I. Einleitung
I. Einleitung
In allen Organismen sind zahlreiche Merkmale, die
im Verlauf der Entwicklung herausgebildet wurden, genetisch determiniert.
Die hierfür verantwortlichen Gene werden in bestimmten Entwicklungsphasen,
äußeren sowie inneren, reguliert, um ihre spezifische Funktion
zeitgerecht zu erfüllen. Die differentielle Genaktivierung wird als
wesentliches Element jeder Entwicklung oder jedes zellulären Einflusses
betrachtet. Die genetische Information wird von der DNA durch Transkription
auf die RNA überschrieben. Durch die sich anschließende Translation
wird das spezifische Protein synthetisiert. Die neusynthetisierten Proteine
enthalten häufig Signale, die ihren endgültigen Bestimmungsort
determinieren (targeting). Durch entsprechende post-translationelle Modifikationen
(z.B. Glukosylierung) werden aktive Proteine sezerniert, die wiederum regulierend
auf die Transkription und Translation wirken können.
Durch die Aktivierung oder Inhibierung einer
Vielzahl transkriptioneller Faktoren ist demnach ein möglicher intrazellulärer
Kontrollmechanismus für die Expression eines Gens gegeben. Dieser
Prozeß, der in transkriptioneller oder struktureller Aktivierung
der Faktoren involviert ist, erlaubt die Anwesenheit in oder den Transfer
zum Zellkern. Diese Prozesse können ein Teil des Mechanismus sein,
bei welchem verschiedene Agentien die Aktivierung und Expression eines
Proteins ansteigen lassen.
Ein weiterer Aktivierungsmechanismus eines Gens
kann durch Hormone und andere extrazelluläre Signalmoleküle erfolgen,
die bei einer Vielzahl von biologischen Prozessen regulierend wirken. Die
gewebespezifische Wirkung der Hormone wird durch entsprechende Expression
spezieller Hormonrezeptoren determiniert, die je nach Struktur und Mechanismus
der Übertragung des hormonellen Signals in den Zellen in verschiedene
Typen eingeteilt werden können:
1. |
in Transmembran-Rezeptoren mit einer Tyrosin-Proteinkinase-Domäne
auf ihrem zytoplasmatischen Abschnitt (z.B. Insulin-Rezeptor) |
2. |
in Membran-Rezeptoren ohne Kinase-Domäne,
die an der zytoplasmatischen Seite mit sogenannten G-Proteinen gekoppelt
sind (z.B. Glukagon-Rezeptor) und |
3. |
intrazelluläre Rezeptoren, die zur Superfamilie
ligandenabhängiger Transkriptionsfaktoren zusammengefaßt werden
(z.B. Rezeptoren für Steroidhormone, Schilddrüsenhormone, Vitamin
D3 und Retinsäure). |
Die Antwort der Gewebezellen auf hormonelle Signale
manifestiert sich auf unterschiedlichen molekularen Ebenen. Bei der Steuerung
der Expression eines Proteins unter Hormoneinfluß können verschiedene
molekulare Mechanismen zugrundeliegen.
1. Molekulare Prinzipien der
Transkriptionsregulation
1.1 Promotor, Enhancer und
Silencer
Die wesentlichen Unterschiede der prokaryontischen
Genexpression zu der eukaryontischen, entsteht vor allen Dingen durch die
komplexere Organisation eukaryontischer Zellen in verschiedene Kompartimente
und ihre kompliziertere Bildung von mRNA. Das ist der Grund, weshalb bei
Eukaryonten die Regulation der Genexpression auf mehreren Ebenen stattfindet.
Über die transkriptionelle Kontrolle bei der Initiation und der Termination
hinaus existiert eine Regulation beim Prozessieren der primären Transkripte,
bei dem Transport der mRNA aus dem Zellkern, der Stabilität der zytoplasmatischen
mRNA, sowie bei der Translation der mRNA (Darnell, 1985).
Den größten und umfangreichsten Anteil
an der Kontrolle der Genexpression hat die transkriptionelle Initiation,
wobei vielfältige DNA-Protein-Wechselwirkung eine zentrale Rolle spielen.
Essentiell für die Transkription eines Gens sind regulatorische DNA-Elemente,
die sich etwa 100 Basenpaare (bp) 5'-stromaufwärts vom Transkriptionsstartpunkt
befinden. Zu diesen Elementen gehören die TATA-Box, die GC-Box und
die CAAT-Box, die gemeinsam den Promotor eines Gens bilden. Durch diese
Promotor-Elemente wird eine korrekte Positionierung und Aktivierung des
RNA-Polymerase II-Komplexes gewährleistet. Weiter stromaufwärts
gelegene cis-aktive Sequenzen werden als Enhancer (Atchison, 1988) oder
Silencer (Linzer, 1985) bezeichnet, je nachdem, ob die an sie bindenden
Faktoren gewebe- und entwicklungsspezifisch, hormon- oder signalabhängig
sein können oder die Transkriptionrate erhöhen oder erniedrigen.
Diese cis-aktiven Elemente können sich, unabhängig von ihrer
Orientierung, mehrere Kilobasen (kb) stromaufwärts vom Transkriptionsstartpunkt
entfernt befinden und die Transkription beeinflussen.
Mit verschiedenen Modellen kann die Wirkung weit
entfernt liegender DNA-Protein-Komplexe auf dem proximalen Polymerase-Komplex
erklärt werden. Das sogenannte "Looping" der DNA kann eine direkte
Interaktion zwischen Polymerase-Komplex und weiter 5'-liegenden Sequenzen
vermitteln. Diese Biegefähigkeit der DNA kann durch die Ausbildung
von Nukleosomen erheblich gesteigert werden. Einige Transkriptionsfaktoren
zwingen der DNA eine Biegung auf. Neben dieser direkten Wechselwirkung,
die aktivierender oder reprimierender Natur sein kann, lassen sich indirekte
Interaktionen über Hilfsproteine, sogenannte Aktivator-Proteine, beobachten.
