecke vernachlässigt wurde, möglicherweise das Fehlen eines plausiblen Ansatzes für die physiologische Wirkungsweise von VO2+ sein.Although one of the earliest studies on the antineoplastic action of vanadium appeared as early as 1984 (Thompson et al., 1984), so far there are only a relatively few studies on vanadyl in the study of anticarcinogenic effects use. This original work found that orally administered vanadyl sulfate inhibits chemically-induced mammary carcinogenesis. Since then, there have been numerous studies investigating the antineoplastic effects of vanadium but almost exclusively in connection with the use of vanadate (V) and vanadate compounds (see review article by: Djordjevic, 1995; Evangelou, 2002). Recent studies have shown that vanadate can be associated with both the inhibition of liver carcinogenesis (Bishayee & Chatterjee, 1995) and the chemoprevention of mammary carcinogenesis (Bishayee et al., 2000). Antitumor activities for vanadium (IV) complexes and other metals with 2-methylaminopyridine have been reported (El-Naggar et al., 1998). However, this was attributed to increased superoxide dismutase-like activity in combination with a decrease in glutathione peroxidase and glutathione reductase activity, with concomitant reduction of reduced glutathione resulting in H 2 O 2 accumulation as a possible cause of the anti-carcinogenic effect. The only other work on oxo-vanadium concerns vanadyl compounds such as 1,10-phenanthroline-vanadyl in the presence of hydrogen peroxide (Sakurai et al., 1995), bis (maltolato) vanadyl (Schieven et al., 1995), and bis ( 4,7-dimethyl-1,10-phenanthroline) sulfatooxovanadium (IV) (Narla et al., 2000, Narla et al., 2001). Following on from the success of cisplatin in cancer therapy, other metallocene complexes have also been investigated, such as the cisplatin analogous vanadozene complex, bis (π-cyclopentadienyl) vanadium (IV) dichloride (Toney et al., 1986), and their apoptosis-inducing Effect on Human Testicular Cancer by Gosh et al. (2000) has been described in detail. Recently, another vanadozene complex, vanadonna (IV) acetylacetonate of the form [VCp 2 (acac)] (CF 3 SO 3 ), exhibited antinoplastic effects with dual function, on the one hand with anti-angiogenic and on the other hand with anti-mitotic properties (Gosh et al., 2001). Apart from the few vanadyl complexes mentioned above, the reason that the effect of VO 2+ has long been neglected for therapeutic purposes may possibly be the lack of a plausible approach to the physiological mode of action of VO 2+ .
Eine wichtige Beobachtung im Zusammenhang mit der hier beschriebenem Erfindung ist auch, daß sich Vanadium speziell in Tumorzellen zu akkumulieren scheint. Wie sich durch den Vergleich von karzinogenem menschlichem Brustgewebe mit gesundem Gewebe herausgestellt hat (Rizk & Sky-Peck, 1984), werden bestimmte Metalle, u.a. Vanadium, vermehrt in neoplastisch verändertem Gewebe angelagert.A important observation in connection with the here described Invention is also that Vanadium seems to accumulate specifically in tumor cells. Like yourself by comparing carcinogenic human breast tissue with healthy tissues (Rizk & Sky-Peck, 1984), become specific Metals, u.a. Vanadium, propagated in neoplastic Tissue attached.
4. Beispiele4. Examples
Die Beispiele, die im Folgenden präsentiert werden, sind dazu gedacht zum Verständnis der Erfindung beizutragen und sind nicht beabsichtigt in irgendeiner Art die Bandbreite zu limitieren und sollten auch nicht als solches aufgefaßt werden. Dadurch das hier nur einige Beispiele beschrieben werden, soll nicht bedeuten, daß die ungewöhnliche Koordinationsstruktur für VO2+ nur auf diese Beispiele beschränkt ist, sondern soll allein an Hand von einigen willkürlich gewählten Beispielen die Spannweite der Anwendungsmöglichkeiten demonstrieren. Diese Beispiele sollen einzig und allein die Tatsache verdeutlichen, daß VO2+ auf verschiedenste Weise Karzinogenese-verursachende Übertragungswege beeinflussen kann (es sind insgesamt im wesentlichen fünf verschiedene Möglichkeiten vorgestellt); darüberhinaus existieren andere medizinische Anwendungsbeispiele. Auch dadurch, daß das Gebiet der zellularen Signaltransduktionsprozesse ein sehr junges Gebiet ist und das Verständnis der überaus komplexen Zusammenhänge zwar rapide anwächst aber erst langsam ein klareres, vollständigeres Bild entsteht, kann der vorliegende Patentantrag nicht auf alle Details eingehen und es muß, soweit diese Vorgänge bereits etabliert sind, auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen werden. Ferner wird in dem vorliegenden Patentantrag willendlich ein Schwergewicht auf krebsverursachende Prozesse gelegt was aber nicht bedeuten soll, daß nicht auch eine Vielzahl anderer nicht so ausführlich geschilderten medizinischer Krankheitsbilder ebenfalls durch den vorliegenden Patentantrag betroffen sein können. Es sind im Folgenden nur einige der verbreitetsten Krankheiten, auf die die Erfindung einen Einfluß haben könnte, erwähnt und eher seltener auftretende Krankheiten sind weggelassen. Ferner sind auch nicht humanmedizinische Anwendungsmöglichkeiten denkbar, da ähnliche Funktionsprinzipien in diversen anderen Organismen wirksam sind. So sind beispielsweise Anwendungen auch in der Tierproduktion und im sonstigen landwirtschaftlichen Bereich möglich.The examples presented below are intended to assist in the understanding of the invention and are not intended to limit the scope of, in any way, and should not be construed as such. The fact that only a few examples are described here is not intended to imply that the unusual coordination structure for VO 2+ is limited to these examples only, but is intended to demonstrate the range of possible applications based on a few arbitrarily chosen examples. These examples are intended solely to illustrate the fact that VO 2+ can affect carcinogenesis-causing transmission pathways in various ways (there are essentially five different possibilities presented in total); In addition, there are other medical applications. Even though the field of cellular signal transduction processes is a very young field and the understanding of extremely complex relationships is rapidly increasing but only slowly a clearer, more complete picture arises, the present patent application can not go into all the details and it must, as far as these processes already established, to be referred to the relevant specialist literature. Furthermore, in the present patent application, an emphasis is placed on cancer-causing processes, but this does not mean that a large number of other not so detailed medical conditions can not also be affected by the present patent application. In the following, only some of the most common diseases to which the invention might have an influence are mentioned, and more rarely occurring diseases are omitted. Furthermore, not human medical applications are conceivable because similar functional principles in various other organisms are effective. For example, applications are also possible in animal production and in other agricultural areas.
Beispiel 1A:Example 1A:
Da das ras-Onkogenprodukt für ca. 30% aller menschlichen Krebsfälle verantwortlich ist, insbesondere für 95% aller Karzinome des exokrinen Anteils der Bauchspeicheldrüse und 65% der Adenokarzinome des Kolon, sowie endometrischer Karzinome, Neuroblastome, Lungenkarzinome, Blasenkarzinome, Pankreaskarzinome und anderer Krebsarten die sich auf das ras-Gen beziehen, stellt das ras-Genprodukt ein Schlüsselprotein für die Krebstherapie dar. Pankreatische Karzinome sind als besonders aggressiv bekannt und zeigen eine profunde Resistenz gegenüber vorhandenen Behandlungsmethoden. Kolorektale Karzinome sind die zweithäufigste Sterbeursache von Patienten an Krebs in den U.S.A. Konventionelle Behandlungsmethoden vieler Krebsarten, u.a. von Krebs des Pankreas und Kolon, geht von Tumorentfernung, Chemotherapie und Bestrahlungstherapie aus. Daher besteht nach wie vor ein enormer Bedarf an effektiven und weniger invasiven bzw. toxischen Methoden für die Behandlung von Krebserkrankungen.Since the ras oncogene product is responsible for approximately 30% of all human cancers, especially for 95% of all carcinomas of the exocrine pancreas and 65% of adenocarcinomas of the colon, as well as endometrial carcinomas, neuroblastomas, lung carcinomas, bladder carcinomas, pancreatic carcinomas and other cancers pertaining to the ras gene, the ras gene product is a key protein in cancer therapy. Pancreatic carcinomas are known to be particularly aggressive and show a profound resistance to existing treatments. Colorectal cancer is the second leading cause of cancer death in the US Conventional treatments for many cancers, including cancer of the pancreas and colon, are based on tumor removal, chemotherapy and radiation therapy. Therefore, there is still an enormous need for effective and less invasive or toxic methods of treating cancer.
Es wird angenommen, daß das Ras-Protein hierbei nicht nur bei der Tumorinitiierung und Progression involviert ist sondern auch bei Krebsmetastasenbildung und somit bei Zellmigration und Invasion. H-Ras ist gewöhnlich aktiviert in Urintrakttumoren und Blasenkarzinomas, während K-Ras Aktivierung in ca. 50% aller kolorektalen und ca. 70 bis 90% aller pankreatischen Tumoren beobachtet wurde und auch in ca. 30% aller Adenokarzinomas der Lunge; N-Ras Aktivierung ist teilweise für epitheliale Krebserkrankungen berichtet worden einschließlich Kolorektalkrebs aber auch für Hautmelanome und akute nicht-lymphatische Leukämien. Ferner sind Ras-Mutationen beobachtet worden für Kolon Adenokarzinomas und Adenomas, myeloische Fehlfunktionen wie das myelodisplastische Syndrom, akute myeloische Leukämie und chronisch myeloische Leukamie und auch für pediatrische Leukämien. In Bezug speziell auf die Weichteiltumore sind H-Ras Mutationen für Rhabdomyosarkoma, Leiomyosarkoma und periphere Nervenscheidentumore und K-Ras Mutationen für Leiomyosarkoma und Liposarkoma berichtet worden. In Fällen des malignen fibrösen Histiocytoma zeigen H-Ras Mutationen Änderungen von Kodon 12 und K-Ras Mutationen an Kodon 13.It it is assumed that the Ras protein not only in tumor initiation and progression is involved but also in cancer metastasis and thus in cell migration and invasion. H-Ras is usually activated in urinary tract tumors and Bladder carcinomas while K-Ras activation in about 50% of all colorectal and about 70 to 90% of all pancreatic tumors was observed and also in about 30% all adenocarcinomas of the lung; N-Ras activation is partial for epithelial cancers including colorectal cancer but also for Skin melanomas and acute non-lymphatic Leukemias. Furthermore, Ras mutations have been observed for colon adenocarcinomas and Adenomas, myeloid malfunctions such as myelodisplastic syndrome, acute myeloid leukemia and chronic myeloid leukemia and also for pediatric leukemia. In relation H-Ras mutations for rhabdomyosarcoma, especially on the soft tissue tumors, Leiomyosarcoma and peripheral nerve sheath tumors and K-Ras mutations for leiomyosarcoma and liposarcoma have been reported. In cases of malignant fibrous histiocytoma show H-Ras mutations changes of Codon 12 and K-Ras mutations on codon 13.
Im Gegensatz zu zellularem p21ras, kann die maligne Transformation durch die Interaktion mit GAP, Ras nicht mehr in die inaktive, GDP-gebundene Konformation überführt werden. Damit verharrt Ras permanent in der GTP-gebundenen, aktiven Konformation und das zellwachstumsanregende Signal wird nicht länger inaktiviert und somit ein ungehemmtes Zellwachstum vorliegt was auch als eine "gain of function"-Mutation angesehen werden kann. Die onkogene Form von p21ras wird im wesentlichen durch Punktmutationen zweier Residuen verursacht, durch eine Veränderung von Gly12 und Gln61 (Adari et al., 1988), in selteneren Fällen auch Gly13 oder anderer Residuen. Ferner können Einfügungsmutationen in der "P-loop"-Region zu einem gleichfalls onkogenen Phänotypus führen.In contrast to cellular p21 ras , malignant transformation through interaction with GAP, Ras can no longer be converted into the inactive, GDP-bound conformation. Thus, Ras remains permanently in the GTP-bound, active conformation and the cell growth-stimulating signal is no longer inactivated and thus uninhibited cell growth is present, which can also be regarded as a "gain of function" mutation. The oncogenic form of p21 ras is essentially caused by point mutations of two residues, by a change of Gly12 and Gln61 (Adari et al., 1988), more rarely Gly13 or other residues. Furthermore, insertion mutations in the "P-loop" region can lead to a likewise oncogenic phenotype.
Die Röntgenstrukturanalysen der onkogenen p21ras Transformation zeigen, daß die Röntgenstrukturen im Großen und Ganzen sehr ähnlich zur "wild-type" Struktur sind. So zeigt beispielsweise die Überlagerung der Cα-Ketten von "wild-type" und dem mutagen veränderten p21ras Protein, welches entweder die Mutation von Gly12→Val oder Gln61→Leu beherbergt, eine fast vollständige Identität. Nur in den Schalterregionen sind Abweichungen zu beobachten, aber selbst dort sind diese gering. Erst bei sehr genauen hinsehen sind einige leichte Veränderungen in der Nukleotidbindungsumgebung feststellbar. Von besonderer Bedeutung für die Erfindung sind solche in der unmittelbaren Mg2+-Nukleotidumgebung. Auffallend in diesem Zusammenhang ist, daß die Liganden der innersten Koordinationsschale von Mg2+ im Gln61→His Mutanten weniger eng gebunden sind verglichen zum "wild-type"-Protein. Allerdings fehlt eines der axialen Wassermoleküle so das Mg2+ nur noch 5-fach koordiniert zu sein scheint. Ob dies nur ein Mangel der Röntgenstruktur oder von genereller Relevanz ist, ist unklar. Für die Gly12→Val Mutation sind die Distanzen der äquatorialen Mg2+ Liganden der innersten Schale vergleichbar mit dem "wild-type"-Protein und eher etwas kürzer, allerdings sind die Abweichungen von der idealen oktaedrischen Koordinationsstruktur merklich größer als für das "wild-type"-Protein. Leider fehlen in dieser Kristallstrukturanalyse sämtliche Wassermoleküle, sodaß auch die Koordinaten der axialen Mg2+-Wasserliganden unbekannt sind. Ob die äquatorialen Veränderungen der Koordinationsstrukturen allerdings ausreichend für die onkogene Wirkung der beiden Mutationen ist, insbesondere die Interaktion mit GAP zu beeinflussen, ist noch ungeklärt. Durch vergleichende Untersuchungen mit onkogenen Transformationen ist spekuliert worden, daß der Reaktionsmechanismus mittels eines pentakoordinierten γ-Phosphat Übergangszustandes vor sich geht und das Mutationen der besagten Aminosäuren möglicherweise mit der Formation dieses Zustandes interferieren und somit die onkogene Transformation verursachen (Privé et al., 1992). Ungeachtet davon gab die Struktur der p21ras Leu61 Mutation Anlaß zu der Vermutung, daß die 50-fach verstärkte Bindungsaffinität mit GAP aus Veränderungen der Schalter II Region resultiert (Krengel et al., 1990). Somit sollte speziell diese Region empfindlich für onkogene Veränderungen sein.The X-ray structure analyzes of the oncogenic p21 ras transformation show that the X-ray structures are broadly similar to the wild-type structure. For example, the superposition of C shows α chains of "wild-type" and the mutagenic altered p21 ras protein that either the mutation of Gly12 → Val or Gln61 → Leu houses, an almost complete identity. Deviations are observed only in the switch regions, but even there they are low. Only by looking very closely are there some slight changes in the nucleotide binding environment. Of particular importance to the invention are those in the immediate Mg 2+ nucleotide environment. Remarkable in this connection is that the ligands of the innermost coordination shell of Mg 2+ in the Gln61 → His mutant are less tightly bound compared to the wild-type protein. However, one of the axial water molecules is missing so that Mg 2+ only seems to be 5-fold coordinated. Whether this is just a lack of X-ray structure or of general relevance is unclear. For the Gly12 → Val mutation, the distances of equatorial Mg 2+ ligands of the innermost shell are comparable to the wild-type protein and somewhat shorter, but the deviations from the ideal octahedral coordination structure are appreciably larger than for the wild-type type "protein. Unfortunately, all water molecules are missing in this crystal structure analysis, so that the coordinates of the axial Mg 2+ water ligands are also unknown. Whether the equatorial changes in the coordination structures are sufficient for the oncogenic effect of the two mutations, in particular to influence the interaction with GAP, is still unclear. It has been speculated by comparative studies with oncogenic transformations that the reaction mechanism proceeds by means of a pentacoordinated γ-phosphate transition state and that the mutations of said amino acids possibly interfere with the formation of this state and thus cause oncogenic transformation (Privé et al., 1992). , Regardless, the structure of the p21 ras Leu61 mutation suggested that the 50-fold enhanced binding affinity with GAP resulted from changes in the switch II region (Krengel et al., 1990). Thus, especially this region should be sensitive to oncogenic changes.
