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  Postgenomik (Teil VI)
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VI. Die Raumstruktur der Proteine

Die Aufklärung der räumliche Strukturen von Proteinen ist möglicherweise 
das entscheidende Problem der postgenomischen Forschung. Die Kenntnis 
der räumlichen Beschaffenheit, besonders die der aktiven Zentren und Bindungsstellen, ist unverzichtbar für das ursächliche Verstehen der Funktionen der Proteine. Die räumliche Lage bestimmter funktioneller Gruppen eines Eiweiss-Moleküls bildet die Grundlage für die Bindung möglicher Wirkstoffe und damit für die neue Art, Medikamente zu entwickeln (s.Teil VII, B). Aber gerade hier gibt es Probleme, deren Lösung noch in den Anfängen steckt. Die zur Zeit verfügbaren konventionellen Methoden zur Strukturaufklärung werden ein gigantisches Mass an Zeit und Geld verschlingen. Man hofft, dass sie in absehbarer Zeit durch moderne, d.h. automatisierbare Methoden ersetzt werden können. Auf diesem Sektor wird besonders intensiv geforscht. Erste Ergebnisse zeichnen sich am Horizont ab, sind aber noch nicht greifbar. 
 
 

Konventionelle oder neue Methoden – oder beides?

Bei der Aufklärung der räumlichen Strukturen gibt es - ähnlich wie beim Auffinden und der Funktionsaufklärung von Genen (vgl. Teil III und IV) - die konventionellen Methoden, Röntgenstrukturanalyse und Messung der kernmagnetischen Resonanz (NMR), und daneben - noch in den Kinderschuhen steckende - neue Methoden, die sich in zwei Gruppen unterteilen lassen: in Homologievergleiche und ab-initio-Methoden. 

Auch hier, bei den drei-dimensionalen (3D-) Strukturen sind unter den neuen Methoden zur Zeit noch die Homologievergleiche die weitaus erfolgreicheren. Sie aber sind nur möglich unter Zuhilfenahme von Daten über bereits bekannte Proteine, die mit konventionellen Mitteln aufgeklärt wurden. Die neuen Methoden stehen also noch nicht auf eigenen Füssen, sondern hängen am Tropf der konventionellen Forschung der vergangenen Zeit.

Die einzige denkbare Alternative hierzu, die ab-initio-Methoden steckt noch 
in den Anfängen und wird vielleicht nie für alle Fälle anwendbar sein.
Es wird daher geschätzt, dass man auf die konventionellen Methoden wahrscheinlich noch längere Zeit angewiesen sein wird. (1) 

Die konventionellen Methoden: viel Aufwand mit grossen Substanzmengen

Die konventionellen Methoden sind bei dreidimensionalen Analysen ganz besonders aufwendig. Sie sind teuer, dauern lange und – im Zeitalter der Ultramikromethoden besonders folgenschwer – sie erfordern relativ grosse Mengen an Substanz. 
 

1. Röntgenstrukturanalysen

Vorbedingung: Kristalle, aber viele wichtige Proteine sind nicht kristaliisierbar

Voraussetzung für Röntgenuntersuchungen ist eine gleichmässige Ausrichtung der Moleküle und die erreicht man (fast) nur durch Kristallisation. Proteine 
zu kristallisieren ist aber ausgesprochen schwierig und bei sehr vielen 
Proteinen gar nicht möglich. Zu den nicht kristallisierbaren Proteinen gehören - wieder einmal  wie bei der Gel-Elektrophorese (vgl. Teil V, A)) - 
die hydrophoben, d.h. die Membranproteine (1), deren Bedeutung 
bereits beschrieben wurde. Es gibt bis heute keine Möglichkeit, die Raumstruktur dieser für die Entwicklung von Medikamenten 
vielleicht wichtigsten Substanzklasse zu ermitteln. Von den anderen Proteinen liefern auch nur etwa 5% brauchbare Kristalle (1). 
 

Das Synchroton ist nur ein bedingt nutzbarer Ersatz

Ein gewisser Ersatz für eine Kristallisation kann die Ausrichtung der Moleküle im elektrischen Feld (in einem "Synchroton") sein (2). Aber dafür ist eine grössere Zahl von elektrischen Ladungen im Molekül erforderlich und ein bestimmter Abstand zwischen den Schwerpunkten der positiven und negativen Ladungen, also ein bestimmtes Dipolmoment, damit die auf das Molekül einwirkenden Kräfte ausreichen, um es in die richtige Richtung zu drehen. Wegen dieser Bedingung sind auch von dieser Methode viele Proteine ausgeschlossen. 
 