Dabei kann die Konformation eines solchen Aktivator-Proteins für die
transkriptionelle Aktivität eines Gens von Bedeutung sein.
1.2 Transkriptionsfaktorklassen
Transkriptionsfaktoren und ihre sequenzspezifische
Bindung an regulatorische Elemente der DNA steuern die Genexpression und
regulieren darüber wichtige Ereignisse, wie Zellentwicklung, -differenzierung
und -wachstum. Unterschieden werden die Transkriptionsvorgänge, die
notwendige Strukturelemente der Zelle bilden die stets in ausreichender
Menge vorhanden sein müssen (basale Transkription) und damit den Grundstock
einer normalen Zelle darstellen. Gleichermaßen werden damit im Unterschied
zu der basalen Transkription Vorgänge bezeichnet, die die Besonderheit
einer differenzierten Zelle kennzeichnen (induzierbare Transkription).
Im allgemeinen enthalten Transkriptionsfaktoren mindestens zwei funktionelle
Domänen: eine, die die Bindung an die DNA vermittelt und eine, die
die Transkriptionsaktivierung moduliert. Zusätzlich kann das Protein
noch andere charakteristische Domänen aufweisen, die z.B. für
die Bindung von Liganden verantwortlich sind. Die DNA-bindenden Regionen
der Transkriptionsfaktoren lassen sich aufgrund ihrer Aminosäuresequenz
in mehrere, in den folgenden Unterpunkten beschriebene, strukturelle Familien
einteilen.
1.2.1 Helix-Turn-Helix (HTH)
Motive
Dieses DNA-Bindungsmotiv wurde als erstes identifiziert
und ist im Vergleich zu den anderen Motiven das meist untersuchte. Die
Abbildung 1 zeigt die charakteristische Struktur des Motives, das aus zwei
a-Helices besteht, die durch eine [beta]-Faltblatt-Struktur voneinander
getrennt sind. Die eine helikale Domäne, die "Erkennungssequenz",
tritt über elektrostatische Wechselwirkungen mit den Basen der großen
Furche der Ziel-DNA in Kontakt. Die zweite helikale Domäne liegt der
ersten senkrecht gegenüber und stellt den Kontakt zu der DNA über
unspezifische Wechselwirkungen her (Pabo & Sauer, 1984). Das HTH-Motiv
wurde in Eukaryonten anfangs in einer Gruppe von Genen der Fruchtfliege
(Drosophila melanogaster) entdeckt (Ingham, 1985). Den Drosophila-Gengruppen
ist eine hochkonservierte Region von etwa sechzig Aminosäuren (Homöo-Box)
gemein. Diese Region kodiert für regulatorische Proteine, die durch
sequenzspezifische Bindung die Transkription verschiedener für die
Embryonalentwicklung essentieller Gene reguliert. In manchen Fällen
können die Vertreter dieser Protein-Klasse (Kernrezeptoren) untereinander
heterodimerisieren und somit das Spektrum der Regulationsmöglichkeiten
erweitern.
Abb.1: |
Helix-Turn-Helix-Motiv
Diese Motiv ist eine Anordnung von zwei a-Helices,
von denen eine an die DNA bindet, während die andere Protein-Protein-Wechselwirkung
eingeht. |
1.2.2 Zink-Finger Motive
Der erste klonierte und charakterisierte Transkriptionsfaktor,
dessen Bindung über eine Zink-Finger-Struktur vermittelt wurde, ist
TF IIIA aus Xenopus (Evans & Hollenberg, 1988). Dieser Faktor spielt
eine entscheidende Rolle bei der Aktivierung der RNA-Polymerase III und
der Transkription der 5S RNA. Entsprechend der Koordination des Zinkatomes
können zwei Subtypen des Zink-Finger-Motives unterschieden werden.
Der eukaryontische Transkriptionsfaktor SP 1, der an seinem C-Terminus
drei Zink-Finger enthält, stimuliert die Transkription durch eine
selektive Bindung an die GC-Box (Kadonga & Tijian, 1986). Die DNA-bindene
Domäne besteht aus einer Tandem-Wiederholung von 30 Aminosäuren,
deren Tertiärstruktur durch Interaktion eines Zinkatoms mit je einem
Paar Cystein- und Histidin-Resten aufrechterhalten wird (siehe Abb.: 2B).
Bei der Familie der Steroidhormonrezeptoren, auch bei den Schilddrüsenhormonrezeptoren,
wurde ein vergleichbares Motiv identifiziert (Berg, 1989). Die C-terminale
Bindungsdomäne dieses Motives besteht aus zwei Zink-Fingern, bei denen
das Zinkatom über jeweils vier Cystein-Reste koordiniert ist (siehe
Abb.: 2A).
Abb.2: |
Die verschiedenen Zink-Finger-Motive
Ein Zink-Atom ist komplex gebunden
zwischen zwei Cystein (C)- und zwei Histidin (H)- Resten so angeordnet
(B), daß eine Schleife entsteht, die mit der DNA in Kontakt tritt.
Proteine der Steroidhormon-Rezeptor-Familie enthalten ähnliche DNA-Bindungsmotive,
hier sind allerdings vier Cysteine koordinativ mit dem Zink verknüpft
(A). |
1.2.3 Leucin-Zipper Motive
(basische Bindungsdomänen, bZip)
Den bZip-Transkriptionsfaktoren ist eine basische
Bindungsdomäne gemeinsam. Das Protein bzw. die basische Bindungsdomäne
wurde erstmals 1988 in Eukaryonten charakterisiert (Landschutz). Die Bindungsdomäne
enthält eine hochkonservierte Region von etwa dreißig Aminosäuren,
die einen hohen Anteil an basischen Aminosäuren aufweist. Über
die positiven, N-terminalen Ladungen findet der Kontakt zu den negativ
geladenen Phosphatgruppen der DNA statt. Eine zweite, konservierte Domäne
befindet sich weiter C-Terminal gelegen, der "Leucin-Zipper" (Leucin-Reißverschluß).
