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Studie der Universität Cambridge zum Alpha-1-ATM
(Auszug aus der Sendung "Archimedes", Untertitel "kaputtes Protein")
In den Laboratorien der Universität Cambridge beschäftigen sich Mediziner und Biochemiker mit Krankheiten, für die noch keine Medikamente zur Verfügung stehen. Dazu gehört eine genetische Erkrankung, die nicht nur die Lungenbläschen zerstört, sondern auch zu einer Leberzirrhose führt. In Europa sind 100.000 Menschen von dieser Genkrankheit betroffen, deren Auslöser ein funktionsgestörtes Molekül ist, das normalerweise den Organismus schützen soll.
David Lomas, Mediziner, Universität Cambridge:
"Jahrelang haben wir uns gefragt, wieso einige Menschen bereits in
jungen Jahren ein Lungenemphysem entwickeln. Heute ist klar, dass dies auf
den genetisch bedingten Mangel eines Proteins zurückzuführen ist:
Das so genannte Antitrypsin. Hier das Beispiel einer meiner Patientinnen,
die an einem genetisch bedingten Mangel an Antitrypsin alpha 1 leidet. Ihr
Emphysem zeigte sich im Alter von etwa 30 Jahren in Form von Atemnot und
verschlimmerte sich zwischen dem 30. und 40. Lebensjahr. Heute ist meine
Patientin stark eingeschränkt und kann nur noch einige Meter gehen,
bevor sie völlig außer Atem gerät.
Schauen wir uns diese Röntgenbilder an. Im oberen Teil sehen die Lungen relativ normal aus. Sie sind grau, aber weiter unten werden sie schwarz. Das ist die zerstörerische Wirkung der Enzyme. Der Antitrypsin-Mangel geht auf eine Genmutation zurück, die zu einer Destabilisierung des Moleküls führt. Anstatt zusammen mit den Enzymen die Lungen zu schützen, verbinden sich die Antitrypsin-Moleküle untereinander. Diesen Prozess nennen wir Polymerisation.Diese Antitrypsin-Polymere werden dort zurückgehalten, wo sie entstehen - in der Leber.
Eines unserer Probleme ist, dass wir nicht verstehen, warum dieser Proteinmangel zu einem Emphysem führt. Zur Klärung dieser Frage müssen wir die Funktion solcher Proteine genau untersuchen." Robin Carrell, Direktor des Laboratoriums, beschäftigt sich seit mehr als 15 Jahren mit diesem Problem.
Robin Carrell, Professor für Hämatologie, Universität
Cambridge:
"Man wusste, dass der Mangel dieser Blutproteine mit einer Formveränderung
einhergeht. Also haben wir versucht zu verstehen, wieso die Form für
den Schutz der Lungen verantwortlich ist und warum eine Anomalie zu einer
Häufung dieser Proteine in der Leber führt und damit eine Lebererkrankung
auslöst. Wir mussten also detailliert untersuchen, durch welchen Mechanismus
dieses Protein den Organismus schützt. Es ging darum zu erfahren, wie
es sich bewegt, wenn es in Aktion tritt.
Dazu mussten wir einen Film dieser Molekülbewegung erstellen, die nur eine hunderttausendstel Sekunde dauert. Das war eine enorme Herausforderung. Zur Lösung der Aufgabe bedienten wir uns einer Technik, die noch aus dem Viktorianischen Zeitalter stammt. Für die allerersten Portraits aus dem Jahre 1833 benötigte man eine Belichtungszeit von mehreren Stunden. Um zu gewährleisten, dass sich die Protagonisten während dieser gesamten Zeit nicht bewegten, konstruierte man Gerüste hinter ihrem Hals, die sie über zwei oder drei Stunden fest in einer solchen Position hielten. Genauso verfahren wir mit dem Antitrypsin und den anderen Proteinen: Die Moleküle werden regelrecht immobilisiert."
Dazu lässt man verschiedene Kristalle des Proteins in den unterschiedlichen Phasen ihrer Bewegung erstarren. Um Bilder dieser dynamischen Vorgänge zu erhalten, beschickt man die Proben mit Röntgenstrahlen.
Randy Read, Kristallograph, Universität Cambridge:
"Wenn wir ein Objekt unter dem Mikroskop vergrößern, kommt
es zu einer Lichtstreuung. Über eine Linse wird dieses Licht gesammelt
und gebündelt und erzeugt dann das Bild, das wir sehen. Die Objekte,
die wir unter dem Mikroskop betrachten, sind klein, aber die Proteinmoleküle
sind noch sehr viel kleiner. Daher benötigen wir eine Vergrößerung
von mehreren hundert Millionen. Eine derartige Vergrößerung wird
für sehr kleine Objekte verwendet, die nur mit einem Licht sichtbar
werden, dessen Wellenlänge in der Größenordung der zu untersuchenden
Gegenstände liegt. Mit normalem Licht lassen sich Bakterien, aber keine
Moleküle betrachten. Dazu benötigt man Strahlen mit Wellenlängen,
die in etwa der Größe dieser Moleküle entsprechen. Deshalb
verwenden wir Röntgenstrahlen.