In Bezug auf die onkogene Transformation von Ras könnte diese doppelt negative Auswirkungen haben, da, wie eingangs erwähnt, Ras einerseits via des MAPK Übertragungsweges für das chronische Zellwachstum verantwortlich gemacht wird und andererseits über den Phosphoinositid 3-Kinase (PI-3K)-induzierten Übertragungsweg, dem anderen Ras-Effektor, mit einer Apoptosehemmung in Verbindung gebracht wird. Die Schalterregionen sind Schlüsselregionen für die Wechselwirkung mit den Effektoren. Die Kristallstruktur von Ras mit PI3-K zeigt, daß sowohl die Schalter I als auch Schalter II Region im Ras-Protein entscheidende Kontakte mit PI-3Kγ macht (Pacold et al., 2000). Dies verdeutlicht, wie wichtig eine gezielte Steuerung der Ras-Effektorwechselwirkungen ist.In Regarding the oncogenic transformation of Ras, these could be doubly negative Impact, as, as mentioned above, Ras on the one hand via the MAPK transmission path for the Chronic cell growth is blamed and, on the other hand, over the Phosphoinositide 3-kinase (PI-3K) -induced pathway, the other Ras effector, is associated with apoptosis inhibition. The switch regions are key regions for the Interaction with the effectors. The crystal structure of Ras with PI3-K shows that both the switch I as well as switch II region in Ras protein crucial Makes contacts with PI-3Kγ (Pacold et al., 2000). This illustrates how important a targeted Control of Ras effector interactions is.
Ganz generell gilt, daß die kritischen Signalübertragungswege, die involviert sind bei Proliferation, Differenzierung und Apoptose, streng kontrolliert werden müssen. Hierzu trägt Ras einen entscheidenden Anteil bei. Es bleibt zu bemerken, daß oft mehrere Signalinputs nötig sind, um die Signalreaktionen, die bei der Zellproliferation erforderlich sind, zu initiieren und zu erhalten.More generally, the critical signaling pathways involved in proliferation, differentiation, and apoptosis are tightly controlled Need to become. Ras plays a key role here. It should be noted that often multiple signal inputs are needed to initiate and maintain the signal responses required in cell proliferation.
Interessanterweise gibt es auch Untersuchungen eines mutagen veränderten Nitrogenase Fe-Proteins, dessen Punktmutation dem der onkogenen Leu61 Mutation in Ras entspricht. Dies ist das Asp 129→Glu Fe-Protein (Lanzilotta et al., 1995). Es bindet weiterhin MgADP und MgATP mit etwas gesteigerter Affinität für MgATP verglichen mit dem "wild-type" Protein. Es zeigt allerdings, daß die Funktion, in diesem Fall die relative Substratreduktionsaktivität durch die Veränderung vollständig inhibiert wird. Das Asp129→Glu Fe-Protein bildet auch nach wie vor einen Komplex mit dem MoFe-Protein. Damit scheint sich die Parallelität zwischen Ras und dem Fe-Protein nicht nur auf die zellulare Formen zu beschränken, sondern durchaus auch auf Punktmutationen zutreffen, die für das Ras-Protein zu neoplastischen Veränderungen führen. Auch die Verringerung bzw. der Austausch von Mg2+ selber kann zu einer erheblichen Veränderung der Guanosin-Nukleotid Austauschraten führen (Hall & Self 1986; Schweins et al., 1997).Interestingly, there are also studies of a mutagenically modified nitrogenase Fe protein whose point mutation corresponds to that of the oncogenic Leu61 mutation in Ras. This is the Asp 129 → Glu Fe protein (Lanzilotta et al., 1995). It also binds MgADP and MgATP with slightly increased affinity for MgATP compared to the wild-type protein. It does, however, show that the function, in this case the relative substrate reduction activity, is completely inhibited by the change. The Asp129 → Glu Fe protein still forms a complex with the MoFe protein. Thus, the parallelism between Ras and the Fe protein does not seem to be confined to the cellular forms, but also applies to point mutations leading to neoplastic changes for the Ras protein. The reduction or exchange of Mg 2+ itself can also lead to a considerable change in the guanosine nucleotide exchange rates (Hall & Self 1986, Schweins et al., 1997).
Eine mögliche Anwendung der oben beschriebenen Koordinationsstruktur, wobei Mg2+ durch VO2+ substituiert wird, ist das Ras-Protein für das es möglich ist, daß in der onkogenen Transformation von p21ras, Teile der Schalterregionen derart beeinflußt werden, daß Regulator und Effektorwechselwirkungen mehr dem zellularen Phänotyp ähneln denn dem onkogenen Phänotyp. Damit könnte die Signaltransduktionskette, die für neoplastische Transformationen verantwortlich ist, in Bezug auf die stromabwärts gelegenen Regulationsmechanismen moduliert werden indem die Schalterregion-abhängigen Modifikationen zumindest teilweise rücktransformiert werden können und die Effektorassoziation, die von der GTP-ebundenen Konformation abhängig ist, verhindert würde. In letzter Konsequenz würde dies zu einem Abbruch des wachstumsstimulierenden Signals führen. Eine solche Modifikation der Schalterregionen ist konsistent mit früheren Beobachtungen der antikarzinogenen Wirkung von Vanadylsalzen.One possible application of the coordination structure described above, wherein Mg 2+ is substituted by VO 2+ , is the Ras protein, for which it is possible that in the oncogenic transformation of p21 ras , portions of the switch regions are influenced such that regulator and effector interactions more similar to the cellular phenotype than the oncogenic phenotype. Thus, the signal transduction chain responsible for neoplastic transformations could be modulated with respect to the downstream regulatory mechanisms by at least partially back-transforming the switch region-dependent modifications and preventing effector association dependent on the GTP-linked conformation. Ultimately, this would lead to an abort of the growth-stimulating signal. Such modification of the switch regions is consistent with previous observations of the anticarcinogenic effect of vanadyl salts.
Es sollte an dieser Stelle allerdings auch bedacht werden, daß die derzeitige allgemein akzeptierte Ansicht ist, daß es mehr als eines genetischen Defektes bedarf um eine Primärzelle zu transformieren was einer mehrstufigen Natur der Tumorentwicklung entspricht. Es wird angenommen, daß die Ras-GTPase alleine nicht in der Lage ist eine Primärzelle zu transformieren sondern Hand in Hand gehen muß mit kooperierenden Onkogenen oder dem Funktionsverlust von spezifischen "tumor suppressor genes". In dieser Beziehung könnte die Zellzyklushemmung durch "cyclin-dependent kinase inhibitors" (CDKIs) eine Rolle spielen. Onkogene Veränderungen die mit Ras kooperieren, neutralisieren die Zellzyklushemmung durch verschiedene Mechanismen. Dies ist vermutlich assoziiert mit der Induktion der CDKI Proteine, p16 und p21Cipl deren Verlust der Aktivität in einer Unsterblichkeit oder zumindest einer sehr stark verlängerten Lebenspanne resultiert.However, it should be remembered that the current generally accepted view is that more than one genetic defect is needed to transform a primary cell, corresponding to a multi-level nature of tumor development. It is believed that the Ras GTPase alone is unable to transform a primary cell but must go hand in hand with cooperating oncogenes or the loss of function of specific tumor suppressor genes. In this regard, cell cycle inhibition by cyclin-dependent kinase inhibitors (CDKIs) could play a role. Oncogenic changes that cooperate with Ras neutralize cell cycle inhibition through various mechanisms. This is believed to be associated with the induction of CDKI proteins, p16 and p21 Cipl, whose loss of activity results in an immortality or at least a very prolonged life span.
Erst
vor sehr kurzer Zeit wurde ein weiteres ras bzw. ras-artiges Genprodukt
entdeckt, welches als Eras bezeichnet wurde (Takahashi et al., 2003). Dieses
kommt in embryonalen Stammzellen (ES) vor und wird mit Tumor-verursachenden
Eigenschaften (Teratomas) in Verbindung gebracht. Eras enthält alle Aminosäure-Sequenzmotive wie
das klassische Ras Protein, u.a. die beiden Walker Motive A und
B (siehe
In Bezug auf onkogene Transformationen von Ras bleibt zu bemerken, daß Ras nicht nur bei eigentlichen Tumorinitiierung und Progression beteiligt ist, sondern auch bei der Neovaskularisation (Angiogenese) der Hyperplasias, welches notwendig für die weitere Entwicklung der Tumore ist. Onkogenes Ras stimuliert eine Anzahl von Effektorübertragungswege, die an der transkriptionellen Aktivierung von Genen beteiligt sind, die die Angiogenese kontrollieren. Der möglicherweise bekannteste Vertreter hierfür ist der "vaskular endothelial growth factor" (VEGF). VEGF ist einer der Hauptmediatoren der Vaskularisation von soliden Tumoren. Es existieren mindestens zwei verschiedene Ras-aktivierte Übertragungswege zur Kontrolle der VEGF Expression, der klassische MAPK Übertragungsweg und der PI-3K Effektorübertragungweg mit PI-3K > PDK > PKB, die unabhängig voneinander die VEGF Transkription kontrollieren. Die Vielzahl von Übertragungswegen und der entsprechenden diversen Aktivierungsprozesse, an denen Ras direkt oder indirekt beteiligt ist, ermöglicht den Einsatz der VO2+ Substitution in Ras auch zur Regulierung von Angiogeneseprozessen bzw. als Anti-Angiogenese-Agens.With regard to oncogenic transformations of Ras, it should be noted that Ras is involved not only in actual tumor initiation and progression, but also in the neovascularization (angiogenesis) of hyperplasia, which is necessary for the further development of the tumors. Oncogenic Ras stimulates a number of effector transmission pathways involved in the transcriptional activation of genes that control angiogenesis. Perhaps the best known representative of this is the "vascular endothelial growth factor" (VEGF). VEGF is one of the main mediators of vascularization of solid tumors. There are at least two different Ras-activated routes to control VEGF expression, the classical MAPK pathway, and the PI-3K effector pathway with PI-3K>PDK> PKB, which are independent Control VEGF transcription from each other. The multitude of pathways and the corresponding diverse activation processes, in which Ras participates directly or indirectly, allows the use of VO 2+ substitution in Ras also for the regulation of angiogenic processes or as an anti-angiogenesis agent.
Ferner scheint zellulares Ras auch in Na+-Kanalaktivitäten involviert zu sein. Experimente über Aldosteron-induzierte Na+-Kanalaktivität legen einen solchen Zusammenhang nahe. Somit könnte Ras auch eine gewisse Funktion bei der steroiden Hormon-kontrollierten Salzregulation und der Wasserhomeostase im menschlichen Körper zukommen. Ferner sei an dieser Stelle noch kurz erwähnt, daß onkogenes, aktiviertes Ras auch mit einer erhöhten intrinsischen Strahlungsresistenz in Verbindung gebracht wird. Eine Ras Inaktivierung sollte somit auch zu einer Strahlungssensitivierung führen, wie dies für posttranslationale Modifikationen von Ras beobachtet wurde.Furthermore, cellular Ras also appears to be involved in Na + channel activities. Experiments on aldosterone-induced Na + channel activity suggest such a relationship. Thus, Ras could also play some role in steroid hormone-controlled salt regulation and water homeostasis in the human body. Furthermore, it should be briefly mentioned at this point that oncogenic, activated Ras is also associated with an increased intrinsic radiation resistance. Ras inactivation should therefore also lead to radiation sensitization, as observed for post-translational modifications of Ras.
Nicht nur p21ras selber ist ein Onkogenprodukt, sondern es existieren auch Ras GAPs und GEFs, die zu neoplastischen Transformationen führen. So ist beispielsweise auch der Guanosinaustauschfaktor Vav, der mutmaßlich ein Ras-spezifischer GEF ist, ein Onkogen. Vav tritt auf in in einer großen Auswahl von myeloiden-, makrophagen-, granulozyten-, mast-, erythroiden-, T-Zellen und B-Zellen-abgeleiteten Zelllinien auf und wurde beobachtet in Milz, Lunge und fetaler Leber. Auch GAPs in Form des Neurofibromatose Typ I (NF1) Genproduktes, welches ein negativer Regulator der p21ras Signalisierung ist, wird mit neoplastischen Veränderungen in Verbindung gebracht, wenn in dem "tumor-suppressor"-Gen NF1 gewisse Mutationen auftreten. Die genaue molekulare Struktur für den Ras-RasGAP-Komplex und das NF1 "tumor suppressor"-Genprodukt Neurofibromin sind ebenfalls mittels Röntgenstrukturanalyse analysiert worden (Scheffzek et al., 1996, Scheffzek et al., 1998b). Wenigstens eine Aminosäure, Lys1423, ist mutiert in Glu für Neurofibromin und in Gln für Neurofibromas und dies wird allgemein als ein wichtiger katalytischer Faktor für die dramatisch reduzierte GAP Aktivität angesehen. Interessanterweise gehen aktivierende Mutationen von Ras einher mit Mutationen die das "tumor-suppressor"-Gen p53 inaktivieren in einer Anzahl von Transformationsassays und Modellen der Tumorgenese. Somit müssen für maligne Transformationen mehrere Faktoren zusammenkommen. Darüberhinaus, typisch für "tumor-suppressor"-Gene, fehlt die Neurofibromin Expression in einer Reihe von sporadisch auftretenden Tumoren in Personen ohne NF1 einschließlich nicht-NF1 Neurofibromen und dem malignen peripheren Neurilemmom, Neuroblastomen, malignen Melanomen und Pheochromozytomen.Not only p21 ras itself is an oncogene product, but there are also Ras GAPs and GEFs that lead to neoplastic transformations. For example, the guanosine exchange factor Vav, which is presumed to be a Ras-specific GEF, is an oncogene. Vav occurs in a wide variety of myeloid, macrophage, granulocyte, mast, erythroid, T cell and B cell-derived cell lines and has been observed in spleen, lung and fetal liver. Also, GAPs in the form of the neurofibromatosis type I (NF1) gene product, which is a negative regulator of p21 ras signaling, is associated with neoplastic changes when certain mutations occur in the tumor suppressor gene NF1. The exact molecular structure for the Ras-RasGAP complex and the NF1 "tumor suppressor" gene product neurofibromin have also been analyzed by X-ray diffraction analysis (Scheffzek et al., 1996, Scheffzek et al., 1998b). At least one amino acid, Lys1423, is mutated in Glu for neurofibromin and in Gln for neurofibromas and this is generally considered to be an important catalytic factor for the dramatically reduced GAP activity. Interestingly, activating mutations of Ras are associated with mutations that inactivate the tumor suppressor gene p53 in a number of transformation assays and models of tumorigenesis. Thus, several factors must come together for malignant transformations. In addition, typical of "tumor suppressor" genes, neurofibromin expression is absent in a number of sporadic tumors in subjects without NF1, including non-NF1 neurofibromas and malignant peripheral neurilemma, neuroblastomas, malignant melanomas, and pheochromocytomas.