In diesem Aminosäureabschnitt befindet sich charakteristischerweise
an jeder siebten Position die Aminosäure Leucin. Durch die a-helikale
Struktur organisieren sich alle hydrophoben Leucin-Reste auf einer Seite
an und können so mit den amphipatischen Helices anderer Protein-Moleküle
dieser Familie in Wechselwirkung treten. Möglicherweise wird durch
die reißverschlußartige Strukturanordnung die basische Domäne
soweit positioniert, daß sie sich Y-förmig ausrichten kann und
so den Kontakt zu den Basen herstellt (O'Neill et al., Vinson et al., 1989).
Erfolgt zusätzlich noch eine Dimerisierung mit verschiedenen Proteinen,
so läßt sich das Spektrum der möglichen transkriptionellen
Kontrolle erweitern. Unter anderem ist eine Heterodimerisierung für
eine Regulation der biologischen Aktivität der bZip-Proteine untereinander
von Bedeutung. Beispielsweise wird der AP 1-Komplex, der aus den zwei bZip-Proteinen
Jun und Fos besteht, durch die Bildung von Heterodimeren antagonisiert
(Rauscher et al., 1988; Curran & Franza, 1988).
Abb.3: |
Leuzin-Zipper und basische Bindungsdomänen-Motive
Der Leuzin-Reißverschluß (Zipper)
bezeichnet einen Abschnitt in bestimmten dimeren Proteinen, die jeweils
in einer a-Helix Leuzin so angeordnet enthalten, daß alle Leuzin-Reste
auf einer Seite zu liegen kommen und dadurch hydrophobe Wechselwirkungen
zum Partnermolekül möglich sind. In dem
N-terminalen Bereich dieser Proteine sind vermehrt basische Aminosäuren
vertreten, welche eine Bindung an die DNA
ermöglichen. Proteine dieses Types finden sich z.B. in den
Protoonkogenen-Produkten c-Fos und c-Jun. |
1.2.4 Weitere Bindungsprinzipien
Die bisher vorgestellten Faktor-Familien nehmen den
Kontakt zur DNA entweder über eine a-Helix auf oder über eine
antiparallele [beta]-Faltblattstruktur an die DNA. Im allgemeinen beschränken
sich diese Bindungsmotive auf bakterielle Repressor-Proteine. Über
einen prokaryontischen Repressor MetJ ist bekannt, daß er als ein
Tetramer an seine Zielsequenz bindet. Dabei wird die große Furche
der DNA-Kontaktstelle durch zwei dimerisierte [beta]-Faltblattdomänen
in antiparalleler Orientierung ausgefüllt (Pabo & Sauer, 1986).
Es existieren eine ganze Reihe von Trankriptionsfaktoren, die neben den
als Zink-Finger bezeichneten Faktoren, noch andere Metallionen zur Stabilisierung
ihrer Struktur benutzen. Ein Beispiel dafür ist der Hefe-Aktivator
GAL4. In seiner cysteinreichen Region vermag er Zinkatome zu koordinieren,
wobei diese Konformation von der klassischen Zink-Finger-Struktur abweicht.
Ein anderer Hefe-Faktor -ACE1- bindet ebenfalls über seine cysteinreiche
Region, wobei allerdings Kupferionen komplexiert werden (Dameron, 1991).
2. Molekulare Wirkungsweise
von Schilddrüsenhormonen
2.1 Physiologische Aspekte
der Schilddrüsenhormone
Einfluß auf den Grundumsatz und Stoffwechsel
Für das Wachstum und die Differenzierung
von Zellen und Geweben sind Schilddrüsenhormone (der wichtigste Vertreter
T3, 3,5,3'-Triiod-L-thyronin) unentbehrlich. Einen zentralen Einfluß
haben diese Hormone auf die cerebrale Entwicklung. Unter anderem regulieren
sie den Sauerstoffverbrauch und den Grundumsatz und werden deshalb für
normale, physiologische Funktionen in fast allen Geweben benötigt.
Unter pathologischen Zuständen wird die
komplexe Symptomatik der vielfältigen Wirkungsweise der Schilddrüsenhormone
in verschiedenen Organen deutlich, wie z.B. der T3-Einfluß auf die
Lipolyse im Fettgewebe oder Glykolyse und Glukoneogenese in der Leber (Müller
& Seitz, 1984). Eine Hypothyreose führt im Kindesalter zum Stillstand
der körperlichen und geistigen Entwicklung (Kretinismus). Bei Erwachsenen
führt dies zu einer Herabsenkung des Grundumsatzes und damit zu einer
Verlangsamung des Stoffwechsels, verminderter Körpertemperatur und
einem Nachlassen der körperlichen und geistigen Fähigkeiten.
Im Gegensatz dazu ist die Hyperthyreose durch einen erhöhten Grundumsatz,
d.h. Stoffwechselsteigerung, Abnahme von Muskel- und Fettgewebe und physischer
Unruhe gekennzeichnet.
In der Schilddrüse werden die beiden Schilddrüsenhormone
T4 und T3 synthetisiert. Synthese und Ausschüttung unterliegen der
Kontrolle des Hypophysenhormons Thyreotropin (TSH). Das Hauptsekretionsprodukt
der Schilddrüse ist T4, das in peripheren Geweben (Niere und Leber)
durch eine 5'Monodeiodierung in das biologisch etwa zehnfach aktivere T3
umgewandelt wird.
