Wissenschaftliche Projekte

Calcium und IP3 Signalling

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Um den Energiebedarf der Herzmuskelzelle an die Energieproduktion anzupassen, muss es einen gut regulierten Kommunikationsmechanismus zwischen den Zellen und den Mitochondrien als Energieproduzenten geben. Ziel dieses Projektes ist es, genau diese Interaktion zu untersuchen. Dabei ist es der Kernpunkt des Projekts zu erarbeiten, über welchen Mechanismus Hormone die Funktion der Mitochondrien von außen beeinflussen können.

Die mitochondriale ATP-Produktion wird über die Ca2+-Konzentration in der mitochondrialen Matrix reguliert. Der wichtigste Ca2+-Aufnahme Kanal ist der mitochondriale Ca2+ Uniporter (mCU). Über diesen können, nach der Aktivierung, große Mengen Ca2+ in die mitochondriale Matrix gelangen. Paradoxer Weise benötigt der mCU zur Aktivierung unphysiologisch hohe Ca2+-Konzentrationen im mM Bereich. Bislang ist es unklar, wozu Mitochondrien einen Kanal expremieren, der unter physiologischen Bedingungen nicht aktiv sein kann. Der Stimulus und in der Folge die mitochondriale Ca2+-Aufnahme werden seit vielen Jahren kontrovers diskutiert. Ein möglicher Trigger für die mitochondriale Ca2+-Aufnahme kann die Akkumulation freigesetzten Ca2+ in sog. Mikrodomänen sein. Mikrodomänen sind durch den engen Kontakt zweier Organellen, in diesem Projekt Mitochondrien und SR, geprägt. Dieser enge Kontakt führt zu einem lokal abgeschlossenen Raum in der Zelle. In diesem Projekt soll die Hypothese untersucht werden, ob über Ca2+-Freisetzungskanäle auf dem SR, sog. IP3-Rezeptoren (IP3R), in Mikrodomänen freigesetztes Ca2+ in die Mitochondrien aufgenommen wird und dort die ATP-Produktion beeinflusst.


Der Calcineurin-NFAT-Signalweg

Prof. Dr. O.Ritter , Dr. M. Czolbe

Calcineurin ist ein Heterodimer aus Calcineurin A (CnA, 59 kDa) und Calcineurin B (CnB, 19 kDa). Calcineurin A besteht aus einer katalytischen und einer regulatorischen Domäne. Die regulatorische Domäne enthält die Calcineurin B-Bindungsstelle, die Calmodulin bindende Region und eine autoinhibitorische Domäne am C-Terminus. Ca2+-Bindung an Calcineurin B ermöglicht die Calmodulinbindung an CnA. Dies resultiert in einer Konformationsänderung der autoinhibitorischen Domäne und damit in einer Aufhebung der Blockade der katalytischen Untereinheit. Dadurch wird das Enzym aktiviert. Myokardiale Hypertrophie kann durch Calcineurin und NFAT vermittelt werden. Die Wirkung von Calcineurin kann durch Cyclosporin (CsA) unterdrückt werden. Zur Frage der Hypertrophiereduktion durch CsA gibt es einige tierexperimentelle Studien. Die Datenlage im Tiermodell ist jedoch nicht eindeutig. Dies könnte zum Teil an den toxischen Nebenwirkungen von CsA liegen. Zurzeit werden weitere, spezifischere Inhibitoren von Calcineurin untersucht. MCIP1, ein endogener Inhibitor von Calcineurin, wird über ein Calcineurin-responsives Element durch Calcineurin selbst reguliert und kann myokardiale Hypertrophie unterdrücken. Weitere endogene Inhibitoren von Calcineurin sind AKAP79 und Cain/Cabin. Die adenovirale Infektion von Kardiomyozyten mit diesen Inhibitoren verhinderte myokardiale Hypertrophie.

Der Calcineurin-NFAT-Signalweg

NFAT SignalwegNeben dem klassischen Substrat NFAT gibt es weitere Substrate für Calcineurin wie den Ryanodin-Rezeptor (RyR) und die Mitochondrien. Der Calcineurin-NFAT-Signalweg kann durch mehrere Mechanismen inhibiert werden.