Da beide Ras Regulationsprozesse sowohl für GAPs als für GEFs entscheidend von den Schalter I und II Konformationen abhängen erscheint eine erfolgreiche Behandlung von Neurofibromatosis Typ I und Vav-induzierter Tumoren durch besagte Substitution mit VO2+ ein Unterbeispiel für Ras-bedingte Modifikationen der Nukleotidbindungsumgebung zu sein, welche Einfloß nehmen kann auf die Regulatorwechselwirkungen mit Ras und somit ein Regulativ für fehlgeleitete Signaltransduktionsprozesse darstellen könnte.Since both Ras regulatory processes are critically dependent on switch I and II conformations for both GAPs and GEFs, successful treatment of neurofibromatosis type I and Vav-induced tumors by said substitution with VO 2+ appears to be a sub-example of Ras-related modifications of the nucleotide binding environment , which may take influence on the regulatory interactions with Ras and thus could be a regulator of misdirected signal transduction processes.
Beispiel 1B:Example 1B:
Diabetes ist eine epidemische Fehlfunktion, die daraus herrührt, daß i.a. die Insulinsekretion der pankreatischen β-Zellen nicht mehr in der Lage ist, den Glukosespiegel in einem normalen Rahmen zu halten (Glukose-Homeostase). Insulinresistenz ist das Hauptmerkmal von Typ II Diabetes mellitus ("non-insulindependent diabetes mellitus" oder NIDDM), der am weitesten verbreiteten Form von Diabetes. Obwohl Defekte in der Glukose Homeostase seit Jahrzehnten bekannt sind, ist der molekulare Mechanismus, der für die verminderte Ganzkörper-Glukoseaufnahme verantwortlich ist, immer noch nicht vollständig verstanden. Die Insulin-Signalübertragungskette, soweit sie fest etabliert ist, involviert u.a. die Aktivierung der Ras GTPase. Dies erfolgt mittels direkter Aktivierung des Ras Gunosinaustauschfaktors, Sos im Komplex mit dem "growth factor receptor bound protein-2" Grb2 und Shc oder SHP-2, entweder durch den Insulin-Rezeptor direkt oder des nachgeschalteten Adapterproteins der Familie der "insulin receptor substrates-1" wie IRS-1, was dann zur Aktivierung von Ras führen kann.diabetes is an epidemic malfunction resulting from i.a. the Insulin secretion of pancreatic β-cells is no longer capable is to keep the glucose level in a normal frame (glucose homeostasis). Insulin resistance is the main feature of type II diabetes mellitus ("non-insulin-inducing diabetes mellitus "or NIDDM), the most prevalent form of diabetes. Although defects Homeostasis in glucose has been known for decades is the molecular mechanism responsible for the diminished whole-body glucose intake responsible is still not complete Understood. The insulin signaling chain, as far as it is firmly established, i.a. the activation of the Ras GTPase. This is done by direct activation of the Ras Gunosina exchange factor, Sos in the complex with the "growth factor receptor bound protein-2 "Grb2 and Shc or SHP-2, either directly or through the insulin receptor of the downstream adapter protein of the family of the "insulin receptor substrates-1 "like IRS-1, which can then lead to the activation of Ras.
Allerdings ist die Glukose-Homeostase noch sehr viel komplexer. So ist beispielweise die Nettorate des β-Zell "turn-over" ein wichtiger Faktor in der Regulation der Glukose-Homeostase. Interessanterweise könnten, abgesehen von der kleinen GTPase Ras, die unmittelbar im IRS-1 Signalübertragungsweg beteiligt ist, andere GTPasen zumindest indirekt in pankreatischen β-Zellen eine Rolle spielen. Dies ist eine ganze Anzahl von Mitgliedern der herterotrimeren G-Proteine (Gi, Gs, Gq etc.) (vide infra) als auch alle drei Hauptvertreter der Rho-Familie (vide infra). Funktionale Studien haben belegt, daß wenigstens einige dieser GTPasen an der physiologischen Kontrolle der Insulinsekretion beteiligt sind (Kowluru et al., 1996; Kowluru et al., 1997). Obwohl diese Signaltransduktionswege noch weitgehend unverstanden sind, könnten auch sie mit dem vorliegenden Patentantrag in Verbindung stehen.However, glucose homeostasis is much more complex. For example, the net rate of β-cell turn-over is an important factor in the regulation of glucose homeostasis. Interestingly, apart from the small GTPase Ras, which is directly involved in the IRS-1 signaling pathway, other GTPases could play at least indirectly in pancreatic β-cells. This is quite a number of members of herterotrimeren G proteins (G i, G s, G q, etc.) (vide infra) and all three main representatives of the Rho family (vide infra). Functional studies have demonstrated that at least some of these GTPases are involved in the physiological control of insulin secretion (Kowluru et al., 1996, Kowluru et al., 1997). Although these signal transduction pathways are still poorly understood, they too may be related to the present patent application.
Es ist seit geraumer Zeit bekannt, daß hauptsächlich Vanadat und Vanadatverbindungen aber auch Vanadyl und Vanadylverbindungen erfolgreich für die Diabetes mellitus Typ I und Typ II Behandlung eingesetzt werden können (siehe z.B.: Thompson et al., 1999; Shechter et al., 2003). Der entscheidende Vorteil der Behandlung mit Vanadium ist die Möglichkeit der oralen Verabreichung. Dies hat dazu geführt, daß einige Vanadiumkomplexe in Bezug auf ihre insulinomimetische Wirkung ins Stadium erster klinischer Tests eingetreten sind, allerdings noch mit sehr begrenzten Probandenzahlen. Die gesteigerte Effizienz dieser Vanadiumkomplexe gegenüber den einfachen Vanadiumsalzen könnte hingegen möglicherweise mit stabileren Redoxeigenschaften in Körperflüssigkeiten zusammenhängen oder günstigeren zellularen Transporteigenschaften aber nicht mit der eigentlichen Wirksamkeit. Die im vorliegenden Patentantrag beschriebenen Regulationsmechanismen können auch von Relevanz für die Homeostase des Glukosehaushalts sein, da auch hierbei das Ras-Protein entscheidend beteiligt ist. Während für die Wirkung von Vanadat in der Signaltransduktionskette relativ gesicherte Vorstellungen bestehen, ist die Wirkung von Vanadyl weitgehend unklar. Sollte also die Modifikation von Ras durch Vanadyl tatsächlich für die insulino mimetische Wirkung von Vanadyl verantwortlich sein, würde dies Ras eine ganz zentrale Rolle zumessen, viel zentraler als dies bisher gemeinhin angenommen wurde.It has been known for some time that mainly vanadate and vanadate compounds but also vanadyl and vanadyl compounds are successful for diabetes mellitus type I and type II treatment can be used (see eg: Thompson et al., 1999, Shechter et al., 2003). The key advantage of vanadium treatment is the possibility of oral administration. This has led some vanadium complexes to enter the stage of initial clinical testing for their insulinomimetic effect, albeit with very limited numbers of subjects. The increased efficiency of these vanadium complexes over the simple vanadium salts, on the other hand, may possibly be related to more stable redox properties in body fluids or less favorable cellular transport properties, but not to the actual activity. The regulatory mechanisms described in the present patent application may also be of relevance for the homeostasis of the glucose balance, since in this case too, the Ras protein is decisively involved. While the effect of vanadate in the signal transduction chain is relatively secure, the effect of vanadyl is largely unclear. Thus, if Vanadyl's modification of Ras were indeed responsible for the insulin-mimetic effect of vanadyl, it would assign Ras a central role, much more central than previously thought.
Beispiel 1CExample 1C
Mit der Wirkung von Insulin ist unmittelbar ein weiterer Prozeß verbunden. Es ist seit längerem bekannt, daß Insulin auch einen entscheidender Faktor bei der Lipogenese darstellt. Studien zeigen, daß reife Adipozyten und Myozyten von einem gemeinsamen mesenchymen Vorläufer ausgehen und dem "insulin-like growth factor-1" (IGF-1) bei der Zelldifferenzierung eine Schlüsselrolle zukommt. IGF-1 und Insulin aktivieren eine Anzahl von spezifischen stromabwärts gelegenen Signaltransduktionswege und einer dieser Signalübertragungswege, der hier eine Rolle spielt, ist der bereits oben beschriebene Ras-stimulierte MAP-Kinase Übertragungsweg. Der IGF-1 Rezeptor liegt stromaufwärts von Ras und wird als weiterer Vertreter angesehen zur direkten Stimulierung von Ras, sodaß eine Modulation der Ras-Aktivität auch unmittelbar Einfluß auf einen der IGF-1-abhängigen Signalübertragungswege hätte.With The effect of insulin is directly linked to another process. It has been known for some time that insulin also represents a crucial factor in lipogenesis. studies show that mature Adipocytes and myocytes emanate from a common mesenchymal precursor and the "insulin-like growth factor-1 "(IGF-1) plays a key role in cell differentiation. IGF-1 and Insulin activate a number of specific downstream Signal transduction pathways and one of these signaling pathways, which play a role here is the Ras-stimulated MAP kinase pathway already described above. The IGF-1 receptor is located upstream of Ras and will act as another Representatives regarded for the direct stimulation of Ras, so that a modulation the Ras activity also directly influence one of the IGF-1-dependent signal transmission paths would have.
Durch die insulino-mimetische Wirkung von Vanadium und Vanadiumkomplexen liegt es nahe, daß Vanadium auch unmittelbar auf die Zelldifferenzierung Einfluß nehmen kann. Mit der VO2+-bedingten Ras Modulation ist somit eine Möglichkeit geschaffen auch direkt die Adipogenese zu beeinflussen.Due to the insulino-mimetic effect of vanadium and vanadium complexes, it is obvious that vanadium can also directly influence cell differentiation. The VO 2+ -mediated Ras modulation thus creates a possibility to directly influence the adipogenesis.
Eine zweite Möglichkeit der Einflußnahme hat sich jüngst gezeigt und ein Aspekt soll bereits hier, im Kontext mit der Zelldifferenzierung, vorweg genommen werden soll, obwohl diese GTPase im nachfolgenden Beispiel 2 noch näher beschrieben wird. Abgesehen von Ras hat sich nämlich ein weiteres GTP-bindendes Protein, die GTPase Rho, die normalerweise für die Anordnung des Cytoskeletts verantwortlich gemacht wird, gezeigt, daß sie als Schalter zwischen der Adipogenese und der Myogenese fungieren kann. Es ist gezeigt worden, daß die Myogenese die exzessiv anhaltende Rho Aktivierung erfordert, während die Adipogenese ein Resultat der Deaktivierung von Rho durch das entsprechende RhoGAP ist. Die Einflußnahme auf die Schalterregionen durch die VO2+-Substitution auch von Rho-Proteinen kann somit auch eine entscheidende Rolle bei der vermeintlich Rho-abhängigen Zelldifferenzierung spielen.A second possibility of influencing has recently been shown and one aspect should already be anticipated here, in the context of cell differentiation, although this GTPase will be described in more detail in Example 2 below. Apart from Ras, another GTP-binding protein, the GTPase Rho, which is normally thought to be responsible for the assembly of the cytoskeleton, has been shown to act as a switch between adipogenesis and myogenesis. It has been shown that myogenesis requires excessively sustained Rho activation, while adipogenesis is a result of Rho deactivation by the corresponding RhoGAP. The influence on the switch regions by the VO 2+ -substitution of Rho-proteins can thus also play a decisive role in the supposedly Rho-dependent cell differentiation.
Beispiel 2:Example 2:
Die Ras-homologe (RHO) Unterfamilie der monomeren GTP-bindenden Proteine, u.a. bestehend aus Rho (mit RhoA, RhoB und RhoC Isoformen), Rac (mit Rac1, Rac2 und Rac3 Isoformen) und des "cell division cycle"-Proteins, Cdc42 (mit Cdc42Hs und G25K Isoformen), liefert ein weiteres Beispiel für eine Anwendung wo die Substitution von nukleotidgebundenem Mg2+ durch VO2+ eine Rolle spielen kann. Die folgenden Beschreibungen beschränken sich auf die am besten charakterisierten Vertreter dieser Unterfamilie, Rho, Cdc42 und Rac. Die Funktionalität und Effizienz der RhoGTPase Signalisierung ist der Angelpunkt für eine Vielzahl von biologischen Prozessen. Alle drei Proteine dieser Unterfamilie sind in der einen oder anderen Art involviert in der Aktin Polymerisierung und Anordnung des Cytoskeletts aber auch in Genexpression und Zellzyklusprogression.The Ras homologous (RHO) subfamily of monomeric GTP-binding proteins, including Rho (with RhoA, RhoB and RhoC isoforms), Rac (with Rac1, Rac2 and Rac3 isoforms) and the cell division cycle protein, Cdc42 (with Cdc42Hs and G25K isoforms) provides another example of an application where substitution of nucleotide-bound Mg 2+ by VO 2+ may play a role. The following descriptions are limited to the best characterized members of this subfamily, Rho, Cdc42 and Rac. The functionality and efficiency of RhoGTPase signaling is the linchpin for a variety of biological processes. All three proteins of this subfamily are involved in one way or another in the actin polymerization and assembly of the cytoskeleton but also in gene expression and cell cycle progression.
Diese Schalterproteine werden wie p2lras aktiviert durch Bindung von GTP und inaktiviert durch GDP, und die Aktivierung wird abgeschwächt durch die Bindung von GAPs, die die Hydrolyse von GTP zu GDP beschleunigen. Insgesamt besitzen die Vertreter dieser Unterfamilie einen sehr ähnlichen Funktionsmechanismus verglichen mit Ras. Insbesondere besitzen sie eine homologe Nukleotidbindungsfaltung mit Mg2+-Nukleotid-abhängigen Schalter I und Schalter II Regionen. Eine weitere bemerkenswerte Beobachtung ist die Parallele im AlFx-Bindungsverhalten für die Ras und die Rho G-Protein Unterfamilie; alle GTPasen dieser Unterfamilien binden AlFx nur in der gleichzeitigen Gegenwart ihrer entsprechenden GAPs. Eine weitere Parallelität ist die Involvierung eines Residuums in der Hydrolysestimulation, welches mittels eines von GAP beigesteuerten Argininfingers eine direkte Rolle spielt in der terminalen Phosphatgruppenkoordination, möglicherweise durch die Stabilisierung des Übergangszustandes der GTPase Reaktion. In diesem Beispiel ist allerdings auch wichtig zu bemerken, daß einige möglicherweise wichtige strukturelle Unterschiede zur Ras-Unterfamilie existieren und diese betreffen speziell die Schalter I Region. Obwohl für RhoA auch bedeutende Konformationsänderungen in den Schalter I und II Regionen zwischen dem GDP und einem nicht-hydrolysierbaren GTP-Analog (GTPγS) beobachtet wurden, scheint das Threonin der Schalter I Region durch das Thr37 Hauptketten-Sauerstoffatom bereits im GDP-gebundenen Zustand das Mg2+-Atom zu koordinieren, sodaß im Gegensatz zu den vier koordinierten Wassermolekülen für Ras, Mg2+ im GDP-gebundenen Zustand nur drei koordinierte Wassermoleküle besitzt, abgesehen von dem einzähnigen GDP Liganden und dem unveränderlichen Thr(Ser) der Nukleotid-Phosphatbindungsregion. Das bedeutet das die Nukleotidbindungsfaltungen für gebundenes Mg2+GDP und Mg2+GTP-Analog sehr ähnlich sind. Dies führt auch dazu das diese Region für gebundenes GDP sehr viel rigider im Vergleich zu der typische Flexibilität dieser Region in Ras ist. Ein ähnliches Verhalten ist auch für Cdc42 beobachtet worden, und es wurde für den Komplex mit RhoGDI spekuliert, daß die Stabilisierung des Schalter I Threonins eine mögliche Erklärung für die nukleotid-inhibierende Wirkung von RhoGDI sein könnte. Insgesamt kann gesagt werden, daß trotz der möglichen Unterschiede zu Ras auch für Rho die beiden Schalterregionen entscheidend für die Wechselwirkungen mit Regulator- und Effektormolekülen sind.These switch proteins, like p2lras, are activated by binding of GTP and inactivated by GDP, and activation is attenuated by the binding of GAPs, which accelerate the hydrolysis of GTP to GDP. Overall, the members of this subfamily have a very similar mechanism of action compared to Ras. In particular, they have a homologous nucleotide binding fold with Mg 2+ nucleotide-dependent switch I and switch II regions. Another noteworthy observation is the parallel in the AlF x binding behavior for the Ras and the Rho G protein subfamily; all GTPases of these subfamilies bind AlF x only in the simultaneous presence of their respective GAPs. Another parallelism is the involvement of a residue in the hydrolysis stimulation, which plays a direct role in the terminal phosphate group coordination by means of a GAP-contributed arginine finger, possibly by stabilizing the transition state of the GTPase reaction. In this example, however, it is also important to note that some may have important structural differences to the Ras subfamily exist and these specifically concern the switch I region. Although significant conformational changes have also been observed for RhoA in switch I and II regions between the GDP and a non-hydrolyzable GTP analog (GTPγS), the threonine of the switch I region through the Thr37 backbone oxygen atom already appears in the GDP-bound state To coordinate Mg 2+ atom, so that, in contrast to the four coordinated water molecules for Ras, Mg 2+ in the GDP-bound state has only three coordinated water molecules, apart from the monodentate GDP ligand and the invariable Thr (Ser) of the nucleotide-phosphate binding region , This means that the nucleotide binding folds for bound Mg 2+ GDP and Mg 2+ GTP analog are very similar. This also means that this region for bound GDP is much more rigid compared to the typical flexibility of this region in Ras. Similar behavior has also been observed for Cdc42 and it has been speculated for the complex with RhoGDI that stabilization of the switch I threonine might be a possible explanation for the nucleotide-inhibiting effect of RhoGDI. Overall, it can be said that despite the possible differences to Ras for Rho, the two switch regions are crucial for the interactions with regulatory and effector molecules.