Einfluß auf den mitochondrialen Sauerstoffverbrauch
Ein erhöhter Grundumsatz, verbunden mit
einem erhöhten Sauerstoffverbrauch, gehört zu den klassischen
Symptomen hyperthyreoter Krankheitsbilder. Als Ursache für dieses
lange bekannte Phänomen wurden T3-vermittelte Ÿnderungen des mitochondrialen
Metabolismus angenommen. So charakterisierte z.B. Hoch 1962 die Hyperthyreose
"as a disease of mitochondria". In der Tat zeigen isolierte Mitochondrien,
die aus hyperthyreoten Versuchstieren präpariert werden, einen zwei-
bis dreimal höheren Sauerstoffverbrauch als euthyreote Kontrollen
(Shears & Bronk, 1979 und Hoch, 1988). Der Anstieg des mitochondrialen
Sauerstoffverbrauches nach T3-Gabe erfolgt mit einer Verzögerung von
ca. zwölf Stunden, Maximalwerte werden nach 24-48 Stunden erreicht
(Tata et al., 1963). Die parallel hierzu zu beobachtende Aktivierung einzelner
Atmungskettenenzyme, mitochondrialer Dehydrogenasen und anderer Komponenten
des mitochondrialen Metabolismus (Harper et al., 1993) macht deutlich,
daß T3 offensichtlich gezielt auf bestimmte Komponenten des mitochondrialen
Stoffwechsels wirkt und dadurch den O2-Verbrauch stimuliert.
Die molekularen Ursachen dieser Aktivität sind jedoch bislang wenig
geklärt. Verschiedene Arbeitsgruppen haben den Effekt von T3 auf Mitochondrien
postuliert und versucht, mitochondriale T3-Rezeptoren zu identifizieren,
die den T3-Effekt vermitteln. Doch obwohl in mehreren dieser Arbeiten (Sterling
& Milch, 1979) die Existenz mitochondrialer Bindungsstellen für
T3 postuliert wurde, gelang in keinem der Fälle bisher die Charakterisierung
solcher Bindungsstellen als funktionelle Rezeptoren.
2.2 Molekularer Wirkungsmechanismus
Intranukleäre T3-Rezeptoren (thyroid receptors,
TRs) vermitteln die Schilddrüsenhormon-abhängige Regulation der
Genexpression durch Bindung von T3. Die TRs ihrerseits als Liganden-abhängige
Transkriptionsfaktoren binden an T3-responsive Elemente (TREs) in der Promotorregion
regulierter Gene. Durch Interaktion des Komplexes mit anderen Proteinen
der basalen Transkriptionsmaschinerie erfolgt eine Aktivierung oder Repression
der Transkription des entsprechenden Gens (Desvergne, 1994). Das DNA-Bindungsmotiv
setzt sich aus zwei Komponenten zusammen, die in unterschiedlicher Orientierung
zueinander angeordnet sein können. So kann die "halfsite" AGG TCA
sowohl als Tandem-Wiederholung mit einem Abstand von vier beliebigen Nukleotiden
(direct repeat, DR4), sowie als Palindrom ( thyroid responsive element
palindrome,TREpal) oder als inverses Palindrom (TRElap) die T3-Wirkung
vermitteln (Parker, 1993).
Die Charakterisierung der Aminosäurezusammensetzung
der Schilddrüsenhormonrezeptoren führte zu ihrer Einordnung in
die Steroid-Rezeptor-Superfamilie, zu der u.a. der Glukocorticoid-, der
Estrogen-, der Progesteron- und der Vitamin D-Rezeptor gehören (Evans,
1988). Bei den Steroid-Rezeptoren handelt es sich um ligandenabhängige
Transkriptionsfaktoren, die eine zentrale, hochkonservierte DNA-Bindungsdomäne
mit zwei Zink-Fingern und eine C-terminale Ligandenbindungsdomäne
als strukturelle Gemeinsamkeit aufweist. Bisher konnten zwei T3-Rezeptor-Gene,
TRa und TR[beta], identifiziert werden, die eine ausgeprägte Homologie
in ihren Translationsprodukten aufweisen (Lazar, 1993). Durch alternatives
Spleißen können mehrere Isoformen von beiden Genen exprimiert
werden, die in einem adultem Organismus eine z.T. gewebespezifische Verteilung
aufweisen und deren Expression während der Entwicklung zeitlich und
lokal reguliert ist. Die Isoformen TR[beta] und TR[beta]1 werden
ubiquitär exprimiert, während die Isoform TR[beta]2
hauptsächlich in der Hypophyse lokalisiert ist. Bisher sind von dem
TRa vier Isoformen beschrieben worden, von denen allerdings nur die Isoform
TRa1 funktionell aktiv ist. An die DNA-Zielsequenzen können
die T3-Rezeptoren als Monomere, Homodimere und Heterodimere binden. Als
Heterodimerisierungspartner können nicht nur die verschiedenen TR-Isoformen
dienen, sondern ebenfalls auch andere Mitglieder der Steroid-Superfamilie,
die summiert als TRAPs (TR auxiliary protein) bezeichnet werden (siehe
Abb.: 4). Zu den TRAPs zählen u.a. der Retinoid-X-Rezeptor (RXR),
der Retinsäure-Rezeptor (RAR) sowie der Peroxisomen Proliferator aktivierte
Rezeptor (PPAR).
Abb.4: |
Molekulare Mechanismen der T3-Wirkung
T3 als die physiologisch aktive Form der Schilddrüsenhormone,
tritt in die Zelle ein (vermutlich mittels eines
Transporterproteins) in den Zellkern und bindet dort an den kernständigen
T3-Rezeptor. Der Rezeptor-Hormon-Komplex erkennt bestimmte Nukleotidsequenzen,
sogenannte TREs (Thyroid-Hormon Response Elements),
die in den regulatorischen Breichen T3-responsiver Gene liegen. |
3. Oxidativer Streß
und zelluläre Antioxidanten
3.1. Hitzeschock-Proteine
Hitzeschock-Gene (heat-shock protein, HSP) ist die
Bezeichnung für eine Klasse von Genen, die sowohl von eukaryontischen
als auch von prokaryontischen Zellen vorübergehend als Reaktion auf
verschiedene Umwelteinflüsse exprimiert werden. Hierzu gehören
z.B. das Wachstum bei erhöhter Temperatur und die Behandlung mit verschiedenen
Stoffwechselinhibitoren, Aminosäure-Analoga oder Übergangsmetalle.