Vorabschätzung, um Kosten zu sparen

Um den Aufwand für diese, für alle weiteren Fortschritte auf dem Gebiet der Proteomik und Medikamente-Entwicklung unverzichtbaren Untersuchungen zu begrenzen, werden die Erfolgaussichten für eine Kristallisation oft vorweg abgeschätzt. Das Kriterium ist dabei, ob das Protein ein Gemisch von Oligomeren (Mehrfachaggregaten) unterschiedlicher Grösse bildet oder nicht, denn die Grössenunterschiede sind ein Hindernis für die Kristallisation. Die Grössenverteilung der Oligomere kann mit dynamischer Lichtstreuung mittels Laserstrahlen festgestellt werden (2). 
 

2. NMR-Messungen 

Die andere der beiden klassischen Methoden, die NMR-Messung wird an gelösten Proteinen durchgeführt, ist aber nur für kleine bis mittelgrosse Moleküle geeignet. Da die Lösungen sehr konzentriert sein müssen, sind erstens nur Proteine geeignet, die gut wasserlöslich sind, und zweitens braucht man von ihnen Mengen, die die Kapazität der  neuen miniaturisierten Synthese-Methoden (s. Teil VII, D-E) übersteigt (3). 

Der Vorteil der NMR-Methode ist, dass die Genauigkeit der Ergebnisse bisher von keiner anderen Methode erreicht wird. 
 
 

Relative Fortschritte, aber keine Lösung des Problems

Bei beiden Methoden (NMR-Methoden und Röntgenanalysen) wurden in letzter Zeit Fortschritte gemacht. 

Die Entwicklung einer Mikrokristallisationsmethode hat z.B. die für eine Röntgenanalyse benötigte Menge deutlich verringert, aber das Mengenproblem ist trotzdem noch erheblich (4).. 

Zur Verbesserung der NMR-Analysen versucht man, Mutanten der zu untersuchenden Proteine herzustellen, bei denen einzelne hydrophobe Aminosäuren gegen hydrobhile ausgetauscht sind, so dass sie besser wasserlöslich sind.(4) 

Hierzu wird entweder die Mutationsrate in einem Modellorganismus durch mutagene Chemikalien erhöht oder man stellt Proteine in einem so genannten zellfreien System 
mit veränderter DNA biosynthetisch her. Die so erhaltenen Proteinvarianten kann 
man an fluoreszeierende Marker koppeln. Dann lässt sich mittels automatischer Fluoreszenzmessung  feststellen, von welcher Varianten wieviel in Lösung gegangen 
ist. (4)

Der Nachteil dieser Strategie ist natürlich, dass die vermessenen Proteine nicht identisch sind mit denen, über die man eigentlich eine Aussage erhalten möchte. Man muss also die erhaltenen Werte einer Einschätzung unterziehen, um abschätzen zu können, wie weit sie Rückschlüsse auf die Ausgangsproteine erlauben. Schliesslich ist die Verteilung der hydrophilen und hydrophoben Gruppen in einem Proteinmolekül ein wesentlicher Faktor dafür, welche räumliche Konformation das Molekül einnimmt! 
 

Protein modelling, eine aus Homologievergleichen abgeleitete Vorgehensweise

Ist ein Proteinmolekül relativ gross und ist weder eine Kristallisation noch eine Synchronausrichtung im elektrischen Feld möglich, muss man sich damit begnügen, Sequenz und Struktur bereits aufgeklärter Proteine miteinander in Beziehung zu setzen, um aus den dabei erkannten Gesetzmässigkeiten auf die Raumstruktur homologer Proteine zu schliessen. Das nennt man "protein modelling", also eine Form von (gedanklicher) Nachbildung. Für die Vorhersage bei nahe verwandten Proteinen, z.B. aus derselben Proteinfamilie funktioniert das recht gut (1), doch bei abnehmender Sequenz-Ähnlichkeit 
wird die Abweichung der Vorhersage von den mit NMR ermittelten Raumverhältnissen schnell grösser. 
 

Auch bei der Raumstruktur von Proteinen liefern Homologien nichts  grundsätzlich Neues

Auch bei räumlichen Strukturen gilt, dass Homologievergleiche nicht in 
der Lage sind, Neues aufzudecken, d.h. in diesem Fall, dass sie keine verwertbaren Auskünfte geben, wenn in der Evolution des Proteins seit 
seiner Abzweigung vom Homologen eine neue Faltung entstanden ist. Ist 
ein Homologievergleich wegen einer Neubildung nicht in der Lage, 
den Ort des aktiven Zentrums richtig anzugeben, so hat der Vergleich - anders als z.B. bei der Gen-Suche - nicht einmal eine partielle Bedeutung, sondern gar keine.
 