Da angenommenermaßen VO2+ sehr effektiv das Guanosinnukleotid-gebundene Mg2+ ersetzen kann und die Schalterregionen moduliert, sollte eine solche Substitution auch für diese Proteinfamilie zu einer Möglichkeit der Modulation von konformationsgesteuerten Effektor- und Regulatorwechselwirkungen aller GTPasen dieser Unterfamilie führen. Interessante Anwendungen für VO2+-induzierte Konformationsänderungen könnten somit auch die Proteine der Rho-Familie sein. Allerdings ist im Gegensatz zu p21ras in den beiden unten vorgestellten Beispielen nicht das nukleotidbindende Protein selber der mögliche Auslöser für die Entstehung von Krankheiten, sondern die Wechselwirkungen der Rho-GTPasen, insbesondere Cdc42, entweder mit den stromaufwärts oder abwärts gelegenen Molekülen, d.h. in diesen Fällen den Effektoren oder den Guanosin-Austauschfaktoren (GEFs).Since it is believed that VO 2+ can very effectively replace the guanosine nucleotide-bound Mg 2+ and modulate the switch regions, such substitution should also result in a possibility of modulating conformationally controlled effector and regulator interactions of all GTPases of this subfamily for this family of proteins. Interesting applications for VO 2+ -induced conformational changes could thus be the Rho family of proteins. However, unlike p21ras in the two examples presented below, not the nucleotide-binding protein itself is the potential trigger for the development of diseases, but the interactions of the Rho GTPases, especially Cdc42, with either the upstream or downstream molecules, ie in these cases the effectors or guanosine exchange factors (GEFs).
Cdc42 ist ein Vertreter der Rho-bezogenen G-Protein Unterfamilie. Dieser reguliert die Cytoskelettarchitektur durch GTP-abhängige Bindung von Effektorproteinen die ein Cdc42/Rac-interaktives Bindungsmotiv besitzen. Eines der Effektormoleküle ist das Produkt des 'Wiskott-Aldrich syndrome' (WAS) Gens, welches in Verbindung gebracht wird mit der Anordnung von Aktin durch die Aktivierung von Cdc42. WAS, eine Fehlfunktion hämatopoetischer Zellen und charakterisiert durch Störungen des Aktingerüsts, wird durch Mutationen in menschlichen WASP verursacht, welches zu den klinischen WAS-Symptomen wie Thrombozytopenie, Ekzemen und Störung des Immunsystems führt. Eine Anzahl von Mutationen kann klassisches WAS oder XLT ("X-chromosome linked thrombocytopenia"), die etwas mildere Form dieser Krankheit beschränkt auf Thrombozytenabnormalitäten, verursachen. Dies wird bestätigt durch eine kürzlich publizierte Studie einer anderen hämatopoetischen Störung, der X-Chromosom-verbundenen schweren kongenitalen Neutropenie (XLN). Diese resultiert scheinbar aus einer einzigen Punktmutation in WASP her und zwar der Substitution von Leuzin an Position 270 durch Prolin. Dieses Residuum befindet sich in einer Region die direkt für Kontakte zwischen Cdc42 und WASP verantwortlich ist und wechselwirkt möglicherweise direkt mit der Schalter II Region von Cdc42. Dies legt die Vermutung nahe das auch die Interaktion von Cdc42 mit dem WAS-Protein (WASP) gesteuert durch Konformationsänderungen in den beiden Schalterregionen I und II ist. Es ist vermutet worden, daß die WASP Mutationen direkt auf die Cdc42/WASP- Interaktionen einwirken und hiermit die Effizienz der WASP Aktivierung durch die GTPase beeinflussen. Mit einer VO2+-induzierten Inaktivierung bzw. Modifikation der Schalterregionen von Cdc42 würde man auch auf die Signaltransduktionskette für defektes WASP Einfluß nehmen können.Cdc42 is a member of the Rho-related G protein subfamily. This regulates the cytoskeleton architecture through GTP-dependent binding of effector proteins possessing a Cdc42 / Rac interactive binding motif. One of the effector molecules is the product of the 'Wiskott-Aldrich syndrome' (WAS) gene, which is associated with the assembly of actin through the activation of Cdc42. WAS, a malfunction of hematopoietic cells characterized by disorders of the Aktingerüsts is caused by mutations in human WASP, which leads to the clinical WAS symptoms such as thrombocytopenia, eczema and immune system disorders. A number of mutations can cause classic WAS or XLT ("X-chromosomal linked thrombocytopenia"), which is somewhat milder in this disease limited to platelet abnormalities. This is confirmed by a recently published study of another hematopoietic disorder, the X-linked heavy congenital neutropenia (XLN). This apparently results from a single point mutation in WASP, namely the substitution of leucine at position 270 by proline. This residual is located in a region directly responsible for contacts between Cdc42 and WASP, and may interact directly with the Switch II region of Cdc42. This suggests that the interaction of Cdc42 with the WAS protein (WASP) is controlled by conformational changes in both switch regions I and II. It has been suggested that the WASP mutations act directly on the Cdc42 / WASP interactions and thereby influence the efficiency of WASP activation by the GTPase. With a VO 2+ -induced inactivation or modification of the switch regions of Cdc42 one would also be able to influence the signal transduction chain for defective WASP.
Ursprünglich wurde angenommen, daß die verschiedenen Rho GTPasen nur in der Regulation des Aktin Cytoskeletts beteiligt sind. In jüngerer Zeit zeigte sich allerdings, daß Rho-Proteine nicht nur bei der Cytoskelettanordnung eine Rolle spielen sondern auch an Prozessen wie der Kontrolle der Genexpression, des Membranverkehrs, der Zellwachstumsregulation, Transformation und Apoptose beteiligt sind, und dieser Signaltransduktionsweg weist teilweise erstaunliche Ähnlichkeit zum Ras-regulierten MAPK-Aktivierungweg auf. Es wird in manchen Fällen behauptet, daß die Proteine der Rho-Familie die Schlüsselkomponenten für die transformierende Wirkung diverser Onkoproteine sind einschließlich Ras, da mutmaßlich mindestens fünf Proteine der Rho-Familie als kritische Regulatoren onkogener Ras-Transformationen angesehen werden. Obwohl überzeugende Evidenz für die Involvierung von Rho GTPasen in menschlicher Karzinogenese lange Zeit fehlte, ist es nicht verwunderlich, daß auch Rho-Proteine mit karzinogenen Transformationen in Verbindung gebracht wurden, aber ebenfalls mit kardiovaskularen Defekten. Neuere Studien ergaben, daß Rho GTPasen überexprimiert sind in menschlichen Tumoren. Es wird allgemein angenommen, daß eine fehlgeleitete Aktivierung von Proteinen der Rho-Familie die unkontrollierte Proliferation und invasive Form und die metastasierenden Eigenschaften von Tumorzellen fördern. Veränderte Expressionsniveaus von Rho-Proteinen sind in so genetisch diversen Fällen wie Kolon, Brust, Lungen und Pankreas Krebserkrankungen beobachtet worden, was bedeutet, das Rho-gesteuerte Prozesse nicht auf aktinorganisations-bezogene Vorgänge wie Zellmotilität, Migration und Zell-Zell-Adhäsion beschränkt sind, sondern auch mit "serum response factor"regulierter Transkription, Zytokinese, Apoptose Zellzyklusprogression, NFκB- Aktivierung, Zelltransformation und NADPH-Oxidase Regulation in Verbindung gebracht werden können. So wird angenommen, daß Rho ein potenter Aktivator von Jun nuklearer Kinasen (JNKs) ist, was Cdc42 in Verbindung bringt mit zellularen Prozessen die eine JNK-Aktivierung benötigen (z.B. Zellwachstum, Differenzierung und Apoptose). Allerdings sind, anders als für Ras, alle Versuche fehlgeschlagen Mutationen in Rho selber (mit der Ausnahme vielleicht von RhoH) für Krebsentstehung verantwortlich machen zu können. Eine jüngere Studie untersuchte beispielsweise invasive menschliche kolorektale und Brustkrebstumoren auf Mutationen und fand weder für RhoA noch Rac1 oder Cdc42 irgendwelche Genveränderungen, während solche gleichwohl für sowohl K-Ras als auch p53 gefunden wurden. Andererseits wurde anderweitig gezeigt, daß eine intakte Rho Signalisierung eine wichtige Rolle spielt für die Transformation von Fibroblasten via onkogenem Ras was den Schluß nahe legte, daß die Inhibierung der Rho Funktion eine therapeutische Strategie für die Behandlung von Ras-transformierten Tumoren sein könnte. Dies könnte auch interessant in Bezug auf den hier beschriebenen Gebrauch von VO2+ zur Modifikation von Rho sein.Originally it was assumed that the different Rho GTPases are only involved in the regulation of the actin cytoskeleton. More recently, however, Rho proteins have not only been implicated in cytoskeletal assembly, but are also involved in processes such as control of gene expression, membrane transport, cell growth regulation, transformation, and apoptosis, and this signal transduction pathway is in some cases remarkably similar to Ras -regulated MAPK activation path. It is sometimes claimed that the Rho family proteins are the key components for the transforming action of various oncoproteins, including Ras, since at least five Rho family proteins are believed to be critical regulators of oncogenic Ras transformations. Although convincing evidence for the involvement of Rho GTPases in human carcinogenesis was lacking for a long time, it is not surprising that Rho proteins have also been associated with carcinogenic transformations, but also with cardiovascular defects. Recent studies have shown that Rho GTPases are overexpressed in human tumors. It is generally believed that misdirected activation of Rho family proteins promotes uncontrolled proliferation and invasive and metastatic properties of tumor cells. Altered expression levels of Rho proteins have been observed in such genetically diverse cases as colon, breast, lung, and pancreatic cancers, meaning that Rho-driven processes are not restricted to actin-assembly-related processes such as cell motility, migration and cell-cell adhesion, but also with serum response factor regulated transcription, cytokinesis, apoptosis cell cycle progression, NFκB activation, cell transformation and NADPH oxidase regulation in Can be connected. Thus, Rho is thought to be a potent activator of Jun nuclear kinases (JNKs), linking Cdc42 to cellular processes that require JNK activation (eg, cell growth, differentiation and apoptosis). However, unlike Ras, all attempts at causing mutations in Rho himself (with the possible exception of RhoH) are responsible for the development of cancer. For example, a recent study looked at invasive human colorectal and breast cancer tumors for mutations and found no gene alterations for either RhoA, Rac1 or Cdc42, while those were found for both K-Ras and p53. On the other hand, intact Rho signaling has been shown to play an important role in the transformation of fibroblasts via oncogenic Ras, suggesting that inhibition of Rho function may be a therapeutic strategy for the treatment of Ras-transformed tumors. This could also be interesting in relation to the use of VO 2+ for the modification of Rho described here.
Ein Rho-Effektorprotein, daß in diesem Signaltransduktionsweg eine wichtige Rolle spielt, ist die Serin/Threonin Kinase PAK (p21 aktivierende Kinase). Im Gegensatz zu WASP und ACK ('activated Cdc42-associated tyrosine kinase'), welche nur eine hohe Affinität für Cdc42 aufweisen, bindet PAK entweder Cdc42 oder Rac. PAK macht etliche direkte Kontakte mit Cdc42 sowohl mit der Schalter I als auch der Schalter II Region. Hierbei kommt es bei der Bindung von Effektoren, wie die NMR Strukturen zeigen, zu einer Stabilisierung der Schalterregionen, die für das isolierte Cdc42-Protein, wie bereits für Ras beobachtet, einen hohen Grad von struktureller Flexibilität zeigen können. Allerdings haben die Röntgenkristallstrukturen für Rho-Proteine für gebundenes Mg2+GDP bereits eine sehr viel stabilere Konfiguration speziell der Schalterregionen verglichen mit Ras angenommen.A Rho effector protein that plays an important role in this signal transduction pathway is the serine / threonine kinase PAK (p21 activating kinase). In contrast to WASP and ACK (activated Cdc42-associated tyrosine kinase), which have a high affinity for Cdc42, PAK binds either Cdc42 or Rac. PAK makes quite a few direct contacts with Cdc42 with both Switch I and Switch II region. Here, the binding of effectors, as the NMR structures show, stabilizes the switch regions, which can show a high degree of structural flexibility for the isolated Cdc42 protein, as already observed for Ras. However, the X-ray crystal structures for Rho proteins for bound Mg 2+ GDP have already assumed a much more stable configuration, especially of the switch regions, compared to Ras.
Darüberhinaus
können
auch die Rho-Guanosin-Austauschfaktoren (RhoGEFs) eine zentrale Rolle
in Bezug auf die karzinogenen Wirkungen haben, und es wird gemeinhin
angenommen, daß diese die
Tumorzellausbreitung entscheidend fördern. Die Dbl-Familie von
Onkogenprodukten sind RhoGEFs, ersmalig isoliert vom diffusen B-Zellen
Lymphom (daher auch der Name: Dbl), die allesamt eine ~180 Residuen-lange
Dbl Homologie Tandemdomäne
(DH) und eine ~100 Residuenlange Pleckstrin Homologiedomäne (PH)
besitzen. Die DH-Domäne
ist diejenige Region die im wesentlichen für die Bindung mit Rho-Proteinen
verantwortlich ist. Die gängige
Auffassung ist, daß DH
die katalytische Region des Proteins darstellt und die PH Domäne die DH
Region reguliert und für
die subzellulare Lokalisation verantwortlich ist. Allerdings macht
auch die PH-Domäne
einen Kontakt mit Rho-Proteinen
in einer 'loop'-Region die einen
weiten Bogen spannt zwischen dem dritten und vierten 'β-sheet' (β3/β4-loop) in Richtung der GTPase und somit
zu einer Wechselwirkung mit der Schalter II Region von Rho-Proteinen
beiträgt.