Bei Eukaryonten kann die Expression von Hitzeschock-Genen in fast allen
Zelltypen ausgelöst werden. Ausnahme sind Spermatozyten und die ersten
Zellteilungsstadien eines Embryos. Inzwischen sind auch HSP-homologe Proteine
bekannt, die konstitutiv, also nicht erst bei einer Belastung synthetisiert
werden (HSC). Die ausgeprägte Thermotoleranz der Zellen ist jedoch
die wichtigste und bekannteste Auswirkung der Hitzeschock-Proteine. Diese
Thermotoleranz sorgt dafür, daß zahlreiche zelluläre Prozesse
auch bei "Streß" gewohnt ablaufen. Die entsprechenden Gene und ihre
Proteine sind in allen bisher untersuchten Spezies sehr stark konserviert,
sie kommen in Bakterien, Hefen, Insekten und Vertebraten vor. Die Klassifizierung
dieser Proteine erfolgt derzeit nach ihrem Molekulargewicht Mr
(z.B. HSP 70 ist ein 70 kDa Protein). Die Hitzeschock-Gene werden durch
Bindung eines Hitzeschock-Transkriptionsfaktors (heat-shock transcription
factor; HSTF) an eine HSRE (heat-shock response element) genannte DNA-Sequenz
im Promotorbereich aktiviert. Eine häufig beobachtete Funktion von
Hitzeschock-Proteinen ist ihre Wechselwirkung mit anderen Proteinen. Die
HSP's können diese Proteine in eine korrekte Konformation überführen
(Ordnung der Proteinfaltung), an einer Aggregation hindern, für eine
andere Funktion bereithalten oder z.B. bei Hitzestreßsituationen
die Proteine optimal, aber anders falten. Wegen dieser Begleitfunktion
werden sie auch als Begleitproteine (chaperone proteins) oder "Chaperone"
bezeichnet.
3.2 Oxidativer Streß
Eine Zelle und ihre Kompartimente stellt ein empfindliches
System dar, das eine Vielzahl von Proteinen und Stoffen enthält, um
das physiologische Gleichgewicht stabil zu erhalten. Um die Rolle der Hämoxygenase
zu begründen, ist es essentiell, Prinzipien und Konsequenzen eines
oxidativen Stresses zu verstehen. Wenn die Balance zwischen dem Gehalt
an Pro-Oxidanten (z.B. reaktive Sauerstoffzwischenstufen, reactive oxygen
intermediates, ROI) und der Gehalt an antioxidativen Schutzfaktoren (Proteinen)
aus dem Gleichgewicht gebracht wurde, spricht man von oxidativem Streß.
Durch ein Absinken des Gehaltes an Antioxidanten wie z.B. Glutathion, Ascorbat
oder a-Tocopherol folgt eine vermehrte Bildung reaktiver Sauerstoffzwischenstufen
(Halliwell & Gutteridge, 1990). In normalen biologischen Prozessen
werden laufend freie Radikale gebildet. Unter oxidativem Streß jedoch
wird ihre Formation enorm gesteigert. Unkontrollierter oxidativer Streß
erzeugt zellschädigende Effekte wie z.B. Lipidperoxidation (Rice-Evans
& Burdon, 1993) und dadurch Membranbeschädigungen (Ferrali et
al., 1992), DNA-Strangbrüche (Ames, 1989) und dramatische Proteinveränderungen
(Dean et al. und Neuzil et al., 1993). Beschädigungen des Gewebes
durch freie Radikale werden mit der Pathophysiologie einiger Krankheiten
in Verbindung gebracht. Beispiele sind unter anderem Atherosklerose (Halliwell,
1993), Krebs (Rice-Evans & Burdon, 1993), Alzheimer und altersbedingte
Schädigungen der Sehkraft.
Eines der häufigsten freien Radikale ist
das Superoxidanion [.O2-]. Eine
Bildung dieses Radikals kann durch ein "Leck" in der Elektronen-Transport-Kette
der Mitochondrien, Chloroplasten und des endoplasmatischen Retikulum (ER)
erfolgen (Halliwell, 1993). Das Superoxidanion wird ebenfalls während
eines respiratorischen "Aufplatzen" phagozytischer Zellen gebildet. Die
Wasserstoffperoxidproduktion der Phagozyten spielt eine Schlüsselrolle
bei der Vernichtung vieler zellschädigender Bakterienstämme.
Durch das Vorhandensein von Sauerstoff in der Zelle und seine Reduktionsmöglichkeit
zu radikalischen Spezies können toxische Stoffe wie das Superoxidanion,
Wasserstoffperoxid [H2O2] und Hydroxylradikale [HO.]
erst entstehen. Die Mehrzahl der Hydroxylradikale werden durch eine Metall-abhängige
Aufspaltung des Wasserstoffperoxides erzeugt (Halliwell, 1993). Unter Normalbedingungen
ist die Eisen (III)-abhängige Anreicherung der Hydroxylradikale die
signifikanteste zelluläre Radikalquelle (Ryan & Aust, 1992). Allerdings
sind auch andere Metalle ebenfalls in der Lage, anfangs gering reaktive
Sauerstoffzwischenstufen zu vermehrt reaktiven Zwischenstufen zu konvertieren.
3.3 Zellulärer Schutz
Um den oxidativen Streß zu bekämpfen,
haben Zellen und Gewebe eine Vielzahl von antioxidativ-wirkenden Mechanismen
entwickelt, die bei eventueller Anreicherung von reaktiven Sauerstoffzwischenstufen
(reactive oxygen intermediates, ROI), oder bei zellulären Reparaturvorgängen
aktiviert werden. Einige intrazelluläre Antioxidanten sind Katalase
-konvertiert Wasserstoffperoxid zu Wasser und Sauerstoff-, Superoxid Dismutase
- konvertiert Superoxidanionen zu Wasserstoffperoxid-, a-Tocopherol, Ascorbat
und Glutathion.