Die teuren alten Methoden werden gebraucht, um neue zu erarbeiten

Man ist also, solange man noch keine gut funktionierende ab-initio-Methoden hat, besonders stark auf die klassischen Methoden angewiesen. Das Dilemma dieses Mankos für die Entwicklung von Medikamenten kann wie folgt umrissen werden: 

  • Hauptkriterium bei der neuen Form der Medikamente-Entdeckung ist die Bindung eines Medikamente-Kandidaten an ein Protein, das mit einem Krankheitsgeschehen in Zusammenhang gebracht wird (s. Teil VII,C-F: Targets).
  • Um Bindungseigenschaften zu verstehen, braucht man die räumlichen Strukturen, zumindest die von den Bindungsstellen.
  • Für die Aufklärung von Raumstrukturen ist man nach wie vor auf die klassischen Methoden angewiesen, weil  Homologievergleiche für Proteine weniger zuverlässlich sind als für Nucleinsäuren.
  • Die klassischen Methoden sind für räumliche Analysen extrem viel aufwendiger. Deshalb ist die Notwendigkeit, die neuen Methoden zu verbessern, besonders dringend.
  • Für die Erarbeitung der neuen Methoden braucht man aber klassisch ermittelte Strukturen zum Vergleich. Deshalb kommt man nicht daran vorbei, zuächst einmal eine grössere Anzahl von Strukturaufklärungen auf klassische Weise durchzuführen.
  • Die öffentliche Protein-Datenbank (PDB) enthält die Daten von 10 000 Protein-Kristallstrukturen. Es wird gefordert, dass diese und weitere Tausende aus anderen Quellen (private und öffentliche in den USA, Europa und Japan) grundsätzlich zugänglich gemacht werden sollen (1). 
     
     

    Ein Protein-Struktur-Projekt soll Strukturmodelle liefern

    Ausserdem wurde für dieses Arbeitsgebiet das Protein-Struktur-Projekt ins Leben gerufen. Es soll die Untersuchungen finanzieren und kanalisieren ( d.h. Parallelarbeiten vermeiden). Das Projekt wurde vom US-National Institute of General Medical Sciences (NIGMS), einer Abteilung der US-National Institutes of Health (NIH) und einer Protein-Struktur-Initiative (PSI) gegründet, die ihre Arbeit im September 2000 aufgenommen hat (1,5). In dem – ebenfalls von NIGMS und NIH ins Leben gerufenen Internationalen Protein-Strukturprojekt haben Wissenschaftler begonnen, die bereits aufgeklärten Proteine auf Grund von Sequenz-Gemeinsamkeiten in Familien einzuteilen. Von diesen Familien sollen jeweils einzelne, sorgfältig ausgesuchte Proteine im Rahmen der PSI mit den klassischen Methoden strukturell analysiert werden. Gedacht ist an 10 000 weitere Proteine, verteilt über 10 Jahre auf sieben Forschungszentren. Aus diesen Strukturen will man Schlüsse ziehen auf die Beziehungen zwischen Gensequenzen und Proteinstrukturen. 

    Das Ziel ist, "daraus die Struktur aller anderen Proteine" vorhersagen zu können (5,6). Mit den Strukturkenntnissen sollen Krankheitsursachen erforscht sowie Medikamente und Diagnostika entwickelt werden (5,6), aber bis dahin ist es wahrscheinlich noch ein langer, steiniger Weg. 
     
     

    Fuzzy-Form: erste Erfolge mit einer unscharfen Direktmethode

    Obwohl sich die Analyse der 10 000 Proteine voraussichtlich noch bis zum Jahre 2010 hinzieht, wird jetzt schon an verschiedenen Orten über die Beziehungen zwischen Sequenz und Struktur gearbeitet. Eine viel zitierte Methode heisst Fuzzy Functional Form (=FFF). Sie stellt eine Form des Auslotens dar und besteht aus drei Schritten: 

    1.  Zunächst wird ein – wenn auch unscharfes – Bild von der 
         drei-dimensionalen Struktur erstellt (z.B. durch sogenanntes "Threading" 
         (Auffädeln). Hierzu werden Teilstücke von bis zu 500 Aminosäureresten 
         (7) auf ihre mögliche Raumstruktur hin begutachtet. So kann aus der 
         Sequenz dieser Teile auf die Struktur einzelner Schleifen der Proteinkette 
         geschlossen werden. 