Wie alle GEFs verdrängt
die Assoziation der Proteine gebundenes Mg2+ und
GDP; GEF bindet folglich bevorzugt GTPasen in Abwesenheit von Mg2+ und Nukleotiden. Dbs (Dbl's big sister') ist ein weiteres
Dbl-verwandtes Onkogenprodukt. Der Dbs-Komplex mit Rho oder Cdc42 ist in
Der "T-lymphoma invasion and metastasis faktor 1" (Tiam 1) oder der 'leukemia-associated Rho GEF" (LARG) sind weitere Dbl-typische Beispiele für medizinisch relevante GEFs für Rho-typische Proteine. Das Tiam 1 GEF-Protein ist spezifisch für Rac und Cdc42 aber nicht für Rho, während LARG spezifisch für Rho aber weder ein Aktivator von Ras, Cdc42 noch Rac ist. Die Röntgenkristallstruktur des eukaryotischen Rac 1-TIAM 1 Heteroproteinkomplexes zeigt eine insgesamt ähnliche Struktur wie andere RhoGEF Komplexe, was insbesondere die Rho-DH Domänentopology betrifft, bis auf eine wesentliche Differenz zu den Dbl GEFs; dies ist die Orientierung der ausgedehnten "β3/β4-loop"-Region der PH-Domäne, die im Gegensatz zu Dbl und einer Reihe anderer GEFs, in diesem Fall eine Orientierung annimmt die nicht in Richtung von Cdc42 zeigt und somit keine Kontakte machen kann, die sonst speziell die Schalter II Region betreffen. Das deutet darauf hin das die PH-Region für andere regulatorische Mechanismen verantwortlich ist. Da aber TIAM ein potenter Rac Aktivator ist erscheinen die Cdc42-DH Domänenkontakte auszureichen, um eine hinreichende Destabilisierung des GTPase Mg2+ Atoms zu erreichen. Wie kürzlich gezeigt wurde, erscheint TIAM direkt an c-Myc zu binden. Das Myc-Protein spielt eine entscheidende Rolle bei der Apoptose und Veränderungen des Myc-Gens sind für menschliche Krebserkrankungen beobachtet worden.The "T-lymphoma invasion and metastasis factor 1" (Tiam 1) or the "leukemia-associated Rho GEF" (LARG) are other Dbl-typical examples of medically relevant GEFs for Rho-typical proteins: the Tiam 1 GEF protein specific for Rac and Cdc42 but not for Rho, while LARG is specific for Rho but not an activator of Ras, Cdc42 or Rac The X-ray crystal structure of the eukaryotic Rac 1-TIAM 1 heteroprotein complex shows a similar overall structure to other RhoGEF complexes, in particular the Rho-DH domain topology, except for a substantial difference to the Dbl GEFs, is the orientation of the extended "β 3 / β 4 -loop" region of the PH domain, which in contrast to Dbl and a number of other GEFs, in In this case, assume an orientation that does not point in the direction of Cdc42 and thus can not make contacts that otherwise specifically affect the Switch II region, suggesting that the PH region is regulatory for others e mechanisms is responsible. However, since TIAM is a potent Rac activator, the Cdc42-DH domain contacts appear to be sufficient to achieve adequate destabilization of the GTPase Mg 2+ atom. As shown recently, TIAM appears to bind directly to c-Myc. The Myc protein plays a crucial role in apoptosis, and alterations of the Myc gene have been observed for human cancers.
Einige andere potentiell interessante Anwendungsbeispiele, die hier aber nicht weiter im Detail vorgestellt werden sollen, sind die Involvierung von Proteinen der Rho-Familie in neurodegenerativen Störungen wie neuronaler Migration und Polarisation, Axon-Leitung und Dendritenformation sowie synaptischer Organisation und Plastizität, die in der einen oder anderen Art mit der Zytoskelettanordnung in Verbindung gebracht werden können. Diese neuronalen Prozesse benötigen in vieler Hinsicht die direkte Regulation und Aktivität von Rho-GTPasen. Eine dieser ziemlich heterogenen neuropathologischen Störungen ist die mit dem X-Chromosom (wie schon für Störungen mit WASP verantwortlich) verbundene Form der mentalen Retardation (oft kurz als MRX bezeichnet). Ein weiteres Rho-bezogenes MRX-Gen ist PAK3, daß ein Rac(Cdc42)-spezifischer Effektor ist und für den zwei verschiedene PAK3-Mutationen in MRX isoliert wurden. Der MRX Phänotyp ist relativ verbreitet und betrifft etwa einen von 500 Männern. Ein anderer Fall, der den RhoGTPase Übertragungsweg mit neuronalen Prozessen verbindet, scheint eine Mutation eines Gens zu sein, daß ein potentielles RhoGEF kodiert das als Alsin bezeichnet wird und für die amyotrophe Lateralsklerose (ALS) mitverantwortlich ist.Some other potentially interesting application examples, but not in detail here to be presented are the involvement of Rho family proteins in neurodegenerative disorders such as neuronal migration and polarization, axon conduction and dendritic formation, as well as synaptic organization and plasticity, which in one way or another may be associated with cytoskeletal assembly. These neural processes in many respects require the direct regulation and activity of Rho GTPases. One of these rather heterogeneous neuropathological disorders is the form of mental retardation (often referred to simply as MRX) associated with the X chromosome (as was previously responsible for disorders with WASP). Another Rho-related MRX gene is PAK3, which is a Rac (Cdc42) -specific effector and for which two different PAK3 mutations have been isolated in MRX. The MRX phenotype is relatively common and affects about one in every 500 men. Another case involving the RhoGTPase pathway with neuronal processes appears to be a mutation of a gene encoding a potential RhoGEF called alsin, for which amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is co-responsible.
Auch pathogene Mikroben haben einen Mechanismus entwickelt der Einfluß auf das Zellcytoskelett nimmt indem sie Toxine absondern, die ihnen ermöglichen direkt auf den Rho-gesteuerten Signaltransduktionsweg einzuwirken. Die kovalente Bindung von ADP-Ribosylanteilen durch die C-Transferasen von Clostridium botulinum, Staphylococcus aureus und anderer infektiöser Bakterien blockiert beispielsweise die Fähigkeit von Rho mit den entsprechenden Rho-spezifischen GEFs zu interagieren und verhindern somit die GEF-induzierte Aktivierung der Rho-GTPasen. Eine wichtige Klasse von bakteriellen Toxinen stellen die injizierten Toxine dar, die anscheinend sosehr zellulare GEFs und GAPs nachahmen, daß das einwandernde Toxin die Rho GTPasen aktiviert um das Aktin Cytoskelett derart zu verändern, daß das Bakterium ungehindert via eines Typ III Sekretionssystems in die entsprechende Zelle eindringen kann. Auffalend ist, daß dieser Familie von GEFs für Rho-GTPasen dir DH- und PH-typischen Domänen fehlen. Die Röntgenkristallstruktur des Enteropathogens Salmonella typhimurium SopE, welches eine der führenden Ursachen für Gastroenteritis in Entwicklungsländern ist, stellt im Gegensatz zu anderen injizierten Toxinen ein Rho-GEF dar und hat gezeigt, daß es Cdc42, trotz jeglicher fehlender Sequenzhomologie zu Dbl in einer Dbl-ähnlichen Art aktivieren kann. Hierbei sind wiederum sowohl die Schalter I als auch die Schalter II Regionen involviert, indem sie möglicherweise durch die Interaktionen mit SopE derart modifiziert werden, daß dies dann zur entscheidenden Destabilisierung des nukleotidassoziierten Mg2+-Atoms führt. Eine wichtige Rolle hierbei spielt das katalytische Element bestehend aus dem GAGA-Sequenzmotiv, welches einzigartig für SopE ist. Die dramatischsten Veränderungen sind allerdings für die Schalter II Region beobachtbar, indem SopE vermutlich die Cdc42 Seitenketten Methylgruppe von Ala59 zwingt in eine Richtung zu zeigen an der normalerweise das nukleotidgebundene Mg2+-Atom koordiniert ist und somit zu dessen Verdrängung führt. Eine Modifikation durch VO2+ könnte eine entscheidende Rolle bei den Bindegewebsumordnungsprozessen spielen den pathogene Mikroben brauchen, um beispielsweise in die Wirtszelle eindringen zu können.Pathogenic microbes have also developed a mechanism that affects the cellular cytoskeleton by secreting toxins that allow them to act directly on the Rho-driven signal transduction pathway. Covalent attachment of ADP-ribosyl moieties by the C-transferases of Clostridium botulinum, Staphylococcus aureus and other infectious bacteria, for example, blocks the ability of Rho to interact with the corresponding Rho-specific GEFs and thus prevent GEF-induced activation of Rho GTPases. An important class of bacterial toxins are the injected toxins that appear to mimic cellular GEFs and GAPs such that the invading toxin activates the Rho GTPases to alter the actin cytoskeleton such that the bacterium freely enters the corresponding cell via a type III secretion system can penetrate. It is striking that this family of GEFs for Rho GTPases lack DH and PH typical domains. The X-ray crystal structure of the enteropathogen Salmonella typhimurium SopE, which is one of the leading causes of gastroenteritis in developing countries, is a Rho-GEF unlike other injected toxins and has been shown to be Cdc42, despite any lack of sequence homology to Dbl in a Dbl-like Type can activate. Again, both switch I and switch II regions are involved, possibly being modified by interactions with SopE such that this leads to critical destabilization of the nucleotide-associated Mg 2+ atom. An important role is played by the catalytic element consisting of the GAGA sequence motif, which is unique to SopE. The most dramatic changes, however, are observable for the switch II region, as SopE presumably forces the Cdc42 side-chain methyl group of Ala59 to point in a direction that normally coordinates the nucleotide-bound Mg 2+ atom and thus leads to its repression. Modification by VO 2+ may play a crucial role in the connective tissue remodeling processes of pathogenic microbes, for example, to invade the host cell.
Generell kann für alle diese Fälle, die durch die Schalterregionen der Rho GTPasen gesteuert werden, gesagt werden, daß es durch eine Modulation derselben durch die ungewöhnliche Koordinationsstruktur von VO2+ zu einer entscheidenden Beeinflussung des Schaltmechanismusses kommen würde, der maßgeblich den Verlauf des Signalübertragungsweges beeinflußt und somit für Rho-Proteine direkt die Aktin Cytoskelettanordnung und andere Funktionen regulieren kann.In general, for all of these cases, which are controlled by the switch regions of the Rho GTPases, it can be said that modulating them by the unusual coordination structure of VO 2+ would significantly affect the switching mechanism, which significantly affects the course of the signal transmission path and thus can directly regulate the actin cytoskeletal structure and other functions for Rho proteins.
In diesem Zusammenhang ist auch wichtig zu bemerken, daß es einige Interkonnektivitäten zwischen dem Ras und dem Rho Signaltransduktionswegen gibt. Das bedeutet, daß der Tumorentstehungsprozess und die Tumorprogression wahrscheinlich einem komplexen Wechselspiel zwischen Ras- und Rho-abhängigen Faktoren unterliegt und dieser möglicherweise nicht einem singulären Ereignis zugeschrieben werden kann. Es ist spekuliert worden, daß Ras und auch andere Onkoproteine sehr wahrscheinlich die Proteine der Rho-Familie benötigen, um ihre transformierenden Aktivitäten zu verbreiten. Da die vorliegende Methode Einfluß sowohl auf den Ras- als auch den Rho-abhängigen Signaltransduktionsmechanismus nehmen kann ist auch ein kombinierter Wirkungsmechanismus der Ras- als auch der Rho-Metall-Nukleotidkoordinationstruktur durch die VO2+-Substitution denkbar.In this context, it is also important to note that there are some interconnects between the Ras and the Rho signal transduction pathways. This means that the tumorigenesis process and tumor progression are likely to undergo a complex interplay between Ras and Rho-dependent factors and may not be attributed to a singular event. It has been speculated that Ras and other oncoproteins most likely require the Rho family proteins to propagate their transforming activities. Since the present method can influence both the Ras and Rho-dependent signal transduction mechanisms, a combined mechanism of action of the Ras and Rho-metal nucleotide coordination structures by VO 2+ substitution is also conceivable.
Beispiel 3:Example 3:
Ein weiteres Beispiel für die Anwendung der Erfindung sind die monomeren GTP-bindenden Elongationsfaktoren (EF). Die kleinen G-Proteine, wie Ras, Rac und Ran als auch die der RHO-Unterfamilie, sowie die heterotrimeren G-Proteine kommen nur in Eukaryoten vor, während GTPasen, die in der Proteinsynthese eine Rolle spielen, wie die Elongationsfaktoren, in Prokaryoten und Eukaryoten vorkommen. Ribosomen synthetisieren Proteine mit Hilfe von Translationsfaktoren zur Initiierung, Elongation und Terminierung. Während des bakteriellen Elongationszyklus sind im wesentlichen zwei Elongations-GTPasen involviert, EF-Tu und EF-G (EF-1α und EF-2 in anderen Organismen). Hierbei unterstützt EF-Tu die Aminoacyl-tRNA Bindung an das Kodon-programmierte Ribosom. Im Gegensatz zu dem kleinen p2lras Protein sind die Elongationsfaktoren deutlich größer mit einem Molekulargewicht von 45,3 kD für EF-Tu von Thermus aquaticus. Auch hier ist der zentrale Punkt für die Aktivität von EF-Tu die Bindung von Mg2+ und GTP. Trotz der Größenunterschiede ist die Nukleotidbindungsfaltung homolog zu der für p2lras. EF-Tu und EF-G sind beides hydrolyse-gesteuerte Schalterproteine, die wie Ras in zwei sterischen Konformationen vorkommen können, im aktiven GTP-gebundenen Zustand und dem inaktiven GDP-gebundenen Zustand. Sie besitzen eine geringe intrinsische GTPase Aktivität, die für EF-Tu um einen Faktor 107 gesteigert wird bei Bindung an das Ribosom, wobei der Vergleich naheliegt, daß das Ribosom das natürliche Äquivalent zu GAP darstellt. Für EF-Tu verursacht die Wechselwirkung mit EF-Ts (T steht für Transfer), daß das Mg2+ der Nukleotidbindungsstelle destabilisiert wird was dann zur Freisetzung des Nukleotids führt. Dieser Mechanismus zeigt eine gewisse Homologie zur Wechselwirkung mit GEFs für Ras und belegt erneut, erstens die Schlüsselrolle des divalenten Metalls in den zentralen Wirkungsmechanismen der Schalterproteine und zweitens die evolutionäre Homologie der Regulatorwechselwirkungen.Another example of the application of the invention are the monomeric GTP-binding elongation factors (EF). The small G proteins, such as Ras, Rac and Ran, as well as the RHO subfamily, as well as the heterotrimeric G proteins occur only in eukaryotes, while GTPases, which play a role in protein synthesis, such as the elongation factors, in prokaryotes and Eukaryotes occur. Ribosomes synthesize proteins by means of translation factors for initiation, elongation and termination. During the bacterial elongation cycle, essentially two elongation GTPases are involved, EF-Tu and EF-G (EF-1α and EF-2 in other organisms). EF-Tu supports aminoacyl-tRNA binding to the codon-programmed ribosome. In contrast to that small p2lras protein, the elongation factors are significantly larger with a molecular weight of 45.3 kD for EF-Tu of Thermus aquaticus. Again, the key point for the activity of EF-Tu is the binding of Mg 2+ and GTP. Despite the differences in size, the nucleotide binding fold is homologous to that for p2lras. EF-Tu and EF-G are both hydrolysis-directed switch proteins, which, like Ras, can exist in two steric conformations, in the active GTP-bound state and in the inactive GDP-bound state. They have low intrinsic GTPase activity, which is increased by a factor of 10 7 for EF-Tu when bound to the ribosome, the comparison suggesting that the ribosome is the natural equivalent of GAP. For EF-Tu, the interaction with EF-Ts (T stands for transfer) causes the Mg 2+ of the nucleotide binding site to be destabilized, which then results in the release of the nucleotide. This mechanism shows some homology to the interaction with GEFs for Ras and demonstrates again, first, the key role of the divalent metal in the central mechanisms of switch protein activation, and second, the evolutionary homology of regulatory interactions.