Glutathion (GSH) ist ein wichtiges antioxidatives
Tripeptid ([gamma]-Glutamin-Cystein-Glycin), das in den meisten Zellen
und Geweben vorkommt. Das GSH ist beteiligt an:
1. |
der Beseitigung von Peroxiden durch die Selen-abhängige
Glutathion-Peroxidase (Reaktion 1) (Flohe, 1989) |
2. |
der Reduktion von 5-Hydroperoxymethyluracil durch
eine nicht Selen-haltige Peroxidase (Ketterer & Meyer, 1989) |
3. |
eine nicht-enzymatische Reduktion freier Radikale
(Potter & Hinson, 1987) und |
4. |
an der Konjugation von exogenen reaktiven Zwischenstufen
durch entweder nicht- enzymatische oder Glutathion
S-Transferasen. |
Abb.5: |
Glutathion-Entgiftungsreaktionen (für
Wasserstoffperoxid und Radikale) |
Das oxidierte Glutathion (GSSG) wird schnell wieder
zurück reduziert zu GSH durch die GSH-Reduktase (Reaktion 2). Der
intrazelluläre Gehalt an GSH wird während einer starken, oxidativen
Streß-Situation fast komplett erschöpft.
Die Natur macht zum Schutz ihrer Produkte von
den präventiven (Glutathion-Peroxidase) als auch von den kettenabbrechenden
Antioxidanten Gebrauch. Die biologischen kettenabbrechenden Antioxidanten
können in zwei Gruppen eingeteilt werden, abhängig davon, ob
sie in der wäßrigen Phase oder in der Lipidphase Radikale zersetzen:
1. |
primäre Antioxidanten: diese Antioxidanten
reduzieren die Initiation der Autooxidation durch Umwandlung der
Hydroperoxide zu den entsprechenden Alkoholen |
2. |
sekundäre Antioxidanten: die zum Kettenabbruch
führenden Antioxidanten wirken schnell via Addition eines Wasserstoffatoms
an das Peroxylradikal. Es sind vor allen Dingen phenolische Substanzen
(ArOH), zu denen das Vitamin E zählt. |
In der Lipidphase biologischer Systeme wirkt höchstwahrscheinlich
ausschließlich a-Tocopherol (Vitamin E) als kettenabbrechender Antioxidant.
Das a-Tocopherol ist in vitro effizienter als irgend ein anderer
phenolischer Antioxidant (Friedrich, 1987).
Abb.6: |
Radikal-Abfangreaktion von phenolischen Substanzen
(ArOH) |
Das resultierende Tocopheroxyl-Radikal (siehe
Abbildung 6) ist normalerweise zu unreaktiv, um die Kettenabbruchreaktion
fortzusetzen. Es kann allerdings rasch unter Bildung molekularer Produkte
mit einem Peroxyl-Radikal reagieren.
4. Entdeckung und Charakterisierung
der Hämoxygenase 1 (HO1)
4.1 Sauerstofftransportierende
Proteine und ihre prosthetische Gruppe Häm
Der Übergang von der anaeroben zur aeroben Lebensweise
war ein wichtiger Schritt der Evolution. Er brachte jedoch das Problem
mit sich, die Zellen ausreichend mit Sauerstoff zu versorgen. Durch die
Verwendung von sauerstofftransportierenden Molekülen konnte die schlechte
Wasserlöslichkeit von Sauerstoff überwunden werden. Diese Sauerstoffüberträger
in Wirbeltieren sind die Proteine Hämoglobin und Myoglobin. Die Fähigkeit
von Myoglobin und Hämoglobin, Sauerstoff zu binden, beruht auf der
Anwesenheit des Häms als prosthetische Gruppe. Dabei handelt es sich
um eine spezifische nichtpeptidische Einheit, die in vielen biologischen
Systemen eine ubiquitäre Schlüsselrolle spielt.
Die Hämgruppe bildet in verschiedenen Cytochromen,
die in den Elektronentransport, die Energieerzeugung und die chemische
Metabolisierung involviert sind, die nichtpeptidische, prosthetische Gruppe.
Ebenfalls sind Peroxidasen und Katalasen, die für den Wasserstoffperoxidabbau
verantwortlich sind, hämgruppen-tragende Enzymsysteme.
Neben den sauerstoffbindenen Eigenschaften des
Häms und seiner ubiquitären Schlüsselrolle in verschiedenen
Enzymsystemen ist es beteiligt an der Regulation zellulärer Peptidinitiationen
und Proteinsynthesen über die eIF-2a Kinase und ist erforderlich für
die hämatopoetische Zellentwicklung und Differenzierung (Abraham et
al., 1988). Synthetisiert wird die Hämgruppe aus den Grundstoffen
Succinyl-CoA (einem Zwischenprodukt des Citratzyklus) und Glycin. Der geschwindigkeitsbestimmende
Schritt dieser Synthese (das "Schrittmacherenzym") bildet die d-Aminolävulinat-Synthetase
(ALAS).
4.2 Hämoxygenase
Von großer Bedeutung in der Regulation biologischer
Systeme ist die Degradation des Häms zu dem linearen Tetrapyrrol Biliverdin
unter Freisetzung eines Eisens und der Bildung von Kohlenmonoxid. Diese
Reaktion wird von dem hochkonservierten Enzym Hämoxygenase (HO; E.C.
1.14.99.3) katalysiert (siehe Abb.7), das in Algen und Pflanzen sowie in
höheren Spezies identifiziert werden konnte (Abraham et al., 1988).
Ein interessanter Aspekt ist die Tatsache, daß
die Hämoxygenase neben ihrer primären Aufgabe, das Eisen aus
alternden roten Blutkörperchen zu rezyklieren, eine Beteiligung an
vielen zellschädigenden Streßsituationen hat.