    2.  Danach wird diese provisorische Struktur verfeinert. Man bedient sich 
         hierzu ganzer Bibliotheken mit molekularen Modellen für mögliche 
         Bindungspartner, so genannten Deskriptoren. Die Bibliotheken enthalten 
         keine realen Substanzen, sondern nur deren Werte, und der Abgleich 
         erfolgt virtuell, "in silicio" (s. später). Das Besondere der Methode ist, 
         dass sie auch bei recht ungenauen Daten die Strukturen zwar unscharf, 
         aber im Prinzip richtig angibt, ein aktives Zentrum erscheint dann zwar 
         unscharf, aber an der richtigen Stelle (daher der Name "fuzzy" für 
         "unscharf"). Das  ist ein Vorteil gegenüber den Strukturaufklärungen 
         durch Homologievergleiche (s.o.). 

    3.  Im letzten Schritt werden die so gefundenen Bindungsstrukturen gegen 
         tatsächliche Bindungspartner (Liganden) gescreent. Kommt es zu einer 
         Bindung, die die vorhergesagte Struktur bestätigt, so gilt das als 
         Vorhersage  für die Funktion des Proteins (8). 
     

    Virtuelles räumliches Screenen von Bindungsstellen

    Für die Fälle, in denen die drei-dimensionale Form der Bindungsstelle bekannt ist, aber nicht ihre genauen Bindungseigenschaften, gibt es virtuelle Screen-Methoden, die in mehreren Schritten ablaufen: 
     

    1.  Die Negativ-Form einer Rezeptorbindungsstelle wird mit 
         Hilfe eines Satzes von ortsbezeichnenden Punkten oder – 
         wenn diese nicht punktgenau angegeben werden können – 
         mit entsprechenden kugelförmigen geometrischen Orten 
         (Sphären) dargestellt. D.h. es wird ein negatives 
         (komplementäres) Image der Rezeptorstruktur virtuell erstellt. 

    2.  Auf Grund der Abstände zwischen einer Teilmenge dieser 
         Sphären wird eine Anzahl möglicher Liganden aus einer 
         Datenbank ausgesucht. 

    3.  Dann wird zwischen einer Teilmenge der Sphären und einer 
         Teilmenge der Liganden nach Übereinstimmungen in den 
         räumlichen Abständen gesucht. 

    4.  Mit den so gewonnenen Maßen wird nach einzelnen 
         Liganden  gesucht, die in die Bindungsstelle passen. 

    5.  Zum Schluss werden die ausgewählten Liganden virtuell in die 
         Bindungsposition gebracht und von den 
         Rezeptor-Liganden-Bindungsprodukten werden alle Werte 
         aufgenommen und miteinander verglichen, um die 
         spezifischste und energieärmste, d.h. festeste Bindung 
         auszumachen (9).


    Zur Veranschaulichung ein paar Zahlen: Nach Punkt 2 der obigen Auflistung können aus einer Datenbank mit Hunderttausenden bis Millionen von Verbindungen beispielsweise 10 000 ausgewählt werden, von denen etwa 1000 in die Bindungsstelle passen und dann näher analysiert werden (z.B. 
    kann die Bindungsstärke oder die Energie des Bindungskomplexes 
    bestimmt werden). Diese Bestimmung im letzten Arbeitsschritt ist der Schwachpunkt in der Methode, weil die damit erhältliche Reihung 
    nicht immer der Reihenfolge der biologischen Aktivitäten der 
    Liganden entspricht. Aber gerade die Auswahl der spezifischsten biologischen Aktivitäten ist das Ziel. Solche Nicht-Übereinstimmungen zwischen erwarteten und festgestellten Eigenschaften mehren sich in letzter Zeit. 
     
     

    Mathematische Modelle für Teilbereiche des Moleküls

    Mit mathematischen Modellen versucht man die Energie von Strukturen zu errechnen. Je geringer die Energie, desto stabiler die Struktur. Die niedrigst mögliche Gesamtenergie eines Moleküls hat diejenige Konformation, die sich spontan einstellt. Das ist aber mit Ausnahme bei einigen kleinen Proteinen 
    (z.B. der Ribonuclease) nicht die biologisch aktive Form. (Sonst würden die Proteine nicht durch Hitze- und Säure-Einwirkung zu inaktiven Formen denaturieren.) Deshalb dürfen die mathematischen Modelle keine Minimierung der Energie des gesamten Moleküls anstreben, sondern sie müssen auf Energieminimierungen in lokal begrenzten Molekülbereichen ausgerichtet 
    sein (1). 
    Hierfür sind Vorentscheidungen nötig: 
     - Welche Molekülbereiche sollen dafür ausgewählt werden?
     - Nach welchen Kriterien soll die Auswahl dieser Bereiche erfolgen 
          und 
     - Wer trifft die Entscheidung? Der Computer? 