Wie p2lras und das Nitrogenase Fe-Protein scheint das isolierte GDP-gebundene EF-Tu Protein kein AlFx als Phosphatanalog für die Pγ-Phosphatgruppe zu binden (Hazlett et al., 1991), was sich erst nach Zugabe des Ribosoms entscheidend verändert. EF-Tu ist eingehend mittels Röntgenstrukturanalyse untersucht worden sowohl für EF-Tu von Escherichia Coli als auch von T. thermophilus oder T. aquaticus. Dies gilt auch für EF-G. Diese zeigen, daß auch die Elongationsfaktoren die Charakteristika 'klassischer' MNBPs besitzen mit den signifikanten räumlichen regulatorischen Effekten der Schalter I und II Regionen. Wie in den anderen 'klassischer' MNBPs sind die sterischen und elektrostatischen Änderungen in der Nukleotidbindungsfaltung auf Grund der γ-Phosphatgruppenfreisetzung unzweifelhaft die treibende Kraft für die Schalter-Umordnungen.Like p2lras and the nitrogenase Fe protein, the isolated GDP-bound EF-Tu protein does not appear to bind AlF x as a phosphate analogue for the Pγ phosphate group (Hazlett et al., 1991), which changes significantly only after the addition of the ribosome. EF-Tu has been extensively studied by X-ray diffraction for both EF-Tu of Escherichia coli and T. thermophilus or T. aquaticus. This also applies to EF-G. These show that the elongation factors also have the characteristics of 'classical' MNBPs with the significant spatial regulatory effects of switch I and II regions. As in the other 'classical' MNBPs, the steric and electrostatic changes in nucleotide-binding folding due to the γ-phosphate group release are undoubtedly the driving force for switch rearrangements.
EF-Tu gesteuerte Prozesse sind in der einen oder anderen Art ein attraktives "target" für den Einsatz bestehender und für die Entwicklung neuer Antibiotika (siehe z.B.: Hogg et al., 2002). Es gibt im wesentliche zwei Klassen von Antibiotika die mit EF-Tu wechselwirken und die Funktion inhibieren indem sie den Elongationszyklus in einem oder mehreren Stufen beeinflussen. Antibiotika der zyklischen Thiazolylpeptidklasse gehören zu denen, die die EF-Tu:GTP-Aminoazyl-tRNA Komplexbildung inhibieren, während die der Kirromyzinfamilie die Proteinsynthese inhibieren indem sie die Freisetzung von EF-Tu vom Ribosom verhindern nach der GTP Hydrolyse. Andere Antibiotika die vermeintlich mit EF-Tu wechselwirken sind Pulvomyzin und Enacyloxin IIa. Es ist gezeigt worden das Pulvomycin und Kirromycin mit ähnlicher Affinität binden, aber sie binden EF-Tu in gänzlich unterschiedlichen Regionen. Es erscheint angemessen die Kirromyzin-Bindung mit der Wirkung von GEFs (bzw. EF-Ts) zu vergleichen, da diese den Austausch von GDP durch GTP stimulieren. Die Hauptursache für die inhibitorische Wirkung von Pulvomycin scheint in der Störung der EF-Tu:GTP Bindung mit aminoazytilierter tRNA zu liegen. Die Röntgenstrukturanalyse von EF-Tu in Gegenwart von Aurodox, ein N-Methyl Kirromyzinderivat, zeigt, daß Aurodox in einer Spalte zwischen der Nukleotidbindungsregion und der Region, die primär für die Wechselwirkung mit dem Ribosom verantwortlich ist, bindet. Der Abstand zwischen dem nukleotidgebundenen Mg-Ion und dem Aurodox Pyridon-Stickstoffs beträgt 20.1 Å und dem Goldinoik-Säureanteils ca. 25 Å. Interessanterweise scheint die Bindung von Aurodox eine Konformation in EF-Tu zu induzieren, trotz gebundenem GDP, wie sonst nur für EF-Tu:GTP Komplexe beobachtet. Dies stimmt mit der Annahme überein, daß Aurodox den EF-Tu Ribosom-gebundenen Zustand fixiert durch das Einfrieren der ATP Konformation. Insbesondere die Mg2+-nukleotidabhängige Schalter II Region erstreckt sich bis zur Aurodoxbindungsstelle und ist vor allem in Kontaktabstand mit dem Goldinoik-Säureanteils. Somit besteht ein Kanal über den Aurodox mit der Nukleotidbindungsstelle kommunizieren kann und umgekehrt.EF-Tu driven processes are in one way or another an attractive "target" for the use of existing and for the development of new antibiotics (see eg: Hogg et al., 2002). There are essentially two classes of antibiotics that interact with EF-Tu and inhibit function by affecting the elongation cycle in one or more stages. Cyclic thiazolyl peptide class antibiotics are among those that inhibit EF-Tu: GTP-aminoazyl-tRNA complex formation, whereas those of the Kirromycz family inhibit protein synthesis by preventing the release of EF-Tu from the ribosome after GTP hydrolysis. Other antibiotics that are thought to interact with EF-Tu are pulvomycin and enacyloxin IIa. It has been shown that pulvomycin and kirromycin bind with similar affinity, but they bind EF-Tu in completely different regions. It seems appropriate to compare the kryromycin binding with the effect of GEFs (or EF-Ts), as these stimulate the exchange of GDP by GTP. The main cause of the inhibitory effect of pulvomycin appears to be the disruption of EF-Tu: GTP binding with amino-azytylated tRNA. X-ray diffraction analysis of EF-Tu in the presence of Aurodox, an N-methyl-kirromycin derivative, shows that Aurodox binds in a cleft between the nucleotide binding region and the region primarily responsible for the interaction with the ribosome. The distance between the nucleotide-bound Mg ion and the Aurodox pyridone nitrogen is about 20.1 Å and the goldinoic acid content about 25 Å. Interestingly, the binding of Aurodox seems to induce a conformation in EF-Tu, despite bound GDP, as otherwise observed only for EF-Tu: GTP complexes. This is consistent with the assumption that Aurodox fixes the EF-Tu ribosome-bound state by freezing the ATP conformation. In particular, the Mg 2+ nucleotide-dependent switch II region extends to the Aurodoxbindungsstelle and is mainly in contact distance with the Goldinoik acid portion. Thus, there is a channel through which Aurodox can communicate with the nucleotide binding site and vice versa.
Ein anderes Antibiotikum, das Thiazolyl-Peptidantibiotikum GE2270A, bindet EF-Tu an noch einer anderen, deutlich entfernteren Stelle als die Bindungsstelle für Aurodox. Diese Bindungsstelle ist in einer Entfernung von der Nukleotidbindungsregion mit der kürzesten Entfernung zwischen dem nukleotidgebunden Mg2+-Ion und dem Peptidsegment von ~35 Å und der weitesten Entfernung von ~52 Å. Andere Vertreter der zyklische Thiazolylantibiotika sind GE37468 und Amythiamizine. Wie GE2270A scheinen all diese Vertreter direkt mit EF-Tu zu interagieren. GE2270A scheint eine hohe Spezifität für EF-Tu zu besitzen, die vermutlich weder für EF-G noch EF-1α existiert. Hierbei inhibiert GE2270A die Proteinsynthese durch die Blockierung der Konformationsänderung zwischen dem GDP- und GTP-gebundenen Zustand und durch die Konkurrenz mit Aminoazyl-tRNA um die gleiche Bindungsstelle an EF-Tu.Another antibiotic, the thiazolyl peptide antibiotic GE2270A, binds EF-Tu at yet another, more distant site than the binding site for Aurodox. This binding site is at a distance from the nucleotide binding region with the shortest distance between the nucleotide-bound Mg 2+ ion and the peptide segment of ~ 35 Å and the farthest distance of ~ 52 Å. Other representatives of the cyclic thiazolyl antibiotics are GE37468 and Amythiamizine. Like GE2270A, all of these representatives seem to interact directly with EF-Tu. GE2270A appears to have high specificity for EF-Tu, which presumably does not exist for either EF-G or EF-1α. Here, GE2270A inhibits protein synthesis by blocking the conformational change between the GDP- and GTP-bound state and by competing with aminoazyl-tRNA for the same binding site on EF-Tu.
Eine mögliche Wirkungsweise von VO2+ würde hierbei gänzlich unterschiedlich zu der einiger der Antibiotika sein und trotzdem den Elongationszyklus inhibieren können. Während GE2270A EF-Tu an Stellen, die vermeintlich nicht direkt mit den Schalterregionen des Proteins wechselwirkt und trotzdem Einfluß auf die Konformationsänderungen nehmen kann, würde die VO2+-Substitution direkt diese Regionen beeinflussen via Modulation der Nukleotidbindungsstelle, was auch noch mal unterschiedlich zu der Wirkungsweise kirromyzinartiger Antibiotika ist. Dies könnte neue Wege der Behandlung eröffnen.A possible mode of action of VO 2+ would be completely different from that of some of the antibiotics and nevertheless be able to inhibit the elongation cycle. While GE2270A EF-Tu interacts at sites that are not supposed to interact directly with the switch regions of the protein and still influence the conformational changes, VO 2+ substitution would directly affect these regions via modulation of the nucleotide binding site, which is also different Effect of cirromic-like antibiotics. This could open new ways of treatment.
Beispiel 4:Example 4:
Ein weiteres Beispiel für Stellen an denen Signalsortierung geschiet ist auf der Ebene der heterotrimeren G-Proteine. Heterotrimere G-Proteine von Wirbeltieren, bestehed aus α, β und γ- monomeren Untereinheiten, lagern sich für gewöhnlich an die Zelloberfläche der Plasmamembran an und transmittieren Signale diverser externen Stimulie wie Wachstumsfaktoren, vasoaktive Polypeptide, Neurotransmitter, Hormone, Phospholipide, Photonen, Gerüche und Geschmacksliganden via sensorischer, transmembraner Rezeptoren ("G-protein coupled receptors" oder GPCRs) zu Effektortargets, die diese weiterleiten und Funktionen regulieren wie Herzschlagrate, Kontraktion von glatten Muskeln, synaptische Transmission, endokrine Sekretion, geruchs- und visuelle Wahrnehmung und vieles mehr. Für diese Fülle von regulatorischen Funktionen stehen zahlreiche verschiedene heterotrimere G-Proteine zur Verfügung. Die Komplettierung des Humangenoms trug zur Identifizierung von insgesamt 27 Gα-Proteinen bei. Diese können grob klassifiziert werden entsprechend ihrer Sequenzhomologie in vier verschiedene Kategorien, nämlich Gs, Gi, Gq und G12, welche i.a. 50%ige oder höhere Identität innerhalb der Kategorien besitzen. Etwas weniger Varianten sind für die Gβ- und Gγ-Untereinheiten vorhanden. Schätzungen ergaben, daß 1 % des Genoms von Säugetieren allein die GPCRs kodieren. In jedem dieser Fälle aktiviert der Rezeptor das G-Protein durch Verstärkung des Austauschs von GTP für GDP, gebunden in der Gα Untereinheit, welches ermöglicht wird durch die Dissoziation des Gα:Gβ,γ Heterodimers vom Rezeptor und auch der beiden Untereinheiten von einander. In diesem Fall sind die konformatorischen Änderungen in den Schalter I und II Regionen in der Gα-Unterheit der Anlaß für die Dissoziation der Komponenten, sodaß im Folgenden das metastabile GTP-gebundene Gα-Protein (manchmal auch Gβ,γ oder beide Komponentenproteine zusammen) stromabwärtsgelegene intrazellulare Effektoren wie Adenylyl-Zyklase cAMP, Phospholipase Cβ, K+ und Ca2+-Kanäle und zyklische GMP Phosphodiesterasen modulieren kann. Sowohl die Schalter I als auch die Schalter II Region befinden sich an der Stelle der Gα-Untereinheit, die eng mit Kontakten zu den β,γ-Unterheiten verknüpft ist. Die Schalter Region macht aber wahrscheinlich keine direkten Kontakte mit einigen der GPCRs und spürt vorraussichtlich die Bindung von GPCRs nur indirekt via der α2β4-"loop" Region von Gα. Studien zeigten kürzlich, daß die Phosphorylierung von Gα 13 durch die Proteinkinase A eines Residuums in der Schalter I Region die Kopplung mit den Gβ,γ-Untereinheiten entscheidend destabilisiert und somit die Rho Aktivierung inhibiert. Die Gβ,γ Untereinheiten können in gewisser Weise als negative Regulatoren der Gα-Untereinheit angenommen werden, da sie ähnlich den GAPs den inaktiven GDP-gebundenen Zustand stabilisieren, allerdings können sie keinen Einfluß auf die Hydrolyseraten-Stimulation nehmen. Gβ,γ scheint sogar die GAP Aktivität zu inhibieren, wie "single-turnover" Assays zeigten, möglicherweise durch direkte Konkurrenz um bestimmte Bindungsregionen mit dem Gα Substrat und GAP selber und somit können die Gβ,γ-Untereinheiten als GDIs für den Nukleotidaustausch angesehen werden.Another example of sites where signal sorting is done is at the level of heterotrimeric G proteins. Vertebrate G-vertebrate protein, consisting of α, β and γ monomer subunits, usually attach to the cell surface of the plasma membrane and transmit signals from various external stimuli such as growth factors, vasoactive polypeptides, neurotransmitters, hormones, phospholipids, photons, odors and Taste ligands via sensory, transmembrane receptors ("G-protein coupled receptors" or GPCRs) to effector targets that relay them and regulate functions such as heart rate, smooth muscle contraction, synaptic transmission, endocrine secretion, odor and visual perception, and more. Numerous heterotrimeric G proteins are available for this wealth of regulatory functions. The completion of the human genome contributed to the identification of a total of 27 G α proteins. These can be broadly classified according to their sequence homology into four different categories, namely G s , G i , G q and G 12 , which in general have 50% or higher identity within the categories. Slightly fewer variants are present for the G β and G γ subunits. Estimates showed that 1% of the mammalian genome alone encodes the GPCRs. In each of these cases, the receptor activates the G protein by enhancing the exchange of GTP for GDP bound in the G α subunit made possible by the dissociation of the G α : G β, γ heterodimer from the receptor and also the two subunits of each other. In this case, the conformational changes in the switch I and II regions in the G α -substance are the cause for the dissociation of the components, so that in the following the metastable GTP-bound G α -protein (sometimes also G β, γ or both component proteins together) may modulate downstream intracellular effectors such as adenylyl cyclase cAMP, phospholipase Cβ, K + and Ca 2+ channels, and cyclic GMP phosphodiesterases. Both switches I and switch II region are in place of the G α subunit, which is closely linked to contacts to the β, γ subunits. However, the switch region probably does not make direct contact with some of the GPCRs and is likely to sense the binding of GPCRs only indirectly via the α 2 β 4 "loop" region of G α . Recent studies have shown that the phosphorylation of G α13 by the protein kinase A of a residue in the switch I region significantly destabilizes the coupling with the G β, γ subunits and thus inhibits Rho activation. The G β, γ subunits can α as negative regulators of G subunit will be accepted in some way since they similarly stabilize the GAPs the inactive GDP-bound state, but they can not influence the hydrolysis take stimulation. G β, γ appears to inhibit even the GAP activity as "single-turnover" assays showed possibly β by direct competition for certain binding regions with the G α substrate and CAP itself and thus the G can γ subunits as GDIs for Nucleotide exchange can be viewed.
Die Gα-Untereinheit heterotrimerer G-Proteine besitzt eine auffallende Ähnlichkeit mit Ras bis auf eine zusätzliche Helixdomäne. Trotzdem besitzt Gα eine ca. 100-fach höhere GTPase Rate verglichen mit Ras-ähnlichen Proteinen. Ein weiterer Unterschied ist, daß es eine zusätzliche Schalterregion zu geben scheint (Schalter III Region) in Gα im Vergleich zu den beiden Schalterregionen in Ras-ähnlichen Proteinen. Nichtsdestotrotz zeigt die Nukleotidbindungsfaltung eine große Homologie mit den Ras-ähnlichen Proteinen.The G α subunit of heterotrimeric G proteins has a striking similarity with Ras except for an additional helix domain. Nevertheless, G α has an approximately 100-fold higher GTPase rate compared to Ras-like proteins. Another difference is that there appears to be an extra switch region (switch III region) in G α compared to the two switch regions in Ras-like proteins. Nonetheless, the nucleotide-binding fold shows high homology with the Ras-like proteins.
