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25.07.2011

Christian Thoma: Schnelle Regulation durch Translationskontrolle

Sie ist einer der wichtigsten Schalter der Molekularbiologie und dennoch gewissermaßen ein Stiefkind. Während der Prozess der sogenannten Transkription und deren Regulationsmechanismen seit längerem erforscht werden, scheint die Translation ein Schattendasein zu fristen. Dabei wird immer deutlicher, wie wichtig die zelluläre Kontrolle dieses Schritts in der Herstellung der Proteine ist, auch im klinischen Kontext. Der Heisenbergstipendiat PD Dr. Christian Thoma vom Universitätsklinikum Freiburg hat sich schon seit Jahren auf die Translationskontrolle spezialisiert. Er hat eine spezielle Methode etabliert, mit der er die Vorgänge auf molekularer Ebene untersuchen kann. Dem Ziel, Angriffspunkte für Therapien bei Krebs oder Hepatitis C zu finden, sind er und sein Team inzwischen einen Schritt näher gekommen.

Zu sehen ist der Oberkörper und das Gesicht eines dunkelhaarigen Mannes mit Brille.
PD Dr. Christian Thoma (© PD Dr. Christian Thoma)

Eine Zelle muss stets regulieren, wie viel von einem Enzym, Signalmolekül oder Strukturprotein sie herstellt. Das ist zum einen im physiologischen Kontext wichtig, etwa in der Entwicklung eines Organismus, wo bestimmte Eiweiße als Inhibitoren oder Aktivatoren von zellulären Prozessen nur in bestimmten Phasen gebildet werden dürfen. Aber auch im pathophysiologischen Kontext, denn eine Krebszelle etwa hat ein Interesse daran, bestimmte Signalmoleküle oder Enzyme in größeren Mengen herzustellen, um ihre eigene Teilungsaktivität zu steigern. Die Kontrolle über die Menge des hergestellten Proteins kann auf der Ebene der Transkription erfolgen, also während die DNA abgelesen und in die Messenger-RNA (mRNA) überschrieben wird. Deshalb studieren zahlreiche Forscher die Regulation dieses Prozesses durch zum Beispiel Transkriptionsfaktoren oder Signalkaskaden. Oder aber auf der Ebene der Translation. "Die Kontrolle der Translation hat für die Zelle einen erheblichen Vorteil", sagt PD Dr. Christian Thoma, Heisenbergstipendiat in der Abteilung II am Universitätsklinikum Freiburg. "Die Zelle kann die Menge der aus der mRNA hergestellten Proteine erhöhen oder verringern, ohne dabei die ganze Kaskade von der DNA über die mRNA durchlaufen zu müssen."

Krebs und ein alternativer Mechanismus

Die Translation erlaubt also wesentlich schnellere Eingriffe in das komplexe Netz aus Molekülen in einer Zelle. In einem erst kürzlich erschienenen Nature-Paper zeigten Forscher sogar, dass sie den Hauptmechanismus der Kontrolle von biologischen Prozessen darstellt, also viel wichtiger ist als der Abbau von überschüssigen Eiweißen oder andere Mechanismen. Deshalb können bei einer Deregulierung der Translationskontrolle leicht Krankheiten wie Krebs die Folge sein. Trotzdem beschäftigen sich in Deutschland nur einige wenige Gruppen mit dem wichtigen Prozess. Der studierte Mediziner Thoma entschied sich nach einer Doktorarbeit im Bereich der Molekularen Biologie in der Medizinischen Abteilung II (Ärztlicher Direktor: Prof. Dr. Dr. mult. h.c. H. E. Blum) des Universitätsklinikums Freiburg für ein Postdoc-Projekt auf dem Gebiet der Translationskontrolle in der Arbeitsgruppe des „Associate-Director“ Prof. Dr. M.W. Hentze am Europäischen Laboratorium für Molekularbiologie (EMBL) in Heidelberg und habilitierte sich später auch in Heidelberg in dem Fach „Molekulare Medizin“ mit Fokus auf die Translationskontrolle. Heute untersuchen er und sein Team vor allem einen molekularen Translationsmechanismus, der eine Alternative zur klassischen Initiation der Translation darstellt. Und der zum Beispiel bei Krebszellen oder beim Hepatitis-C-Virus eine wichtige Rolle spielt.
Zu sehen ist das komplexe Schema des Translationsvorgangs.
Die Translation ist ein komplexer Vorgang, bei dem die mRNA an Ribosomen in eine Aminosäurekette übersetzt wird. (© Mariana Ruiz Villarreal)

Bei der Translation wird die im Zellkern transkribierte mRNA-Sequenz außerhalb des Zellkerns an riesigen molekularen Dechiffrier-Maschinen, den sogenannten Ribosomen, in eine Sequenz aus Aminosäuren übersetzt. Dieser Prozess kann in der Regel nur beginnen, wenn die mRNA an einem ihrer Enden eine sogenannte cap-Struktur besitzt, und am anderen Ende einen Schwanz aus vielen hintereinander geschalteten Adenosin-Nukleosiden. Einige virale mRNAs können aber auch translatiert werden, ohne eine solche Kappe zu tragen. Sie müssen hierfür eine Struktur tragen, die als Internal Ribosomal Entry Site (IRES) bezeichnet wird. Dazu zählt zum Beispiel die mRNA des Hepatitis-C-Virus. Jedoch können auch zelluläre mRNAs, deren Proteinprodukte für das Überleben von Krebszellen von Bedeutung sind, über einen solchen Mechanismus translatiert werden.