    Das wird vermutlich eine Quelle von Fehlermöglichkeiten sein. 
     
     

    Ein japanisches Projekt für kleinere Proteine

    In Japan am Institut für physikalische und chemische Forschung (RIKEN) in Yokohama wird eine Initiative eingerichtet, die Protein-Faltungs-Projekt heisst. Hier sollen 16 Hochauflösungs-NMR-Spektrometer die räumlichen Strukturen kleinerer Proteinmoleküle in grossem Massstab bestimmen. Für dieses Projekt spricht nicht nur, dass die Zusammenhänge bei kleinen Molekülen einfacher und daher die Erfolgsaussichten besser sind, sondern auch, dass zu den niedermolekulareren Proteinen sehr viele wichtige Regulatoren gehören, wie die Cytokine und viele Wachstumsfaktoren. 
     
     

    "Vier-dimensionale" Strukturen?

    Ein Problem ist, dass die meisten Proteine in ihrer Form flexibel sind. Das gilt auch für die Bindungsstellen, so dass die Schleifen in einer Proteinkette fluktuieren und die Proteinuntereinheiten (Domänen) ihre Positionen ändern. Dafür braucht man Rechenmodelle, die jede mögliche Gestalt der räumlich flexiblen Strukturen bei den in-silicio-Läufen mit einbeziehen. Solche Strukturen werden auch als 4D-Strukturen bezeichnet, 
    mit der Zeit als vierter Dimension (1, 9, 10). 4D-Strukturen können mit Computern simuliert werden. Hierfür werden die verschiedenen Grundtypen von Sekundärstrukturen, wie die steifen Helixbereiche, Faltblattstrukturen 
    oder andere berücksichtigt (1). 
     
     

    Pharmacophore: hohe Spezifitäten durch passgenaue Eigenschaften

    Die Gesamtheit aller an der Bindung eines Liganden beteiligten Atome in einer Bindungsstelle nennt man Pharmacophor. Wenn also z.B. die Bindungsstelle eines Proteins 30 Bindungspunkte enthält, von denen an der Bindung eines bestimmten Liganden fünf beteiligt sind, so bilden diese fünf das Pharmakophor für diesen Liganden (10). Die Bindungspunkte im Protein und im Liganden müssen zueinander passen. Man unterscheidet sechs solcher für Bindungen relevante Eigenschaften: 

    1.  Wasserstoffbrücken-Donatoren, 
    2.  Wasserstoffbrücken-Akzeptoren, 
    3.  aromatische Ringe, 
    4.  hydrophobe Aminosäurereste, 
    5.  saure Aminosäurereste (hydrophil) und 
    6.  basische Aminosäurereste (ebenfalls hydrophil) (9).


    Für eine Bindung müssen Wasserstoffbrücken-Donatoren auf Wasserstoffbrücken Akzeptoren treffen, basische Aminosäurereste auf saure, während hydrophobe und aromatische Stellen mit gleichartigen zusammentreffen müssen. 
     
     

    Die Kombinationsmöglichkeiten dieser chemischen Eigenschaften und ihre räumliche Anordnung  ergibt die sehr grosse Zahl hochspezifischer Bindungsstellen mit ihrer zentralen Rolle für die Abläufe biologischer Funktionen. Wegen dieser grossen biologischen Bedeutung und wegen der Tatsache, dass eine Bindung ein Vorgang ist, der experimentell leichter zu blockieren oder zu imitieren ist als z.B. die enzymatische Katalyse einer Reaktion, sind diese Bindungen zur Hauptgrundlage für die neue Art der Medikamente-Entwicklung geworden (s. Teil VII, B). 
     
     

    Ein Strukturconsortium zur Kostenbegrenzung

    Die gesamten Struturaufklärungen sind ungemein kostspielig, ein Grund, weshalb sich die sonst so heftig konkurrierende Pharmaindustrie zusammenschliesst. Seit Ende 2001 existiert ein Struktur-Genom-Consortiums (SGC). Damit sollen die Entwicklungsarbeiten aufeinander abgestimmt, und unnötige Kosten durch Parallelentwicklungen vermieden werden (10). 