Die Gα-Untereinheiten der heterotrimeren G-Proteine besitzen einen wichtigen Unterschied zu allen anderen hier beschriebenen G-Proteinen, dies ist das AlFx Bindungsverhalten. All die anderen G-Proteine binden AlFx nur in der Gegenwart ihrer GAPs oder entsprechender Regulatoren, während die Gα Untereinheit AlFx auch ohne jeden Regulator bindet. Dies deutet darauf hin, daß Gα einen Autoaktivierungsprozess besitzen sollte und bedeutet das in dieser Beziehung den Gα-Untereinheiten eine ganz besondere Rolle zukommt. Dies wurde durch die Röntgenkristallstrukturen eindrucksvoll bestätigt, die zeigten, daß in diesem Fall, anders als in den anderen GTPasen, die eingebaute Extradomäne in Gα das Argininresiduum stellt, das den sogenannten 'Arginin-Finger' darstellt. Die Kristallstruktur der α-Untereinheit von Gi1 im Komplex mit GDP und AlF4 - in Gegenwart des "regulators of G-protein signaling" (oder RGS-Protein) RGS4 zeigte, daß RGS4 kein katalytisches Residuum das entweder direkt mit GDP oder AlF4 - wechselwirkt, beisteuert. Vermutlich übt RGS4 seine GAP Aktivität aus, indem es primär zur Stabilisierung des Übergangszustandes beiträgt ohne jedoch direkt die Metall-Nukleotidbindungsstelle zu modifizieren. Ein solches Verhalten steht auch im Einklang mit der Tatsache, daß die heterotrimeren G-Protein GAPs, im Gegensatz zu den Ras-artigen monomeren GTP-Bindungsproteinen, allosterisch auf die Gα-Untereinheiten wirken und somit nicht zur direkten Chemie der GTP-Hydrolyse beitragen. Diese Eigenschaft könnte auch von einiger Bedeutung für die Wirkung für die Vanadylsubstitution in der GTP-bindenden Gα-Untereinheit heterotrimerer G-Proteine sein.The G α subunits of the heterotrimeric G proteins have an important difference to all other G proteins described here, this is the AlF x binding behavior. All the other G proteins bind AlF x only in the presence of their GAPs or corresponding regulators, while the G α subunit binds AlF x without any regulator. This indicates that G α should have an autoactivation process and means that the G α subunits play a very special role in this respect. This was impressively confirmed by the X-ray crystal structures, which showed that in this case, unlike the other GTPases, the extra domain incorporated in G α represents the arginine residue, which is the so-called 'arginine finger'. The crystal structure of the α-subunit of G i1 in complex with GDP and AlF 4 - in the presence of the "regulator of G-protein signaling" (or RGS protein) RGS4 showed that RGS4 does not have a catalytic residue either direct with GDP or AlF 4 - interacts, contributes. Presumably, RGS4 exerts its GAP activity by primarily contributing to the stabilization of the transition state without, however, directly modifying the metal nucleotide binding site. Such behavior is also consistent with the fact that the heterotrimeric G-protein GAPs, unlike the Ras-like monomeric GTP-binding proteins, allosterically act on the G α subunits and thus do not contribute to the direct chemistry of GTP hydrolysis , This property could also be of some importance for the effect on vanadyl substitution in the GTP-binding G α subunit of heterotrimeric G proteins.
Es ist seit geraumer Zeit bekannt, daß eine Reihe von Gα-Untereinheiten den MAPK Übertragungsweg, wie hier bereits für die Ras-abhängige Aktivierung beschrieben, aktivieren kann. Obwohl für viele der Signaltransduktionswege noch eine Vielzahl von offenen Fragen verbleiben und einige der beteigten Komponenten umstritten sind, zeigten Studien kürzlich, daß möglicherweise neben den bereits existierenden Effektorinteraktionen ein weiterer Signalübertragungsweg existiert, der die Aktivierung von Stat3 durch Vertreter der -Proteine involviert. Dies geschiet wahrscheinlich unter Beteiligung von Src. Damit eröffnet sich neben dem klassischen → cAMP → PKA → CREB Weg möglicherweise ein neuer Übertragungsweg, der bei der Zellproliferation und Transformation beteiligt ist und wichtig sein könnte für Tumoren von endokrinem Ursprung, wie beispielsweise Melanomas.It has been known for some time that a number of G α subunits cross the MAPK transmission path, as here already for the Ras-dependent Ak described, can activate. Although many of the signal transduction pathways remain open to many questions and some of the components discussed are controversial, recent studies have shown that, in addition to the existing effector interactions, there may be another signal transduction pathway involving the activation of Stat3 by members of the Proteins involved. This probably happened with the participation of Src. This opens up next to the classic → cAMP → PKA → CREB pathway may be a new pathway involved in cell proliferation and transformation that could be important for tumors of endocrine origin, such as melanomas.
GAPs für die heterotrimeren G-Proteine können neben den RGS-artigen Proteinen, d.h. solche die die RGS-typische etwa 120 Aminosäuren-lange, konservierte Sequenzdomäne enthalten, auch gleichzeitig Effektoren sein, wie das Gα-regulierte Effektorprotein PLC β1, p115RhoGEF, D-AKAP2 oder GRK2.GAPs for the heterotrimeric G proteins may also be simultaneously effectors in addition to the RGS-like proteins, ie those containing the RGS-typical conserved sequence domain of about 120 amino acids, such as the G α -regulated effector protein PLC β1, p115RhoGEF, D -AKAP2 or GRK2.
Letztere Gruppe von RGSs wird manchmal auch als "RGS-like" (RGL) Proteine bezeichnet. RGS Proteine binden in ersten Linie an die Familie der G-Proteine. Somit scheinen interessanterweise einige der Gα Proteine auch eine wichtige Rolle in der Rho-GTPasen Aktivierung zu spielen. So sind wenigstens zwei heterotrimere G-Proteine, und möglicherweise mit der Rho-aktivierten Aktin-Filamentformation in Verbindung gebracht worden. Dies geschieht via der RhoGEFs wobei Gα mutmaßlich verschiedene RhoGEFs bevorzugt. Es scheint als ob hauptsächlich p115RhoGEF aktiviert, während dies für die Thyrosin phosphorylierte Leukämie-assoziierte RhoGEF (LARG) ist (Suzuki et al., 2003). Für ist nur bekannt das es p115RhoGEF nicht stimuliert und somit andere Aktivierungswege vermutlich involviert sind. Darüberhinaus ist in jüngerer Zeit ebenfalls gezeigt worden, daß heterotrimere G-Proteine offenbar auch regulierend in den Ras- und den damit verbundenen MAPK-Signalübertragungsweg eingreifen können via der Gi-Proteine, d.h. Ras ist nicht nur mit der Rezeptor-Thyrosin-Kinase Signalübertragung assoziiert, sondern kann auch mit den rezeptorgesteuerten G-Proteinenübertragungswegen in Verbindung gebracht werden. "Lysophosphatidic acid" (LPA) und Thrombin waren die ersten G-Protein gekoppelten Rezeptoragonisten, die eine rapide stimulierte Ras:GTP Akkumulation in Säugetierzellen zeigten. LPA wird freigesetzt als Produkt der Blutkoagulationskaskade, sodaß daraus geschlossen wurde, daß LPA wahrscheinlich die Wundheilung fördert durch Stimulation der Zellmigration und Proliferation an der Stelle der Verwundung. Interessanterweise, ist die Akkumulation von LPA in Aszites-Flüssigkeit von Krebspatienten mutmaßlich verwickelt mit der Pathogenese von Intraperitonealkrebs.The latter group of RGSs is sometimes referred to as "RGS-like" (RGL) proteins. RGS proteins primarily bind to the family of G-proteins. Interestingly, some of the G α proteins also seem to play an important role in Rho GTPase activation. So at least two heterotrimeric G proteins, and possibly been associated with Rho-activated actin filament formation. This happens via the RhoGEFs where G α presumably prefers different RhoGEFs. It seems as if mainly p115RhoGEF enabled while this is for the tyrosine phosphorylated leukemia-associated RhoGEF (LARG) is (Suzuki et al., 2003). For it is only known that it does not stimulate p115RhoGEF and therefore other activation pathways are probably involved. In addition, it has also recently been shown that heterotrimeric G-proteins also appear to be able to regulate the Ras and the associated MAPK signaling pathway via the G i proteins, ie Ras is not only involved in receptor tyrosine kinase signaling but may also be associated with the receptor-gated protein transfer pathways. Lysophosphatidic acid (LPA) and thrombin were the first G-protein coupled receptor agonists to show rapidly stimulated Ras: GTP accumulation in mammalian cells. LPA is released as a product of the blood coagulation cascade, thus suggesting that LPA is likely to promote wound healing by stimulating cell migration and proliferation at the site of wounding. Interestingly, the accumulation of LPA in ascites fluid from cancer patients is allegedly implicated in the pathogenesis of intraperitoneal cancer.
Die
onkogene Transformationsaktivität
einer Reihe von heterotrimeren G-Proteinen
ist vor kurzem identifiziert worden. Alle vier Kategorien von Gα-GTPasen
sind in der einen oder anderen Art direkt oder indirekt mit der
Krebsentstehung, Entwicklung und/oder Progression in Verbindung
gebracht worden. Einige aktivierende Punktmutationen in der GTPase,
kodiert durch das gsp Onkogen (hergeleitet aus Gs-Protein),
sind in Hypophysentumoren, thyroiden Adenomas und thyroiden Karzinomas
nachgewiesen worden. Eine Modifikation von Arg-201 oder Gln-227
in der -Untereinheit
ist als aktivierende Mutation für
Hypophysenadenome identifiziert worden. Die für gewöhnlich häufigste Mutation in ca. 40%
aller sporadisch auftretenden Wachstumshormon-ausschüttenden
Hypophysenadenomen ist Arg-201→Cys.
Beide aktivierenden Mutationen liegen erneut in konformations-sensitiven -Regionen; Arg-201
befindet sich in der Schalter I Region nur zwei Residuen abwärts gelegen
vom kritischen Threonin und Gln-227 befindet sich in der Schalter
II Region (Walker Motiv B, siehe
Auf der anderen Seite sind Einzelmutationen in kodiert durch das gip2 Onkogen (hergeleitet aus Gi-Protein-2), assoziiert worden mit Keimstrang-Stromatumoren des Ovars und Nebennierenrinden-Tumoren während Doppelmutationen in mit einer Vielzahl von Tumoren in Verbindung gebracht werden. Obwohl Mutationen in bisher noch in keinem Tumor gefunden wurden, erscheint es wahrscheinlich, daß auch -Signalisierungsprozesse bei der Krebsentstehung und/oder Entwicklung eine Rolle spielen könnten, da wie die meisten anderen heterotrimeren G-Proteine auch, in der Lage ist in der einen oder anderen Art mit typischen Ras-abhängigen Signaltransduktionsprozessen zu interferieren. Ferner scheint das aktivierte -Protein auch p110α PI3-K und die stromabwärts gelegene Kinase Akt unter bestimmten Voraussetzungen zu inhibieren.On the other hand, single mutations are in encoded by the gip2 oncogene (derived from G i protein-2) associated with ovarian stromal stromal tumors and adrenocortical tumors during double mutations in be associated with a variety of tumors. Although mutations in so far it has not been found in any tumor, it seems probable that too Signaling processes in cancer development and / or development could play a role, since Like most other heterotrimeric G-proteins, it is capable of interfering in one way or another with typical Ras-dependent signal transduction processes. Furthermore, the activated one seems Protein also inhibit p110Î ± PI3-K and the downstream kinase Akt under certain conditions.
sind in nahezu allen Zellarten vertreten und besitzen eine 67 %ige Aminosäureidentität untereinander aber nur eine 35-44%-ige Identität mit anderen α-Untereinheiten der heterotrimeren G-Proteine wie beispielsweise oder -Unterfamilie ist, ähnlich wie Ras, dirin Verbindung gebracht worden. Das mit der Regulation desOnkogen ist als das entscheidende transformierende Onkogen in Weichteiltumoren identifiziert worden. Hierbei ist besonders die aktivierende Gln-229→Leu hervorzuheben. Die beiden Vertreter sind insbesondere involviert in der Regulation der Zellfunktion durch RHO- und Ras-abhängige Prozesse, d.h. hat die kritischeAufgabe verschiedene Signaltransduktionswege zu koordinieren was sowohl Ras als auch Rap1, Rac und Rho-gesteuerte Übertragungswege betrifft. Von den heterotrimeren G-Proteinen gelten die aktivierenden Mutationen von als die potentesten transformierenden α-Untereinheiten die bisher getestet. werden mitunter auch als die gep-Familie der Onkogene bezeichnet. Vermutlich hängt die Fähigkeit so verschiedenartige wachstumsfördende Signalprozesse zu aktivieren mit den potenten onkogenen Eigenschaften zusammen, die einzig den -Poteinen zugeschrieben werden. are present in almost all cell types and have a 67% amino acid identity with each other but only a 35-44% identity with other α subunits of the heterotrimeric G proteins such as or Subfamily, like Ras, has been linked. The with the regulation of oncogene is identified as the crucial transforming oncogene in soft tissue tumors been decorated. Here is especially the activating Gln-229 → Leu. The two Representatives are particularly involved in the regulation of cell function by RHO and Ras-dependent processes, ie the critical task is to coordinate various signal transduction pathways involving both Ras and Rap1, Rac and Rho-driven transmission pathways. Of the heterotrimeric G proteins, the activating mutations of as the most potent transforming α-subunits tested so far. are sometimes referred to as the gep family of oncogenes. Presumably, the ability to activate such diverse growth-promoting signaling processes depends on the potent oncogenic properties that are unique to the patient Be attributed to.
Weitere interessante Information über die Funktion von Gα kommt von Versuchen an Mäusen, die einen Mangel an Gα besitzen. Diese gaben u.a. Anlaß zu der Annahme, daß G-Protein Signalübertragungswege auch eine Rolle im zentralen Nervensystem, bei gewissen Entwicklungsprozessen, dem Immunsystem, dem sensorischen System und der Blutplättchenaggregation bei vaskularen Verletzungen spielen. Darüberhinaus scheinen Gα-gesteuerte Signalprozesse auch bei bestimmten Herzstörungen eine Rolle zu spielen. So sind Gα-Proteine involviert bei Kardiomyozytenwachstum und myokardialer Hypertrophie. Da erwachsene kardiale Myozyten sich nicht teilen können wird angenommen, daß Gα-Signalisation, auch bei der Apoptose eine Rolle spielt, was sowohl -abhängige Signalprozesse beinhalten könnte, und es ist spekuliert worden, daß dies zu einem Herzversagen in letzter Konsequenz führen könnte.Further interesting information about the function of G α comes from experiments on mice lacking G α . Among other things, these have led to the assumption that G-protein signaling pathways also play a role in the central nervous system, in certain developmental processes, the immune system, the sensory system and platelet aggregation in vascular injuries. In addition, G α -controlled signaling processes also seem to play a role in certain cardiac disorders. Thus, G α proteins are involved in cardiomyocyte growth and myocardial hypertrophy. Since adult cardiac myocytes can not divide, it is believed that G α signaling also plays a role in apoptosis, both -dependent signal processes, and it has been speculated that this could lead to heart failure in the final consequence.
Interessanterweise scheint auch eine Verbindung zwischen den Gα-Untereinheiten und dem "tumor suppressor"-Genprodukt p53 zu existieren. Neuere Untersuchungen zeigten, daß während genotoxischen Stresses, p53 inaktivierend wirkt sowohl auf durch spezifische "regulators of G-protein signaling" oder RGS-Proteine, die als natürliche äquivalente der GAPs in G-Proteingesteuerten Übertragungswegen angesehen werden. Dies legte den Schluß nahe, daß p53 möglicherweise Wachstum und/oder Überlebensfaktoren durch G-Protein gekoppelte Rezeptorübertragungswege reguliert.Interestingly, a link between the G α subunits and the tumor suppressor gene product p53 also appears to exist. Recent studies have shown that during genotoxic stress, p53 inactivates both on by specific "regulators of G-protein signaling" or RGS proteins, which are considered to be natural equivalents of GAPs in G-protein driven transmission pathways. This suggested that p53 may regulate growth and / or survival factors through G protein-coupled receptor transmission pathways.