Thoma und sein Team untersuchen heute die Mechanismen, mit denen diese cap-unabhängige Translation kontrolliert wird. Welche Proteine sind daran beteiligt, den Beginn der Translation von solchen mRNAs zu erleichtern oder zu erschweren? "Würde man solche Proteine finden und ihre Funktion genau aufklären, dann könnte man in die Kontrolle der Translation von mRNAs, die bei der Krebsentstehung oder bei der Hepatitis-C-Virus-Infektion eine Rolle spielen, gezielt eingreifen", sagt der Mediziner. Für ihn ist es wichtig, Verbindungen zwischen Grundlagenforschung und möglichen klinischen Anwendungen herzustellen.

Das gesamte Genom einer Krebszelle durchforsten

Ein konkretes Projekt, das momentan in der Thoma-Gruppe bearbeitet wird, ist die Suche nach Regulatoren der Translation des Vaskulären Endothelialen Wachstumsfaktors (VEGF). Dieses Molekül spielt eine wichtige Rolle für Tumoren, denn es regt das Wachstum von neuen Blutgefäßen an. Eine ausreichende Versorgung mit Blut und damit mit Nährstoffen ist für Tumoren sehr wichtig. Eine Krebszelle ist daher interessiert daran, dass eine möglichst große Menge von VEGF produziert wird.

Deshalb versucht sie, die Translation des Moleküls in die Höhe zu treiben. Allerdings kommt es unter hypoxischen Bedingungen zu einer Herunterregulierung der cap-abhängigen Translation. Die Aktivierung der cap-unabhängigen Translation, die sich in einer von Nährstoffen abgeschnittenen Krebszelle in Gang setzt, erlaubt es nunmehr, dass die VEGF-Synthese weiterhin möglich ist. "Welche Proteine sind dafür zuständig, dass die VEGF-mRNA cap-unabhängig translatiert werden kann?", fragt Thoma. Um eine solche Frage beantworten zu können, haben sein Team und er in den letzten Jahren eine spezielle Methode entwickelt, die es grundsätzlich erlaubt, das gesamte Genom einer Krebszelle nach Genen zu durchsuchen, die eine erhöhte cap-unabhängige Translation der VEGF-mRNA fördern oder blockieren können.

In funktionellen Hochdurchsatz-Assays schalten sie mit Hilfe der RNA-Interferenz-Technologie die Expression von Genen aus und prüfen anschließend, ob sich die Translation von VEGF erhöht oder verringert hat. „Bislang wurden überwiegend biochemische Methoden eingesetzt, um Proteine zu identifizieren, die (spezifisch) an mRNAs binden. In einem zweiten Schritt wird dann erst überprüft, ob die gefundenen Kandidaten auch funktionell von Bedeutung sind“, sagt Thoma. "Mit unserem Ansatz suchen wir direkt nach Molekülen, die eine funktionelle Rolle bei der Translation und bei deren Kontrolle spielen." Inzwischen haben der Mediziner und sein Team einige molekulare Mitspieler entdeckt, die vielversprechende Kandidaten im Bereich der cap-unabhängigen Translationsskontrolle sind. Die Moleküle müssen nun genauer untersucht werden: Wie genau kontrollieren sie die Translation der VEGF-mRNA? Welche physiologische Relevanz haben sie tatsächlich auf die Blutversorgung eines Tumors und das Tumorwachstum? Und kann man sie manipulieren, um einen Ansatz für eine Therapie zu entwickeln?

Ist ein fruchtbarer Austausch möglich?

In Zukunft wollen die Forscher um Thoma auch die Translationskontrolle der mRNA des Hepatitis-C-Virus unter die Lupe nehmen. Grundsätzlich kann mit der von ihnen entwickelten Methode jede beliebige mRNA-Sequenz untersucht werden. Da viele Forscher - manchmal auch zufällig - über Fragestellungen stolpern, die mit Thomas Forschungsgebiet zu tun haben, ist davon auszugehen, dass die Translationskontrolle immer mehr auch in den Fokus anderer Molekularbiologen rücken wird. Eine zeitnahe Möglichkeit zum Austausch in Deutschland ist die internationale Konferenz zur Translationskontrolle, die diesen September wieder im „Advanced Training Center“ am EMBL Heidelberg stattfinden wird. Es ist durchaus vorstellbar, dass ein Austausch fruchtbar wäre, denn oft waren es in der Wissenschaftsgeschichte Impulse aus benachbarten Forschungsgebieten, die zu Innovationen führten.
Ein Beitrag von:
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mn - 25.07.2011
© BIOPRO Baden-Württemberg GmbH

Weitere Informationen zum Beitrag:

PD Dr. Christian Thoma
Heisenberg-Fellow
Universitätsklinik Freiburg
Abteilung für Medizin II
Hugstetterstr. 55
79106 Freiburg
Tel.: +49 (0)761 270 / 32770
Fax: +49 (0)761 270 / 32770

 

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