     
     

    Nachteile der automatischen Funktionsaufklärung

    Die automatischen Homologie-Ableitungen aus den bereits aufgeklärten Strukturen sind noch nicht sehr genau und erfordern ein hohes Mass an manueller Nachprüfung. 

    Aber auch wenn die methodischen Schwächen eines Tages behoben sind, bleiben Nachteile bestehen, die einer automatischen Aufklärung der Raumstruktur und – der damit erhofften – Funktionsaufklärung grundsätzlich anhaften: 
     

    1.  Sie liefert nur Daten über die molekulare Ebene: also
         darüber, welche Moleküle ein Protein bindet oder mit 
         welchen es reagiert. Über die Rolle dieses Proteins in 
         der Zelle liefern sie dagegen nur begrenzte Einblicke.
         Das gilt sowohl für die ab-initio-Methoden als auch für die 
         Homologievergleiche. Dieser Nachteil kann abgemildert 
         werden durch Kombination mit Expressionsprofilen und 
         anderen Methoden der funktionellen Genomik. Aber auch 
         sie können die genaue Rolle eines Proteins nicht angeben, 
         sondern nur den weiteren Kontext, d.h. den Signal-Weg, an 
         dem es teilnimmt oder den physiologischen Zustand der  
         Zelle, in dem es aktiv wird. 

    2.  Für Membranproteine und RNAs gibt es zur Zeit keine 
         Möglichkeit, auf diesem Wege ihre Strukturen 
         aufzuklären

    3.  Seltene ungewöhnliche Proteinfamilien, von denen 
         keine Funktion bekannt ist, werden in der nächsten Zeit
         nicht aufgeklärt werden können

    4.  Die Dynamik der Protein-Protein-Wechselwirkungen
         und ihrer Komplexe ist auf diesem Wege nicht 
         zugänglich (2). Die Ergebnisse theoretischer 
         Überlegungen können dadurch verfälscht sein, dass in 
         der Natur die Ausbildung der Faltung nicht am freien 
         Protein erfolgt, sondern dass Proteinketten gefaltet
         werden, während sie an ein anderes Protein gebunden 
         sind (12). 

    ´
    Hoher Einsatz, um einen Flaschenhals zu beseitigen

    Die Möglichkeit, dreidimensionale Proteinstrukturen schnell und genau aufklären zu können, ist  d e r  Flaschenhals der Medikamente-Entwicklung geworden. Ohne sie ist an eine Ableitung von Medikamente-Wirkungen aus der Sequenz nicht zu denken. Allerdings ist auch nicht mit Sicherheit zu erkennen, in welchem Umfang dieser Traum erfüllbar wäre, wenn es das Strukturproblem nicht gäbe. Es gibt, wie wir gesehen haben, etliche Teilerfolge, die über sehr verschiedene Wege gewonnen wurden, ein Zeichen dafür, wieviel Phantasie, Intensität - und Geld - hier investiert werden. 

    Und die Intensität des Einsatzes zeigt offenbar Früchte: Beim 5. jährlichen Treffen "From Protein to Drug of Beyond Genome" in San Francisco vom 21.-22. 6. 2001 wurde mitgeteilt, man habe ein Gerät mit einem ondulierenden Röntgenstrahl entwickelt. Damit könnten pro Woche die Strukturen von Hunderten kristallisierter Proteine atomgenau anlalysiert werden (12). 
     

    Angst vor dem Erfolg? - ein Qualitätsproblem

    Dagegen heisst es in einem Editorial der Struktur-Sektion der Nature-Zeitschriftenfamilie, gerade diese Entwicklung (dass "Tausende von Strukturen fast automatisch und wie am Fliessband ausgespuckt werden") erfülle viele mit Sorge, ob die Strukturen auch so genau sein werden, wie die traditionell erarbeiteten, besonders da für viele von ihnen keine Wege für biochemische Kontrollversuche existierten. Das sei ein ernstes Problem, "denn wer möchte schon, dass die Protein-Datenbank (PDB) mit fehlerhaften Strukturen vollgestopft wird". Deshalb habe sich die Strukturgenom-Gemeinschaft auf einige grundlegende Prinzipien geeinigt. Diese Richtlinien seien aber keine Lösung für den grundsätzlichen Bedarf an besseren Programmen für die Analyse und den Vergleich von Strukturdaten (13). 