Es sind allerdings nicht nur die heterotrimeren G-Proteine selber interessante "targets" für Modifikationen sondern auch die Familie der G-Protein-aktivierenden Membranrezeptoren ("G-protein-coupled receptors": GPCRs). GPCRs sind Proteine die sieben transmembrane Helixdomänen enthalten und eine zellulare Reaktion an ein externen Signal koppeln. Diese binden den inaktiven GDP-gebundenen Zustand des G-Proteinkomplexes. Nach Agonistenaktivierung katalysieren die GPCRs den Nukleotidaustausch und wirken daher als natürliche Äquivalente der GEFs. Tatsächlich sind GPCRs wohl die Gruppe von Signalübertragungskomponenten, die am erfolgreichsten als "targets" für neue Medikamentenentwicklung benutzt werden. GPCRs sind vermutlich auch als entscheidende karzinogene Faktoren wirksam. Die Erkenntnis erhärtet sich, daß GPCRs selber proliferative Signalübertragungswege regulieren, folglich liegt die Vermutung nahe, daß eine chronische Stimulation oder mutagene Aktivierung von Rezeptoren zu onkogenen Transformationen führen können.It However, not only are the heterotrimeric G proteins themselves interesting "targets" for modifications but also the family of G-protein activating membrane receptors ( "G-protein-coupled receptors ": GPCRs). GPCRs are proteins that contain seven transmembrane helix domains and couple a cellular response to an external signal. These bind the inactive GDP-bound state of the G protein complex. Following agonist activation, the GPCRs catalyze nucleotide exchange and therefore act as natural equivalents the GEFs. Indeed GPCRs are probably the group of signal transduction components that can be found on the most successful as "targets" for new drug development to be used. GPCRs are also thought to be crucial carcinogens Factors are effective. The realization confirms that GPCRs themselves proliferative signal transduction pathways regulate, therefore, it seems likely that a chronic Stimulation or mutagenic activation of receptors to oncogenic Transformations can lead.
Abgesehen von den oben beschriebenen Hypophysenadenomen sind eine Reihe weiterer endokriner Krankheiten auf Mutationen der G-Proteine zurückgeführt worden als auch auf GPCR Mutationen. Generell kann die Mehrzahl aller endokrinen Störungen in zwei Kategorien eingeordnet werden, die entweder hyper- oder hyposekretorisch wirken in Bezug auf ein bestimmtes Hormon. Beide Effekte können durch Mutationen entweder des G-Proteins oder der entsprechenden GPCR verursacht sein. Da Beispiele sowohl für GPCR-verursachte als auch für G-Proteinverursachte endokrine Krankheiten eingehend beschrieben wurden (siehe hierzu: Spiegel, 1996) soll hier darauf verzichtet werden.apart of the pituitary adenomas described above are a number of others Endocrine diseases have been attributed to mutations of G proteins as well as on GPCR mutations. Generally, the majority of all endocrine disorders can occur in two categories, either hyper- or hyposecretory act in relation to a particular hormone. Both effects can be through Mutations of either the G protein or the corresponding GPCR be caused. As examples for both GPCR-caused and caused by G protein endocrine diseases have been described in detail (see: Spiegel, 1996) should be waived here.
Die enge Verwicklung von G-Protein-gesteuerten Prozessen nicht nur mit Ras-Prozessen, wobei entweder die Gα- oder Gβ,γ-Untereinheiten die entscheidenden Auslöser sein können, sondern auch, wie bereits oben erwähnt, mit RHO-Prozessen, wobei letztere speziell die -Unterfamilie betreffen, legen den Schluß nahe, daß eine wirksame auf Signaltransduktionprozessen-basierende Krebstherapie auf eine Reihe von Signalproteinen Einfluß nehmen muß.The close involvement of G-protein-driven processes not only with Ras processes, where either the G α or G β, γ subunits may be the crucial triggers, but also, as already mentioned above, with RHO processes, where the latter especially the Subfamily suggests that effective signal transduction-based cancer therapy must affect a variety of signaling proteins.
Auch hier könnten durch die Substitution von Mg2+ durch VO2+ die Konformationsänderungen in der VO2+-Koordinierungsumgebung erheblich zur Modulation der Schalterregionen in der Guanosinnukleotid-bindenden monomeren Gα-Untereinheit beitragen und somit Regulator- und/oder Effektorinteraktionen kontrollieren. Dies könnte besonders interessant sein, da die Gα-Untereinheit im Gegensatz zu den anderen kleinen GTPasen schon einen "eingebauten" Arginin-Finger besitzt und somit keine Möglichkeit besteht für oben beschriebene Modifikationen mittels eines künstlichen, extra Arginin-Fingers. Der Einsatz von VO2+ zur Modifizierung der Nukleotidbindungsstelle ist davon unabhängig. Da Gα auch direkt mit GPCRs wechselwirkt was zur Aktivierung von Gα führt ist eine solche Interaktion konformationsabhängig und sollte durch die Gegenwart von VO2+ beeinflußt werden. Die enge Verquickung der Ras, RHO und G-Protein Signaltransduktionsprozesse, deren Aktivierungsmechanismus wie oben beschrieben im wesentlichen sehr ähnlichen Prinzipien in den entsprechenden GTPasen unterliegt, legt den Schluß nahe, daß VO2+ potentiell in der Lage wäre mehrere dieser Signalübertragungswege gleichzeitig zu modulieren, auch wenn dies mit großer Wahrscheinlichkeit für die verschiedenen GTPasen unterschiedlich ausfallt.Again, by substitution of Mg 2+ by VO 2+, the conformational changes in the VO 2+ coordination environment could significantly contribute to the modulation of the switch regions in the guanosine nucleotide-binding monomeric G α subunit and thus control regulator and / or effector interactions. This might be particularly interesting, since the G α subunit, in contrast to the other small GTPases, already has a "built-in" arginine finger and thus there is no possibility for modifications described above using an artificial extra arginine finger. The use of VO 2+ to modify the nucleotide binding site is independent thereof. Since G α also interacts directly with GPCRs, which leads to the activation of G α , such an interaction is conformation-dependent and should be influenced by the presence of VO 2+ . The close fusion of the Ras, RHO, and G-protein signal transduction processes, whose activation mechanism is described in the above subject to very similar principles in the corresponding GTPases, suggests that VO 2+ would potentially be able to modulate several of these signal transduction pathways simultaneously, although this is likely to be different for the different GTPases.
Eine potentielle Anwendung der Erfindung in einem gänzlich anderen Bereich betrifft die Krankheitsresistenz von Pflanzen. Seit den frühen 90er Jahren hat sich mehr und mehr die Vermutung bestätigt, daß heterotrimere G-Proteine auch in Pflanzen existieren. Gα-Untereinheit-kodierende Gene sind in Tabak, Tomaten, Mais, Erbsen, Soja, Arabidopsis etc. identifiziert worden. Obwohl die pflanzlichen Gα-Proteine eine relativ geringe Sequenzhomologie mit den α-Untereinheiten von Säugetieren zeigen (nur ca. 40 % Homologie), sind doch große Homologien in Regionen die GTP binden oder für die Interaktion mit den βγ-Untereinheiten verantwortlich sind, zu beobachten. Allerdings erscheinen die Gα-Proteine in Pflanzen eine sehr viel diversere Klasse von Proteinen zu sein als dies der Fall für die entsprechenden Proteine in Säugetieren sind. Die Analyse von Mutationen in einem Genabschnitt, der die Gα-Untereinheit von Reis kodiert, der auch als dwarfl oder dl bezeichnet wird, zeigte, daß Gα in der Stielelongation und Keimformausbildung von Reis beteiligt ist. Mehrere Studien legen die Vermutung der Involvierung von heterotrimeren G-Proteinen in der Abwehrsignalübertragung in zahlreichen Pflanzenspezies nahe. Hierbei verläuft der Signalübertragungsweg vermutlich in ähnlicher Weise vom Membranrezeptor via der Gα-Untereinheit zu einem Effektor, in diesem Fall zu OsRac, der dann mittels anderer Signalkomponenten Anlaß gibt zu einer spezifischen Krankheitsresistenzausbildung.A potential application of the invention in a completely different area concerns the disease resistance of plants. Since the early 1990s, it has become increasingly accepted that heterotrimeric G proteins also exist in plants. G α subunit-encoding genes have been identified in tobacco, tomato, corn, peas, soybeans, etc. Arabidopsis. Although the plant G α proteins show relatively low sequence homology with the α-subunits of mammals (only about 40% homology), but great homologies in regions GTP binding or are responsible for the interaction with the βγ subunits to observe. However, the G α proteins appear to be as these are the case for the corresponding proteins in mammals a much more diverse class of proteins in plants. The analysis of mutations in a gene segment encoding the G α subunit of rice, which is also referred to as dwarfl or dl, showed that G α is involved in the formation of germ form Stielelongation and rice. Several studies suggest the involvement of heterotrimeric G proteins in defense signaling in numerous plant species. It is believed that the signal transduction pathway proceeds in a similar manner from the membrane receptor via the G α subunit to an effector, in this case OsRac, which then gives rise, via other signal components, to specific disease resistance training.
Interessant in Bezug auf pflanzliche GTPasen ist auch, daß pflanzliche äquivalente für viele der anderen kleinen GTPasen in Säugetieren existieren. Vor geraumer Zeit sind beispielsweise GTPasen identifiziert worden, die ein pflanzliches Äquivalent zu der Familie der oben beschriebenen Säugetier Rho-GTPase darstellen. Diese GTPasen werden in Pflanzen gewöhnlich als Rop-Proteine bezeichnet, die hier vermeintlich ähnliche Funktionen wahrnehmen wie in Säugetieren, nämlich die Regulation des Aktin Cytoskeletts.Interesting In terms of plant GTPases, too, is that plant equivalent for many the other small GTPases in mammals exist. For some time, for example, GTPases have been identified that has been a herbal equivalent to the family of the mammalian rho GTPase described above. These GTPases are commonly referred to in plants as Rop proteins, which here supposedly similar Perform functions as in mammals, namely the regulation of the actin cytoskeleton.
Beispiel 5:Example 5:
Beispiele für Adenosin-bindende Proteine mit besagter Nukleotidbindungstopologie sind das monomere Adenosinphosphat-bindende Protein RecA sowie möglicherweise die Familie der multimeren DNA/RNA-Helikasen. RecA ist ein allgegenwärtiges Protein, dessen strukturelle und funktionelle Homologe in allen Organismen zu finden sind von Bakterien bis zum Menschen. RecA ist ein hochkonserviertes, multifunktionelles Enzym und spielt eine entscheidende Rolle in homologer genetischer DNA Rekombination und post-Replikationsreparatur beschädigter DNA. Hierzu formt RecA Nukleoprotein Filamente. Wie das Nitrogenase Fe-Protein besitzt RecA die charakteristischen konservierten Walker A und B Motive, verantwortlich für die beschriebenen Mg2+ und Nukleotidphosphatgruppen Interaktionen mit der Proteinumgebung. Die Röntgenkristallstrukturen für das bakterielle RecA Protein aus Escherichia Coli zeigen, daß RecA zur gleichen Superfamilie von 'klassischen' "P-loop"-enthaltenden Proteinen gehört. Die nukleotid-induzierten Konformationsänderungen sind hierbei mutmaßlich für die hohe Affinität für DNA und Katalyse des DNA-Strangaustauschs verantwortlich.Examples of adenosine-binding proteins with said nucleotide binding topology are the monomeric adenosine phosphate-binding protein RecA and possibly the family of multimeric DNA / RNA helicases. RecA is a ubiquitous protein whose structural and functional homologues can be found in all organisms from bacteria to humans. RecA is a highly conserved, multifunctional enzyme and plays a crucial role in homologous genetic DNA recombination and post-replication repair of damaged DNA. RecA forms nucleoprotein filaments for this purpose. Like the nitrogenase Fe protein, RecA possesses the characteristic conserved Walker A and B motifs responsible for the described Mg 2+ and nucleotide phosphate group interactions with the protein environment. The X-ray crystal structures for the bacterial RecA protein from Escherichia coli show that RecA belongs to the same superfamily of 'classical' P-loop containing proteins. The nucleotide-induced conformational changes are presumably responsible for the high affinity for DNA and catalysis of DNA strand exchange.
Mögliche RecA-bezogene medizinische Anwendungen der VO2+-Modifizierung könnten beispielsweise zwei bekannte Vertreter bakteriellen RecA's sein, RecA des Mycobacterium tuberculosis als auch des Mycobacterium leprae. Mycobacterium tuberculosis ist der Verursacher von Tuberkulose und fordert nach wie vor mehr Leben als jede andere Infektionskrankheit trotz effektiver chemotherapeutischer Drogen und der 'Bacille Calmette Guerin' Impfung. Die Kristallstruktur für das RecA Protein vom Mycobacterium tuberculosis (mtRecA) ist kürzlich analysiert worden und zeigt eine insgesammt sehr gute Übereinstimmung mit der RecA Struktur von Escherichia Coli (ecRecA) was konsistent mit der hohen Sequenzhomologie zwischen ecRecA und mtRecA von 62 % ist. Trotzdem sind Unterschiede feststellbar, insbesondere erscheint die Nukleotidbindungsspalte im Vergleich zu ecRecA merklich erweitert in mtRecA, speziell scheint die "P-loop"-Region hiervon betroffen. Dies steht in Einklang mit biochemischen Differenzen der Bindungsstärke und Hydrolyse und liefert eine plausible Erklärung für die um mehr als die Hälfte reduzierte Affinität von mtRecA für ATP.Possible RecA-related medical applications of the VO 2+ modification could be, for example, two known representatives of bacterial RecA's, RecA of Mycobacterium tuberculosis and of Mycobacterium leprae. Mycobacterium tuberculosis is the causative agent of tuberculosis and continues to claim more lives than any other infectious disease despite effective chemotherapeutic drugs and the 'Bacille Calmette Guerin' vaccine. The crystal structure for the RecA protein of Mycobacterium tuberculosis (mtRecA) has recently been analyzed and shows a very good overall agreement with the RecA structure of Escherichia coli (ecRecA) which is consistent with the high sequence homology between ecRecA and mtRecA of 62%. Nevertheless, differences are discernible, in particular the nucleotide binding cleft seems to be considerably extended in mtRecA compared to ecRecA, especially the "P-loop" region seems to be affected. This is consistent with biochemical differences in binding strength and hydrolysis and provides a plausible explanation for the more than half reduced affinity of mtRecA for ATP.
Ein
weiteres Unterbeispiel ist das eukaryotische RAD51 Gen, das ein
strukturelles und funktionelles Homolog des bakterielle RecA Gens
ist. Wie das RecA Protein fördert
in diesem Fall das menschliche RAD51 Protein eukaryotische Rekombination/Reparatur
und spielt eine wichtige Rolle bei der Reparatur von DNA Doppelstrangbrüchen durch
homologe Rekombination. Allerdings ist die Fähigkeit ATP zu hydrolisieren
und/oder Strangaustausch zu bewirken unterschiedlich. Auch das ATP-bindende RAD51
rekombinase Genprodukt besitzt die beiden Walker Motive (siehe
Die wichtige Beobachtung von Thompson et al. (1984), die bereits Anfang der 80er Jahre gemacht wurde, daß die Gegenwart von VO2+SO4 entscheidend die Brustkrebsrate in Mäusen senkt, könnte hiermit, wie auch die Wechselwirkung mit p2lras, in direkter Verbindung stehen. Eine solche Wirkung würde in Übereinstimmung mit den hier beschriebenen Mechanismen der Mg2+-Substitution durch VO2+ für besagte molekulare Schalterproteine sein.The important observation of Thompson et al. (1984), made as early as the early 1980's, that the presence of VO 2+ SO 4 significantly reduces the breast cancer rate in mice could be directly related to this, as is the interaction with p2lras. Such an effect would be in accordance with the herein described mechanisms of Mg 2+ substitution by VO 2+ for said molecular switches proteins.
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| IL81166A (en) * | 1987-01-05 | 1990-03-19 | Kaplan Ephraim | Pharmaceutically active combination comprising an ionic vanadium compound and thiosulfate or sulfite compound and optionally selenium |
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| US5871779A (en) * | 1994-01-18 | 1999-02-16 | Mount Sinai Hospital Corporation | Treatment of arthropathies with vanadate compounds or analogues thereof |
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2004
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2005
- 2005-05-23 WO PCT/EP2005/005773 patent/WO2005112956A1/en not_active Ceased
Also Published As
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|---|---|
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