Für die Kristallographie mit Röntgenstrahlen nehmen wir einen Kristall des Moleküls, das uns interessiert und beschicken ihn mit einem Bündel Röntgenstrahlen. Dann erhalten wir ein solches Diffraktionsmuster, das der Lichtstreuung eines Gegenstandes unter dem Mikroskop entspricht. Aber es gibt keine Linse zur Bündelung dieser Röntgenstrahlen. Um ein Bild des Moleküls zu erhalten, verwenden wir daher einen Computer in Verbindung mit einer Reihe komplexer Programme.
Das hier ist nur eine einfache Zeichnung des Moleküls. Während beim Mikroskop eine Linse genügt, verwenden wir für die verschiedenen Etappen einen Computer. Dieses Diffraktionsmuster erhalten wir, wenn wir den Kristall drehen. Dann tauchen nach und nach diese ganzen Punkte auf. Jeder steht für die Position eines Atoms innerhalb des Kristalls, und alle zusammen ergeben ein dreidimensionales Bild seiner atomaren Zusammensetzung. Man erkennt gut, dass es sich um einen dreidimensionalen Gegenstand handelt. Danach muss man dieses Bild als Atommodell interpretieren, das uns die Position der Atome in einem Molekül und ihre Dichte angibt.
Der Schnittpunkt dieser Linien bezeichnet die Atome, und die Linien selbst stellen die Verbindungen zwischen den Atomen dar. Dieses Atommodell beinhaltet alle Informationen, die wir anhand des Kristalls gesammelt haben und beschreibt die Position der Atome, in denen das Protein enthalten ist. Bilder dieser Art bekommt man schnell. Detailliertere Darstellungen dauern sehr viel länger. Liegt ein solches Modell vor, ist die Arbeit des Kristallographen getan. Dann kommen Biologen und Mediziner an die Reihe. Das können aber durchaus die gleichen Personen sein."
Robin Carrell, Professor für Hämatologie, Universität
Cambridge:
"Wir verfügen also über eine komplette Bildfolge, die mit
Hilfe der Kristallographie und Röntgenstrahlen entstanden ist. Jedes
dieser Bilder ist das Ergebnis einer monatelangen Arbeit und tagelanger
Belichtungszeit. Diese Bilderserie mag für Sie nicht allzu viel hergeben,
aber wenn wir die Analogie zum Viktorianischen Zeitalter weitertreiben,
erschließt sich ihr Sinn. Wir setzen diese Bilder in die richtige
Reihenfolge und rekonstruieren so die Bewegung des Moleküls.
Schauen wir uns gleich das Ergebnis der Studie an. Es ist wirklich interessant. Das Antitrypsin funktioniert in der Tat wie eine Mausefalle, seine Bewegung ist mit der einer Feder vergleichbar. Mit seinem Köder zirkuliert es im Blut - das ist sozusagen der Käse - und liegt auf der Lauer nach der Protease, die die Lungen angreift. Erkennt die Protease den Köder, nimmt sie ihn auf und wird ans andere Ende des Moleküls katapultiert - wie in einer Mausefalle. Dort wird die Protease dann zerstört. Diese Zerstörung können wir anhand eines Videofilms verfolgen. Betrachten wir das Molekül, so erkennen wir, wie die Maus - die Protease - den Köder nimmt und in einer extrem genauen und koordinierten Bewegung ans andere Ende des Moleküls katapultiert wird.
Einerseits ist es gar nicht so erstaunlich, dass es zu Mutationen, zu einem Mangel dieses Moleküls kommt. Viele von uns haben unglücklicherweise diese Veranlagung geerbt. Die Falle wird wirkungslos. Anstatt die Protease zu schützen, sieht man, wie sich die Falle öffnet und wieder verschließt. Dann reiht sich ein Molekül ans andere. Daraus entstehen in der Leber lange Polymer-Sequenzen. Diese Polymere häufen sich und führen zu einer Lebererkrankung. Folglich fehlen die nötigen Proteine im Blut, um die Lungen zu schützen. Und das wiederum führt zu einer Lungenerkrankung.
Als unerwartetes Nebenprodukt dieser Studie hat sich gezeigt, dass das Antitrypsin zu einer großen Proteinfamilie gehört, die die Hauptmechanismen des Lebens steuert. Hier zwei typische Beispiele. Eines dieser Proteine ist das Antithrombin, das die Blutgerinnung kontrolliert. Das andere interessante Beispiel ist das Neuroserpin, ein spezielles Gehirnprotein, das im Innern der aktiven Gehirnzellen die so genannten Neuronen produziert.
Bei den Neuronen zeigen sich die gleichen Veränderungen wie bei den Leberzellen von Personen, die an einem Antitrypsin-Mangel leiden. Unter dem optischen, elektronischen und hochauflösenden Elekronenmikroskop wird die gleiche krankhafte Proteinhäufung sichtbar. Jeweils zwei dieser Bilder gehören zusammen. Man erkennt hier, wie sich die Polymere in der Leber vermischen. Das Gleiche geschieht in den Gehirnzellen."
Nach 15-jähriger Forschungsarbeit schätzt man, dass noch einmal 15 Jahre nötig sein werden, bevor ein geeignetes Medikament gegen diese Krankheiten zur Verfügung steht.