    Ähnliche Struktur = ähnliche Funktion? (Vgl. IV, A)

    Obwohl Funktionsmechanismen nicht ohne Kenntnis der räumlichen Struktur der Proteine verstanden werden können, gilt die Umkehrung davon nicht unbedingt. 

    a) Ähnliche Strukturen - unterschiedliche Funktionen 
     

    -  Die Mitglieder der Triosephosphat-Isomerase-Familie haben ähnliche
         Strukturen, aber unterschiedliche Funktionen. Das betrifft 
         Unterschiede in den aktiven Zentren, in den Substratspezifitäten und 
         im Bedarf an Cofaktoren (7).
    -   In der Superfamilie der strukturell verwandten Ferredoxin-ähnlichen 
         Proteine gibt es Eisen-Schwefel-Ferredoxine, Ribosomenproteine, 
         DNA-bindende Proteine und Phosphatasen. Also äusserst 
         verschiedene Funktionen unter verwandten Proteinen (7).
    -  Andererseits wurde in der SCOP-Datenbank (SCOP = Structural 
         Classification of Proteins, eine britische Einrichtung) eine Reihe von
         Strukturen und Funktionen gefunden, die über die Familiengrenzen 
         hinweg vorkommen (7,14).
    - Obwohl bei der Enzymfamilie der Protein-Kinasen das katalytische 
       Zentrum in der Evolution konserviert wurde, kann der Mechanismus der
       Hemmung für die einzelnen Enzyme sehr verschieden sein. 
       Hierfür wurden drei Hemmmechanismen gefunden:
     
    1. Pseudosubstrathemmung (eine dem Substrat ähnliche 
        Substanz wird von der Bindungsstelle mit dem Substrat 
       verwechselt, kann aber dann nicht weiterverarbeitet 
       werden und blockiert dadurch das Enzym.)

    2. ein Mechanismus, bei dem der Energieüberträger ATP 
        (Adenosintriphosphat) durch ein anderes Molekül
        ersetzt wird.

    3. ein Mechanismus, bei dem der Hemmstoff durch 
        Bindung an eine falsche Stelle die räumliche 
        Konfornmation des Proteins in eine inaktive 
        Form umkippen lässt. (15) 

    b) Verschiedene Strukturen - gleiche Funktion 

    Unterschiedliche Strukturen können zur gleichen Funktion beitragen.(16) 

    c) Die Evolution macht einen Unterschied zwischen Struktur und Sequenz 

    In der Evolution werden Strukturen allgemein stärker beibehalten (konserviert) als Sequenzen.(4)  Da die Grundlage für den Selektionsdruck, der die Beibehaltung von Eigenschaften bewirkt, eher die Funktionen sind, ist in solchen Fällen wahrscheinlich mit der Struktur auch die Funktion ähnlich geblieben – bei veränderter Sequenz. 

    Wir sehen an diesen Beispielen, dass von der Struktur keinesfalls zwingend 
    auf die Funktion geschlossen werden kann. So heisst es in einer  Arbeit: 
    „Sogar wenn die Strukturbestimmung billig und leicht wäre, würde die 
    Kenntnis von der Tertiärstruktur (d.i. die Raumstruktur) des Proteins 
    nicht notwendigerweise ausreichen um die Funktion des Proteins zu bestimmen.“ (16)

    "Allein die Proteinstruktur zu kennen, ist unzureichend für eine Zuschreibung zu einer ganzen Anzahl klassifizierter Funktionen und es ist ebenfalls unzureichen, daraus auf spezifische Details von Proteinfunktionen zu schliessen (7)."

    Die Analysen der Raumstruktur seien für eine Medikamente-Entwicklung auf der Basis der Strukturen  noch zu ungenau, heisst es in einer weiteren Arbeit. Auch Rückschlüsse aus der Sequenz (ab-initio-Methode) seien zu unpräzise, und könnten „keine Information über die 3D-Struktur an Stellen mit komplexen Strukturen geben, die von signifikanten Faltungen geprägt sind." (17)
     
     

     
    (1)  E. T. Maggio u. K. Ramnarayan, Recent developments in computational proteomics, 
           Trends in Biotechnology, Bd. 19, S.266-272 (Juli 2001).

    (2)  S.E. Brenner, A tour of structural genomics, Nature Reviews Genetics, 
          Bd. 2, S.801-809 (Okt. 2001). 

    (3)  http://www.caesar.de/english/research/project_groups/pf_mission.html, CAESAR 
          research group protein folding.

