Anti-oxidative und cytoprotektive Funktionen des Enzyms Paraoxonase-2
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Radikale sind in einer Vielzahl von Stoffwechsel- und Signalprozessen bedeutsam, da sie sowohl als Signal-Mediatoren agieren („Redox-Signaling“) als auch bei übermäßiger Generierung („oxidativer Stress“) Schäden an Proteinen, Lipiden und Nukleinsäuren erzeugen können. Letzteres bestimmt die Stressresistenz und das Überleben von Zellen, weil die Radikalbildung unter anderem Prozesse wie Apoptose, Nekrose, Proliferation und Differenzierung entscheidend beeinflusst. Dies wirkt sich z.B. auf Entzündungsprozesse aus, oder auch auf Krebs- und kardiovaskuläre Erkrankungen. Proteine mit Wirkung auf das Redox-Signaling sind folglich von großer Bedeutung, denn sie sind in vielerlei Prozesse zentral eingebunden. Zum Enzym Paraoxonase-2 (PON2) war bei Projektbeginn bekannt, dass es oxidativen Stress vermindern kann und einer Arteriosklerose entgegen wirkt. Mechanismen waren jedoch unbekannt, ebenso wie die Spezifität und Relevanz der antioxidativen und anti-apoptotischen Funktionen. Projektziele bestanden darin, eben diese Mechanismen und Funktionen detailliert aufzuklären, die pathophysiologische Relevanz z.B. für Diabetes oder Ischämie-Reperfusions(I/R)-Schäden zu prüfen und eine zuvor beschriebene Wechselwirkung mit dem Transkriptionsfaktor GTF2i molekularbiologisch und funktionell zu charakterisieren. Aufgrund der im Projekt erhobenen Befunde wurde jedoch die Bedeutung von PON2 in der Tumorbiologie (statt Diabetes und I/R) untersucht; auch wurde das paraloge Enzym PON3 in die Studien aufgenommen. Die Untersuchungen ergaben, dass PON2 und PON3 in der inneren Mitochondrienmembran mit Coenzym-Q10 interagieren und die Übertragung von Elektronen auf molekularen Sauerstoff vermindern. Dies verringert die Radikalbildung, spezifisch die von Superoxid O2- und gleichermaßen die intrinsiche und die ER-Stress induzierte Apoptose, bei welcher mitochondriale O2- -Bildung maßgeblich beteiligt sind. Als Konsequenz verringert sich die Aktivierung pro-apoptotischer Stimuli (z.B. CHOP; PUMA; Noxa; Bim; Caspasen; Cytochrom C), was die zelluläre Stressresistenz steigert. Da dies auch die Wirkung von Chemotherapeutika auf Krebszellen signifikant abschwächt kommt den Enzymen PON2 und PON3 eine neue Bedeutung in der Onkologie zu. Damit einhergehend fanden wir beide Enzyme oftmals überexprimiert in primären Tumorproben, möglicherweise als Resultat einer pathologischen Aktivierung der Signalwege PI3K/Akt, Wnt/β-catenin, sowie der FoxO und STAT Transkriptionsfaktoren. Das überexprimierte PON2 und PON3 könnten folglich neue Targets in der Krebstherapie sein. Auch wirkt sich eine PON2 Herunterregulation negativ auf die Angiogenese aus, was ebenfalls Ziel einer Tumortherapie sein kann. Kausal scheint hierfür die Interaktion mit dem Transkriptionsfaktor GTF2i zu sein, welcher die VEGF-Rezeptor Expression kontrolliert. Insgesamt gelang es somit, aus einer molekularbiologischen Studie heraus die funktionellen Mechanismen und die onkologische Relevanz der Enzyme PON2 und PON3 zu identifizieren und diese als potentielle Zielstrukturen einer Tumortherapie zu charakterisieren. Für wesentliche Teile des hier durchgeführten Projekts zeichnete die Boehringer-Ingelheim Stiftung den AG Leiter Dr. Sven Horke mit dem Forschungspreis 2011 aus. Berichte darüber sowie über die Forschungsergebnisse fanden sich anschließend im Internet, in Artikeln überregionaler Zeitungen bzw. Fachzeitschriften sowie in Radiosendungen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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The relevance of human paraoxonase-2 as new anti-oxidative and antiapoptotic system of the vascular wall. Herz 2009, 34 (Supplement II): 7-11
Horke S, Förstermann U
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One enzyme, two functions: PON2 prevents mitochondrial superoxide formation and apoptosis independent from its lactonase activity. J Biol Chem. 2010; 285 (32): 24398-24403
Altenhöfer S, Witte I, Teiber JF, Wilgenbus P, Pautz A, Li H, Witan H, Clement AM, Förstermann U, Horke S
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Paraoxonase 2 is downregulated by the Pseudomonas aeruiginosa quorum sensing signal N-(3-oxododecanoyl)-L-homoserine lactone and attenuates oxidative stress induced by pyocyanin. Biochem J. 2010; 426(1):73-83
Horke S, Witte I, Altenhöfer A, Wilgenus P, Goldeck, M, Förstermann U, Xiao J, Kramer GL, Haines DC, Chowdhary PK, Haley RW, Teiber JF
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Assessment of ER stress and the unfolded protein response in endothelial cells. Methods Enzymol 2011;489:127-46
Witte I & Horke S
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Beyond reduction of atherosclerosis: PON2 provides apoptosis resistance and stabilizes tumor cells. Cell Death Dis 2011; 13;2(1):e112
Witte I, Altenhöfer S, Wilgenbus P, Amort J, Pautz A, Li H, Förstermann U, Horke S
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Paraoxonase- 1 and clopidogrel efficacy. (Letter to the Editor) Nat Med. 2011 Sep 7;17(9):1041-2
Camps J, Joven J, Mackness B, Mackness M, Tawfik D, Draganov D, Costa LG, Paragh G, Seres I, Horke S, James R, Hernández A, Reddy S, Shih D, Navab M, Rochu D, Aviram M
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Paraoxonases-2 and 3 are important defense enzymes against Pseudomonas aeruginosa virulence factors due to their anti-oxidative and anti-inflammatory properties. J Lipids 2012; 2012:352857
Schweikert EM, Amort J, Wilgenbus P, Förstermann U, Teiber JF, Horke S
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PON3 is upregulated in cancer tissues and protects against mitochondrial superoxide-mediated cell death. Cell Death Differ 2012 Mar 23
Schweikert EM, Devarajan A, Witte I, Wilgenbus P, Amort J, Förstermann U, Shabazian A, Grijalva V, Shih DM, Farias-Eisner R, Teiber JF, Reddy ST, Horke S
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Protectors or traitors - the roles of PON2 and PON3 in atherosclerosis and cancer. J Lipids 2012; 2012:342806
Witte I, Förstermann U, Devarajan A, Reddy ST, Horke S
