Entwicklung von multivalenten Sonden zur gezielten Analyse und Beeinflussung Ras-abhängiger Signalwege

Augsten, Martin GND

Die kleine GTPase Ras ist ein zentrales Element bei der Regulation vieler zellulärer Prozesse. Ras ist über Lipidanker in Membranen eingebettet und wird intrazellulär durch das Zusammenspiel von GEF und GAP aktiviert bzw. deaktiviert. Aktiviertes, d.h. GTP-beladenes Ras rekrutiert diverse Effektorproteine über deren Ras-bindende Domäne (RBD) an die Membran, wo diese Proteine aktiviert werden und dann die biologischen Aktivitäten von Ras vermitteln. Aufgrund seiner initialen Rolle bei der zellulären Transformation und Tumorigenese wurden verschiedene Ansätze entwickelt, um die Funktionalität von Ras zu unterdrücken, und um insbesondere der transformierenden Wirkung infolge einer deregulierten Ras-Aktivität entgegenzuwirken. Dabei zielen bisherige Ansätze vorwiegend auf die Suppression der Expression oder der Prozessierung des Proteins ab. In dieser Arbeit wird die Etablierung eines neuartigen Ansatzes beschrieben, der es erlaubt die Aktivität des vollständig prozessierten, reifen Ras-Proteins zu modulieren. Hierfür wurden RBD des Ras-Effektors Raf-1 zu Oligomeren aus zwei bzw. drei Domänen verknüpft. Um die Variabilität dieser Konstrukte zu erhöhen, wurden Oligomere bestehend aus der wildtypischen oder mutierten RBD, die eine abgeschwächte Affinität gegenüber Ras-GTP aufweisen, entwickelt. Diese Konstrukte werden zusammenfassend als multivalent scavengers of oncogenic Ras(MSOR) bezeichnet. Durch in vitroVersuche mit rekombinant hergestellten MSOR konnte gezeigt werden, dass die mutierten Varianten eine geringere Affinität für aktives Ras besitzen als die wildtypischen. Diese Versuche demonstrieren aber vor allem, dass die Stärke der Bindung an Ras-GTP mit der Zahl der jeweils miteinander verknüpften Bindedomänen zunimmt, wodurch die Interaktion stabilisiert wird. Die Wechselwirkung von MSOR und Ras ließ sich auch in vivo durch Expression fluoreszenzmarkierter Varianten (eGFP-MSOR) demonstrieren. Durch ektopische Expression verschiedener Ras-Varianten in Cos-7 Zellen konnte die GTP-spezifische Interaktion der eGFP-MSOR mit verschiedenen Mitgliedern der Ras-Subfamilie einschließlich der Ras-Isoformen nachgewiesen werden. Die Modulation der Ras-Aktivität durch MSOR wurde nach Koexpression von MSOR und Ras in verschiedenen Zelllinien durch die Analyse ausgewählter Ras-vermittelter zellulärer Prozesse studiert. Es wurde gezeigt, dass das wildtypische trimere MSOR-Konstrukt (eGFP-WT-3) die Ras(G12V)-vermittelte ERK2-Phosphorylierung und MMP1-Genexpression deutlich supprimieren kann. In Übereinstimmung mit der blockierenden Wirkung der MSOR konnte auch die Invasivität sowie das substratunabhängige Wachstum im Soft-Agar mit eGFP-WT-3 unterdrückt werden. Die Befunde korrelieren mit der Fähigkeit dieses MSOR, einerseits die Ras(G12V)-vermittelte Genexpression matrix-degradierender Enzyme wie Cathepsin L oder uPA aufzuheben und andererseits die Expression pro-apoptotischer Faktoren zu fördern. In diesem Zusammenhang wurde zudem beobachtet, dass die Expression oligomerer wildtypischer MSOR in Cos-7 Zellen zur Apoptose dieser Zellen führt. Die Wirksamkeit der MSOR in den Transformationsassays verdeutlicht deren inhibitorisches Potential gegenüber Ras-vermittelten Effekten. Viele der publizierten Untersuchungen zur Visualisierung der Ras-Aktivität erfolgten ausschließlich unter Bedingungen der Ras-Überexpression. Dies führt jedoch zu unphysiologischen Effekten, weshalb die Inzidenz einiger Befunde für die in vivoSituation fraglich ist. Ein besonders wichtiges Ergebnis dieser Arbeit ist der Nachweis, dass MSOR aufgrund ihrer effektiven Bindung an Ras-GTP auch als Reporter endogener Ras-Aktivität eingesetzt werden können. Nach Expression von eGFP-R59A,N64D-3 konnte die EGF- und TPA-induzierte Aktivierung des endogenen Ras anhand der Translokation des Reporters mittels konfokaler Mikroskopie in Echtzeit verfolgt werden. Das endogene Ras wird nach Stimulation nahezu ausschließlich an der Plasmamembran aktiviert. Die in der Literatur postulierte stimulus-abhängige Aktivierung von heterolog exprimiertem Ras im perinuklären Bereich, respektive Golgi-Apparat oder in Endosomen konnte hingegen nicht beobachtet werden. Da eGFP-R59A,N64D-3 ein sensitiver Detektor für endogenes Ras ist, belegt dieses Ergebnis die unterschiedliche räumliche Aktivierung von endogenem gegenüber überexprimiertem Ras. Die entwickelten MSOR-Konstrukte bieten ein Spektrum neuartiger Moleküle, mit denen sich zum einen die Ras-Aktivierung in vivo verfolgen lässt, die anderseits aber auch wirksam mit Ras-spezifischen Effekten interferieren können. Durch den modularen Aufbau der Konstrukte aus einzelnen Domänen, deren Affinität für Ras-GTP variiert werden kann, wird eine zielorientierte Anwendung der MSOR möglich.

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Augsten, Martin: Entwicklung von multivalenten Sonden zur gezielten Analyse und Beeinflussung Ras-abhängiger Signalwege. 2005.

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