Labor Lipoxygenase-Forschung

Der zelluläre Redoxstatus ist von großer physiologischer Bedeutung, weil das Genexpressionsprofil der meisten Säugetierzellen, und in Verbindung damit ihr funktioneller Phänotyp, vom jeweiligen Redoxstatus abhängen. Redox-sensitive Transkriptionsfaktoren übersetzen das Redoxgleichgewicht in Genexpressionsänderungen, so dass die Zelle sich an veränderte Stoffwechselverhältnisse anpassen kann. In Säugetierzellen wird die zelluläre Redoxhomöostase unter anderem durch die Aktivitäten pro- (Lipoxygenasen) und anti-oxidativer Enzyme (Glutathionperoxidasen) aufrechterhalten. Diese Wechselwirkung steht im Mittelpunkt unserer Forschung.

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Die zelluläre Redoxhomöostase ist ein wichtiger Parameter, der wesentlich den Funktionszustand einer Zelle mitbestimmt. Früher wurde oxidativer Stress einseitig als zerstörender Prozess angesehen, der zur oxidativen Modifizierung von Biomolekülen führt und dadurch Funktionseinschränkungen der Zellen nach sich zieht. Heute weiß man jedoch, dass oxidativer Stress nicht notwendiger Weise zu zellulären Fehlfunktionen führen muss, sondern dass der normale Zellstoffwechsel eine ausgeglichene Redoxhomöostase erfordert, die auch die Bildung reaktiver Sauerstoffspezies beinhaltet. So wird z.B. die Expression redox-sensitiver Gene durch die Veränderung des zellulären Redoxstatus beeinflusst.

In unserer Gruppe werden Struktur-Wirkungsbeziehungen von pro-oxidativen Enzymen (Lipoxygenasen) und anti-oxidativen Enzymen (Glutathionperoxidasen) untersucht.

Lipoxygenasen (LOX)

Molekülmodell der Lipoxygenase
Molekülmodell (PDB-ID: 2P0M)

Lipoxygenasen bilden eine heterogene Klasse lipidperoxidierender Enzyme, die bei der Zelldifferenzierung sowie bei der Pathogenese entzündlicher und hyperproliferativer Erkrankungen eine wichtige Rolle spielen (1,2). LOX kommen in allen hochentwickelten Tieren und Pflanzen in verschiedenen Isoformen vor und lassen sich hinsichtlich ihrer Reaktionsspezifität mit mehrfach ungesättigten Fettsäuren in verschiedene Gruppen klassifizieren. Das menschliche Genom enthält 6 unterschiedliche funktionsfähige LOX-Gene, die für 6 verschiedene humane LOX-Isoformen kodieren.

Obwohl die Kristallstrukturen verschiedener LOX-Isoformen bereits aufgeklärt wurden (1,2), sind die strukturellen Ursachen ihrer unterschiedlichen katalytischen Eigenschaften und ihre evolutionären Verwandtschaftsbeziehungen noch weitgehend unklar. Schwerpunkte unserer Forschungen sind deshalb die Untersuchung des Reaktionsmechanismus verschiedener LOX-Isoformen, deren phylogenetische Entwicklung als lipidperoxidierende Enzyme sowie die physiologische und pathophysiologische Bedeutung verschiedener LOX-Isoformen, die in tierischen Krankheitsmodellen und beim Menschen untersucht wird.

1. HaeggstroemJZ, FunkCD. Chem. Rev.111(2011)5866-5898.
2. IvanovI, HeydeckD, HofheinzK, RoffeisJ, O'DonnellVB, KuhnH, WaltherM. Arch. Biochem. Biophys. 503(2010)161-174.

Glutathionperoxidasen (GPx)

Kristallstruktur der Sec46Cys Mutante der humanen Phospholipid-hydroperoxid-glutathionperoxidase
Molekülmodell der GPx4 (PDB-ID: 2OBI)

Glutathionperoxidasen sind einfach aufgebaute peroxidreduzierende Enzyme, die Glutathion als Elektronendonator verwenden (3). Intrazellulär stellen sie einen funktionellen Gegenspieler von Lipoxygenasen dar. Das menschliche Genom enthält mehrere Glutathionperoxidasegene, von denen einige für selenocysteinhaltige Isoenzyme kodieren. Die Verschiedenen GPx-Isoformen unterscheiden sich hinsichtlich ihrer zellulären und subzellulären Lokalisierung und hinsichtlich ihrer Substratspezifität. Unter allen GPx-Isoformen ist die GPx4 das einzige Enzym, welches in der Lage ist, auch komplexe Lipidhydroperoxide (z.B. Phopholipidhydroperoxide, Cholesterolesterhydroperoxide) zu reduzieren, auch wenn die Substrate Bestandteile komplexer Lipid-Protein-Aggregate (Biomembranen, Lipoproteine) sind (4). Neben seiner Funktion als peroxidreduzierendes Enzym ist die GPx4 aber auch als Strukturprotein bedeutsam, da das Mittelstück von Spermien große Mengen eines GPx4-Polymers enthält. 

3. Brigelius-FlohéR, MaiorinoM. Biochem Biophys Acta.1830(2013)3289-3303.
4. SchnurrK, BelknerJ, UrsiniF, ScheweT, KuehnH. J. Biol. Chem. 271(1996)4653-4658.

 

 

Die Untersuchungen beinhalten eine gezielte Modifizierung der Proteine und die Charakterisierung der sich aus diesen Mutationen ergebenen Funktionsveränderungen. Diese Arbeiten schließen Experimente mit genetisch veränderten Zellen und Organismen sowie Hemmstoffuntersuchungen ein. Eine veränderte Redoxhomöostase wird auch für die Entstehung verschiedener Erkrankungen verantwortlich gemacht, z.B. Arteriosklerose, Entzündung, Adipositas. Es soll daher erforscht werden, wie sich die Überexpression bzw. die funktionelle Inaktivierung der oben genannten Proteine in tierischen Krankheitsmodellen auswirkt. Dazu werden gentechnisch veränderte Mäuse verwendet, bei denen z.B. das ALOX15 Gen gewebespezifisch überexprimiert wird, z.B. ion Makrophagen oder dem Fettgewebe. Alternativ dazu kommen ALOX15-knock-out, ALOX5-knock-in und GPx4-knock-in-Mäuse zum Einsatz. Bei ihnen wird das entsprechende Enzym nicht oder in einer katalytisch inaktiven bzw. funktionell veränderten Form exprimiert.

Die Kreuzung dieser gentechnisch veränderten Mausstämme soll die physiologischen und patho-physiologischen Konsequenzen der gentechnischen Manipulationen in ausgewählten tierischen Krankheitsmodellen beleuchten, z.B. der DSS-Kolitis. Ziel diese Studien sind genauere Erkenntnisse zur Rolle des Peroxidstoffwechsels bei der Pathogenese von Erkrankungen.

Arbeitsgruppenleiter

Univ.-Prof. Dr. sc. med. Hartmut Kühn

Arbeitsgruppenleiter LipoxygenaseforschungCharitéUniversitätsmedizin Berlin
Charitéplatz 1
10117 Berlin

Postadresse:Charitéplatz 110117 Berlin

Campus- bzw. interne Geländeadresse:Virchowweg 6

Route / Geländeplan

Wiss. Mitarbeiter

Dagmar Heydeck
Dr. rer. nat. Dagmar Heydeck

Wiss. Mitarbeiterin

Doktoranden

Techn. Assistenten

Sabine Stehling
Sabine Stehling

Techn. Assistentin