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Polysialinsäure 

Polysialinsäuren (PolySia) sind Homopolymere aus verknüpften Sialinsäuren (Sia). Diese können aus bis zu 100 Sia-Molekülen bestehen. Einziger Träger von PolySia ist das Neurale Zelladhäsionsmolekül NCAM. 1995 gelang mehreren Gruppen die Charakterisierung und Klonierung zweier Enzyme, welche die Polymerisation der Sia zu PolySia Ketten bewerkstelligen (Eckhardt et al., 1995; Nakayama et al., 1995; Scheidegger et al., 1995; Yoshida et al., 1995). Die von diesen Gruppen isolierten cDNAs codieren für zwei verschiedene Enzyme (STX/ST8SiaII und PST/ST8SiaVI), die beide in der Lage sind, NCAM zu polysialylieren. Beide Polysialyltransferasen werden entwicklungsabhängig reguliert, zeigen aber ein unterschiedliches Expressionsmuster. Die überwiegend in embryonalem Gewebe exprimierte polysialylierte Form von NCAM (PolySia-NCAM) hat im Vergleich zu nicht PolySia-NCAM deutlich reduzierte adhäsive Eigenschaften (Sadoul et al., 1983) und fördert das Auswachsen von Neuriten in vitro (Doherty et al., 1990). Während der Gewebeentwicklung spielt PolySia vor allem bei zwei Prozessen eine entscheidende Rolle: Beim zielgerichteten Wachstum von Neuronen und bei der Zellmigration. Die auf den Zellen vorhandenen Polysialinsäureketten vermindern Zell-Zell-Interaktionen und führen zu einer erhöhten Plastizität bei zellulären Interaktionen und Bewegungen. Gut untersucht ist die Migration von Nervenzellen vom Ort ihrer Entstehung zum Bulbus olfactorius, die bei Abwesenheit von PSA-NCAM gestört ist (Hu et al., 1996; Lois et al., 1996). In diesem Fall ermöglicht die Anwesenheit von PolySia-NCAM auf der Zelloberfläche die zielgerichtete Wanderung von Zellen, indem die Adhäsionswirkung der NCAM-Moleküle abgeschwächt wird. Im peripheren Nervensystem ist PolySia-NCAM für die Defaszikulation von Axonen erforderlich. Dieser Prozess ist notwendig, damit die axonalen Fortsätze am Zielort die verschiedenen Zielzellen (z.B. Muskelzellen) ansteuern können. Andernfalls lösen die Neuriten sich nicht voneinander ab, sondern bleiben assoziiert und wachsen in parallelen Bündeln (Tang et al., 1994). Zwar nimmt die PolySia-Expression mit zunehmendem Alter deutlich ab, dennoch wird auch in bestimmten Regionen des adulten Gehirns weiterhin PolySia gefunden, z.B. im Hippocampus oder im olfaktorischen System. Beides sind Regionen, in denen Plastizität auch im adulten Nervensystem zu beobachten ist. In einer Publikation von Shen et al. (1997) wird sogar eine Beteiligung von PSA an rhythmischen Vorgängen, wie der sogenannten inneren Uhr von Vertebraten, beschrieben.

In kürzlich erschienenen Arbeiten konnte eine direkte Korrelation zwischen Sialylierungsgrad und malignen Prozessen bei verschiedenen Tumoren beobachtet werden (Dennis and Laferte, 1987; Kageshita et al., 1995). Besonders Neuroblastome zeichnen sich durch vermehrte Polysialylierung aus und die Menge an PolySia korreliert mit einer verstärkten Metastasierung und damit mit einer schlechten Prognose. Zusätzlich ist PolySia wegen ihrer verstärkten Expression bei Neuroblastomen, Lungenkarzinomen und dem Wilms-Tumor ein wichtiges Forschungsziel in der Tumorbiologie. Weiterhin sind Polysialinsäuren auch wegen ihrer verstärkten Expression auf Astrozyten in akuten Plaques von MS-Patienten und ihres Potentials die Remyelinisierung von Axonen zu inhibieren, ein wichtiges Forschungsziel in der Neurobiologie. Über die Regulation der Polysialylierung bzw. die Kinetik der beiden Polysialyltransferasen STX und PST ist bisher nur wenig bekannt. Die Verfügbarkeit von Inhibitoren der beiden Polysialyltransferasen STX oder PST könnten daher die Therapie des Neuroblastoms entscheidend verbessern.

 

Die N-Acetylglukosamin 2-Epimerase/N-Acetylmannosamin Kinase

Sialinsäuren sind essentielle Bestandteile komplexer Glykanketten von Glykoproteinen und Gangliosiden. Sie sind eng mit Entwicklung und Funktion von Organen verknüpft. Das Schlüsselenzym für die Sialinsäurebiosynthese ist die UDP-N-Acetylglukosamin-2'-epimerase/N-Acetymannosaminkinase (im Folgenden: GNE). 