Eventuell spielen unterschiedliche Aktivierungswege von Calcineurin eine Rolle bei der Frage, welche Wirkung (pro- oder antihypertroph) Calcineurin ausübt. Bisher geht man davon aus, dass dauerhaft erhöhte Ca2+- Spiegel in der Zelle zu einer Aktivierung von Calcineurin führen. In einer 2005 publizierten Arbeit konnten wir einen alternativen Weg der Calcineurin-Aktivierung aufzeigen. Durch proteolytische Abspaltung der autoinhibitorischen Domäne von Calcineurin kommt es zu einem Anstieg der Calcineurinaktivität. Dieser ist auf die Entstehung einer "konstiutiv aktiven" Form von Calcineurin durch die Proteolyse der autoinhibitorischen Domäne zurückzuführen.

In humanen Herzgewebeproben wurde die Calcineurin-Aktivität gesunder Herzen im Vergleich zu hypertrophierten oder insuffizienten Herzen untersucht. Hierbei konnten wir nachweisen, dass die Calcineurin-Aktivierung bei Herzinsuffizienz um das Vierfache gesteigert ist. Dies weist auf die Relevanz dieses Signalwegs im insuffizienten Herzen des Menschen hin. In unserer Arbeitsgruppe werden daher Möglichkeiten gesucht, den Calcineurin-NFAT-Signalweg beim Menschen zu beeinflussen, um das Entstehen einer Herzinsuffizienz zu vermeiden.

Das auf experimenteller Ebene gewonnene Wissen wird nun in die Entwicklung von Medikamenten umgesetzt. Hierfür konnten erfolgreich Fördermittel – u. a. im Rahmen der VIP-Initiative des BMBF – eingeworben werden. Die weitere Medikamentenentwicklung wird unter dem Dach einer eigens dazu gegründeten Biotechnologiefirma (CALPORTIN pharmaceuticals) durchgeführt.


CALPORTIN Pharmaceutical

Prof. Dr. O.Ritter , Dr. M. Czolbe (CSO)

CALPORTIN pharmaceuticals ist eine auf die Arzneimittelentwicklung in den Therapie gebieten Herz-Kreislauf und Immunologie spezialisierte Firma. Basierend auf einem neuen, bereits im Tiermodell validierten Interventionspunkt
werden Arzneimittel bis zum „proof of concept" im Menschen, in Nischenindikationen darüber hinaus, entwickelt und anschließend in Partnerschaften mit etablierten Pharmafirmen an den Markt gebracht.

CALPORTIN

Das Wirkprinzip von CALPORTIN

Die Entdeckung unserer Gruppe, dass zur vollen transkriptionellen Aktivität von NFAT auch Calcineurin im Zellkern benötigt wird, führte zur Entwicklung von CALPORTIN (CPN), einem Peptid, das diesen Transport in den Zellkern verhindert. Damit war es uns möglich, in verschiedenen Modellsystemen (in vitro und in vivo) die Expression von Hypertrophie-Genen zu unterdrücken und die Entstehung einer myokardialen Hypertrophie zu verhindern. Dieses Wirkprinzip soll durch CALPORTIN pharmaceuticals zu einem Medikament gegen Herzinsuffizienz weiterentwickelt werden.

Ziel von CALPORTIN pharmaceuticals ist es, das gefundene Therapieprinzip auf den Menschen zu übertragen und geeignete Substanzen bei herzinsuffizienten Patienten im Rahmen einer pharmazeutischen Entwicklung einzusetzen.

Dies beinhaltet

  • die Optimierung des Leitpeptids und umfassende Testung in weiteren speziellen Tiermodellen für die Herzinsuffizienz,
  • das anschließende Design von „small chemical compounds" als Ausgangpunkt für eine Medikamentenentwicklung im Therapiegebiet Herz-Kreislauf und
  • der Einsatz des Entwicklungskandidaten im Menschen im Rahmen einer kontrollierten klinischen Studie.

Weitere Projekte

  • Eya4
  • Kardiotoxische Nebenwirkungen neuer Tumortherapeutika
  • CApon in myocardium

foerderung