    (4) S.P. Chambers, High-throughput protein expression for the postgenomic era, Drug 
          Dicovery Today, Bd. 7, S.759 - 765 (Juli 2002).

    (5)  http://grants.nih.gov/grants/guide/rfa-files/RFA-GM-00-006.html. Ausschreibung für
          das Pilotprojekt der Protein-Struktur-Initiative des National Institute of General 
          Medical Sciences (NIGMS) Juli 2000.

    (6)  http://www.nih.gov/news/NIH-Record/02_20_2001/story02.htm, A.Z. Machalek,
          Ten thousand protein structures: The first goal of structural genomics, eine 
          Veröffentlichung der Struktur-Genom Initiative, Juni 2000. 

    (7) J. Skolnick u. J. S. Fetrow, From genes to protein structure and function: novel 
          applications of computational approaches in the genomic era, Trends in 
          Biotechnology Bd. 18 S. 34-39 (Jan. 2000).

    (8)  http://www.tc.cornell.edu/news/events/2001/nih/symposium/abstracts.html
          Symposium des Center for Research Ressources: The role of protein structure 
          prediction in the post-genomic era; 25. -2–. Okt. 2001; darin: J. Skolnick ,Prediction 
          of  protein structure and function on a genomic scale. 

    (9)  J.S. Mason, Computational screening: large-scale drug discovery, 
          Pharmainformatics, Supplement-Band der "Trend"-Zeitschriften von Elsevier 
          Science Ltd., S. 34-36, 1999. 

    (10)  P.M. Dean, E.D.Zanders u. D.S. Bailey, Industrial-scale genomics-based drug
          design and discovery, Trends in Biotechnology, Bd.19, S.288-292 (Aug.2001).
          (Der Autor ist von De Novo Pharmaceuticals).

    (11) http://www.sandia.gov/media/fold.htm Mechanisms of protein misfolding captured 
          in computer simulation, Feb. 1999, Veröffentlichung von Sandia (Sandia sind 
          US-nationale Labors, sie gehören zum Department of Energy (DOE). Sandia ist 
          ansonsten für die sichere Lagerung von Atomwaffen zuständig, für die 
          Nichtverbreitung und Kontrolle von Massenvernichtungs-ABC-Waffen und für den 
          Schutz vor Bedrohung der öffentlichen Sicherheit.) 

    (12) Y. F, Leung u. C. P. Pang, Trends in Proteomics, Trends in Biotechnology, 
           Bd.19, S.480-482, Dez. 2001. 

    (13) Kein Autor genannt, Healthy Debate of Structural Analysis, 
           Nature Structure Biology Bd.6, S. 729.

    (14) http://scop.berkeley.edu/, Text von SCOP (Structural Classification of Proteins),
          Juli 2001.

    (15) G. Scapin, Structural biology in drug design: selective protein kinase inhibitors, 
           Drug  Discovery Today, Bd.7, S. 601 - 611 (Juni 2002).

    (16) S.F. Betz, S.M. Baxter u. J.S. Fetrow,  Function first: a powerful approach to
           post-genomic drug discovery, Drug Discovery Today, Bd. 7, S. 865 - 871 (August 
          2002).

    17) E.D. Zanders, D.S. Bailey u. P.M. Dean, Probes for chemical genomics by design, 
          Drug Discovery Today, Bd. 7, S. 711 – 718 (Juli 2002).


     
    VII. Entdeckung von Medikamenten 
    mit den neuen Technologien

    Das Hauptziel aller geschilderter Bemühungen, die Funktion der Gene aufzuklären, ist es, auf eine neue Art Wirkstoffe zu finden, die als Medikamente Verwendung finden können. Neu ist dabei in jedem Fall die Art der Suche. Die Wirkstoffe selbst sind generell nicht neuartig. Grundsätzlich geht es darum, auf der Grundlage der Kenntnisse aus der Genomsequenz mit Hilfe automatischer Methoden Substanzen zu finden, die in ein Krankheitsgeschehen eingreifen können. [ mehr ]


    VIII. Wieviel kostet die Entwicklung eines Medikamentes?

    Die angegebenen Kosten für die Entwicklung eines Medikamentes sind 
    astronomisch hoch und steigen weiter an. Aufgrund der letzten Studie vom 
    November 2001 liegen sie bei 802 Mio.$. Verbraucherorganisationen 
    kommen zu anderen Ergebnissen.  [mehr ]
     
     
     


     

    Linde Peters 
    linde.peters@t-online.de
    .
    . .. Erstellt am 26.07.02 / ergänzt am 25.03.03

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