Im vorgeschlagenen Projekt soll die Rolle der GNE bei Entstehung und Verlauf der erblichen Einschlusskörperchen Myopathie (Hereditary Inclusion Body Myopathy, im Folgenden: HIBM) näher untersucht werden. Aus vorausgegangenen Untersuchungen wissen wir, dass Mutationen in der GNE zum Krankheitsbild der HIBM führen. GNE-Mutationen bewirken in nahezu allen Muskeln schwere Schädigungen. Im vorgeschlagenen Projekt sollen neue Funktionen der GNE, die nicht direkt mit ihrer enzymatischen Funktion bei der Sialinsäurebiosynthese zusammenhängen, untersucht werden. Grund für diese Untersuchungen ist die Tatsache, dass bei der HIBM kein unmittelbarer Zusammenhang zwischen GNE-Mutationen, Sialinsäurebiosynthese und Myopathie zu bestehen scheint.

Wir werden erstens die Rolle der GNE beim Proteinabbau studieren. Wir hoffen dadurch ein ganz neues Verständnis der Regulation des Proteinabbaus zu gewinnen, der bekanntermaßen bei HIBM gestört ist und zur Bildung von Einschlusskörperchen führt.

Zweitens wollen wir die Rolle der GNE in vitro durch die gerichtete Differenzierung von "embryoid bodies" studieren. Auch dieser Ansatz hat große Bedeutung für die Untersuchungen zum pathologischen Mechanismus der HIBM. Diese bieten die Möglichkeit die Auswirkung von GNE-Mutationen auf die Differenzierung von Embryoid-Bodies zu Skelettmuskelzellen zu studieren, die in vivo den Krankheitsphänotyp aufweisen. 

Schließlich wollen wir drittens die Möglichkeit prüfen, ob die GNE als Kern-lokalisiertes Protein eine Rolle bei der Regulation der Transkription spielt und dadurch bei der Ausbildung von Einschlusskörperchen bei der HIBM beteiligt sein könnte. 

 

Das neurale Zelladhäsionsmolekül (NCAM)

Als eines der ersten Ig-artigen Zelladhäsionsmoleküle wurde NCAM erstmals 1977 aus embryonalen Hühnergewebe isoliert. Während der Embryonalentwicklung wird NCAM bereits im Blastoderm und anschließend in Ektoderm- und Mesodermderivaten, wie Neuralplatte, Neuralrohr und Endothel exprimiert und spielt zusammen mit anderen Zelladhäsionsmolekülen eine wichtige Rolle in der Zellgruppenformierung sowie in Prozessen der neuronalen Entwicklung, wie der Migration von Neuroblasten und dem regulierten Auswachsen von Neuriten. Während im weiteren Verlauf der Entwicklung die NCAM-Expression in den meisten Geweben/Organen zurückgeht, bleibt NCAM im adulten Organismus hauptsächlich im Nervensystem präsent. Aber auch einige nicht-neuronale Zellen wie Skelettmuskelzellen, ß-Zellen des Pankreas, Fibroblasten des Ischiasnerves, natürliche Killerzellen, sowie einige endokrine Gewebe exprimieren NCAM auf ihrer Zelloberfläche. Im zentralen Nervensystem (ZNS) wird NCAM von Neuronen, Astrocyten und Gliazellen exprimiert und vermittelt Zelladhäsion zwischen Neuronen untereinander, zwischen Neuronen und Astrocyten und  zwischen Astrocyten untereinander. Im peripheren Nervensystem wird NCAM von Neuronen und Schwannzellen synthetisiert. 

Auf Proteinebene existieren für NCAM im Hirn drei Haupt-Isoformen, die aufgrund ihrer apparenten Molekulargewichte im SDS-PAGE als NCAM180, NCAM140 und NCAM120 bezeichnet werden. Alle NCAM-Isoformen entstehen durch alternatives Splicen einer prä-mRNA, die das Transkriptionsprodukt eines einzelnen NCAM-Gens darstellt. Die beiden großen Isoformen NCAM180 und NCAM140 sind transmembranäre Glykoproteine mit cytoplasmatischen Domänen unterschiedlicher Größe. NCAM120 dagegen ist über einen Glykosylphosphatidyl-inositol (GPI)-Anker in der Plasmamembran befestigt. Der extrazelluläre Bereich besteht bei allen NCAM-Molekülen aus 5 Ig-artigen Domänen und zwei membrannahen Fibronektin Typ-III-Domänen. NCAM vermittelt homophile Ca2+-unabhängige (NCAM-NCAM) Zelladhäsion und aktiviert Signaltransduktionskaskaden. NCAM ist neben Zelladhäsion auch in Neuritenwachstum, Zellmigration und Differenzierungsprozesse involviert. Trotz zwei Dekaden intensiver Forschung gibt es über die Funktion der zytoplasmatischen Domänen im Vergleich zu anderen Zelladhäsionsrezeptoren nur wenig zu berichten. Erst in jüngster Zeit sind die grundlegenden Signaltransduktionswege von NCAM aufgeklärt worden. Besonderes Augenmerk legen wir auf die Rolle der Phosphorylierung, da NCAM eine große Anzahl potenzieller Phosphorylierungstellen besitzt.

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