Das limitierende Enzym des Hämkatabolismus
wurde erstmals 1968 von Tenhunen et al. beschrieben. In Säugern wird
das Biliverdin anschließend durch ein zytosolisches Enzym, der Biliverdinreduktase,
zu Bilirubin konvertiert. Das Bilirubin ist nur schwach wasserlöslich
und wird aus diesem Grund für den Transport reversibel an Albumin
gebunden. Das Enzym UDP-Glukuronyltransferase, ein integrales Membranprotein
des endoplasmatischen Retikulums, konjugiert das Bilirubin mit der Glukuronylsäure
und bildet das Bilirubin-Monoglukuronid oder das Bilirubin-Diglukuronid.
Beide Bilirubin-Glukuronid-Formen werden durch Albumin transportiert und
über die Galle ausgeschieden.
Abb.7: |
Schematische Darstellung der Hämoxygenase
(HO) in dem hepatischen Zellsystem.
Die primäre Aufgabe der HO ist die Rezyklierung
des Eisens aus alternden roten Blutkörperchen. |
80 bis 85 % des gebildeten Bilirubins stammt aus
dem Hämoglobin alternder oder beschädigter Erythrozyten (Schacter,
1988). Daraus ergibt sich die hohe Grundaktivität der Hämoxygenase
in jenen Geweben, welche reich an Retikuloendothel-Zellen sind, wie zum
Beispiel Milz und Knochenmark.
4.3 Isoformen der Hämoxygenase
Die Hämoxygenase hat ein Molekulargewicht von
32 kDa (Maines et al., 1977 und Yoshinaga et al., 1982). Es existieren
zwei Isoformen dieser Monooxygenase, wobei das 32 kDa Protein als Hämoxygenase
Typ 1 (HO 1) und das neuentdeckte zweite Protein als Hämoxygenase
Typ 2 (HO 2) bezeichnet wird. Die Hämoxygenase 2 weist ein Molekulargewicht
von 34 kDa auf und konnte aus humanen und Rattengeweben isoliert werden
(Cruse & Maines, 1988 und Trakshel & Maines, 1989).
Die Isoformen der Hämoxygenase sind Produkte
zweier unterschiedlicher Gene, dennoch weisen sie eine Aminosäuren-Sequenzhomologie
von 40 % auf (Müller et al., 1987; McCoubrey et al., 1992 und McCoubrey
& Maines, 1994). McCoubrey und Maines konnten zeigen, daß die
HO-1 das Produkt eines Transkriptes ist, während die HO 2 von zwei
Transkripten eines Gens kodiert wird. Das Auftreten verschiedenartiger
HO 2-Transkripte beruht auf der Anwesenheit mehrerer Polyadenylierungsstellen
in dem HO 2-Gen, von dem unterschiedliche mRNAs synthetisiert werden können.
Die HO 2 ist nicht induzierbar, während die HO-1 durch eine Vielzahl
von strukturell nicht verwandten, pharmakologischen und chemischen Agentien,
sowie durch Variation des Zellzustandes, wie z.B. Hitzeschock und anderen
Formen von zellulärem Streß induzierbar ist.
In vielen tierischen Geweben und Zellkulturen
steigt die HO 1 mRNA-Expression durch die Behandlung mit dem natürlichen
Substrat Häm sowie mit verschiedenen Metallen und Xenobiotika (Fremdstoffe),
endokrinen Faktoren und synthetischen Metallporphyrinen (Yoshida et al.,
1991 und Alam & Zhining, 1992).
Umfangreiche Studien von Nath et al. (26) lieferten
Hinweise, daß eine in vivo Induktion der HO-1 an die Ferritinsynthese
gekoppelt ist als eine schnelle und schützende, antioxidative Folgereaktion.
Ferritin bildet den Speicher des Eisens im Gewebe. Ein Ansteigen des Ferritins
und die Assoziation zu der HO-1-Induktion wird begründet durch ein
Absenken des intrazellulären Eisenspiegels, welcher z.B. bei einer
eisenkatalysierten Radikalreaktion oder bei oxidativem Streß beobachtet
werden kann.
Die Isoformen der HO unterscheiden sich nicht
nur durch die HO-1-spezifische Induzierbarkeit des Enzymes, sondern gleichfalls
durch ihre unterschiedliche Gewebeverteilung. Im Gehirn und den Reproduktionsorganen
ist die nicht regulierbare Hämoxygenase 2 im Vergleich zu der regulierbaren
Hämoxygenase 1 sehr hoch exprimiert. Die zelluläre Rolle der
Hämoxygenase 2 ist noch nicht bekannt, dennoch liegt die Vermutung
nahe, daß die HO 2 eine wichtige Aufgabe in der Keimzellentwicklung
und Signaltransduktion neuraler Gewebe hat.
5. Substratspezifität,
Struktur und aktive Form des Proteins
5.1 Substratspezifität
Die Hämgruppe bildet in einer Vielzahl von Proteinen
die nicht peptidische, prosthetische Gruppe. Unter anderem kommen die Hämgruppen
als Redox-Cofaktoren in der Atmungskette und in der Photosynthese vor.
Das Vorhandensein eines zentralen Eisenatoms ist für eine molekulare
Sauerstoffbindung einer Metallporphyringruppe erforderlich. Metallporphyrine,
in welchen das zentrale Eisenatom ausgetauscht wurde gegen : Zinn2+-,
Zink2+-, Chrom2+- oder Mangan2+-Ionen,
wirken als potente kompetetive Inhibitoren der Hämoxygenase.
Dagegen sind Magnesium-, Nickel- und Kupfer-Protoporphyrine
in der Lage, an das katalytische Zentrum der Hämoxygenase zu binden
und haben nur einen leichten inhibitorischen Effekt auf die Hämgruppendegradierung
(Kappas & Drummond, 1986).
Das Hämprotein, an welches die Hämgruppe
bindet, ist relativ unspezifisch, da Met-Hämoglobin, Met-Albumin,
die a- und [beta]-Kette des Hämoglobins, Häm-Hämopexin-
und Hämoglobin-Haptoglobin-Komplexe ebenfalls Substrate der Hämoxygenase
sind (Lutton et al., 1991).
Tomaro et al. (1984) untersuchte die strukturellen
Anforderungen, die erfüllt werden müssen, um eine Substrat-Enzym-Verknüpfung
zu bilden. Die Anwesenheit zweier benachbarter Propionsäure-Seitenketten
in der Position 6 und 7 sind unabdingbar für die Substrataktivität
des Enzyms. Werden diese Gruppen durch Butylsäurereste oder Essigsäurereste
substituiert, resultiert daraus ein markanter Verlust der enzymatischen
Aktivität.
Abb.8: |
Nomenklatur der Porphyrine
Die vier Pyrrolringe werden mit A, B, C und D
bezeichnet, die C- und N-Atome wie oben dargestellt durchnumeriert. |
In den Positionen 2 und 4 besitzen die Porphyrine
Vinylgruppen (Hämtyp b). Werden diese durch Methylgruppen ersetzt,
wird die Substrataktivität nicht beeinträchtigt.
5.2 Struktur des Proteins
und aktive Zentren
Das Carboxylende der Hämoxygenase hat eine hydrophobe
Sequenz und gewährleistet die Anlagerung des Proteins an der mikrosomalen,
inneren Membran. Ein Verdau dieser C-terminalen Sequenz resultiert in einem
löslichen, aber katalytisch noch aktiven Enzym. Die Hämoxygenase
bildet mit der Hämgruppe einen Komplex, in einem stöchiometrischen
Verhältnis von 1:1, das transiente Hämprotein. Die Positionierung
der Hämgruppe im Inneren des Hämoxygenasemoleküls ist nur
möglich, wenn der Tetrapyrrolring des Häms über die a-meso
Position geöffnet ist (Yoshiga et al., 1978 und Yoshiga et al., 1991).
Mit Hilfe spektroskopischer Techniken konnte festgestellt werden, daß
die Hämbindungstasche der Hämoxygenase identisch mit der des
Myoglobins ist. Hierbei wird die sechsfach-koordinierte Hämgruppe
an einem essentiellen, neutralen Histidinliganden (His 151) und einem Wassermolekül
verknüpft (Takahashi et al., 1994 und Sun et al., 1993). Das His 151
befindet sich in einem hochkonservierten Sequenzbereich hydrophobischer
Aminosäuren.
Der Sauerstoffaktivierungsmechanismus der Hämoxygenase
unterscheidet sich von dem anderer Enzyme, wie der des Cytochrom P450 und
der der Peroxidasen.
In der Summe sind drei Sauerstoffmoleküle
und sechs reduzierende Ÿquivalente für eine oxidative Degradierung
eines Hämmoleküls zu Biliverdin, Eisen (Fe2+ ) und
Kohlenmonoxid notwendig.
Abbildung 9 zeigt das aktuelle Modell der Hämoxygenase-katalysierten
Umwandlung von Häm zu Biliverdin. Die Hämoxygenase ist essentiell
für die NADPH-Cytochrom P450 Reduktase, die das reduzierte Ÿquivalent
von der Oxidation von NADPH oder NADH zu NADP+ und NAD+
liefert. Das enzymgebundene Eisen der Hämgruppe wird durch die NADPH-Cytochrom
C Reduktase in die Ferroform reduziert, die bevorzugt Sauerstoff und Kohlenmonoxid
binden kann. Der Hämgruppen-Sauerstoff-Komplex wird im Inneren der
Hämtasche der Hämoxygenase lokalisiert (Wilks & Ortiz de
Montellano, 1993).
Abb.9: |
Modell der möglichen Umwandlung von Häm
zu Biliverdin aufgrund von Elektronenverschiebungen |
Der Ferro-Dioxygen-Komplex nimmt ein zweites Elektron
der Cytochrom C Reduktase auf und transformiert den Komplex in eine aktivierte
Oxidationsform um (Yoshiga et al., 1980). Zuzüglich der Hydroxylgruppe
an der a-Methinbrücke ergibt sich das a-meso-Hydroxyhäm (Jackson
et al., 1978).
Zwei Alternativmodelle wurden von Wilks und Ortiz
de Montellano (1993) aufgestellt, die die Möglichkeit ausschließen,
daß die hydroxylierte Hämspezies ein Ferryl-Komplex ist. Die
Reaktion des Porphyrinringes mit dem Eisen-Dioxygen-Komplex führt
zu einer Anreicherung des a-meso-Hydroxyhäms:
1) |
es folgt entweder eine nukleophile Addition des
terminalen Sauerstoffs an den unprotonierten Fe-O-O-
-Komplex und führt zu dem a-meso-Carbon. Das
Ergebnis ist eine Peroxo-Brücke Fe-O-O-Cmeso als
Zwischenstufe, oder |
2) |
durch eine elektrophile Addition des terminalen
Sauerstoffs des protonierten Fe-O-OH-Komplexes unter Auftrennung
der Sauerstoffbindung des Komplexes. Das a-meso-Hydroxyhäm wird anschließend
zu Kohlenmonoxid und einer enzymgebundenen
Zwischenstufe reduziert, die als verdo-Häm bezeichnet wird
(Yoshiga et al., 1984). |
Als letzter Schritt wird aus dem verdo-Häm-Zwischenprodukt
Biliverdin IXa gebildet, wobei molekularer Sauerstoff zuzüglich eines
Elektrons des NADPHs benötigt wird (Sano et al., 1986).
5.3 Hämoxygenase und
Hämpool
Das intrazelluläre Häm und der Eisengehalt
spielen eine wichtige Rolle bei der Regulation vieler Zellfunktionen. Durch
Biosynthese (-Aminolävulinat-Synthase) und Degradation der Hämgruppe
durch die Hämoxygenase wird der intrazelluläre Häm-Level
aufrechterhalten und reguliert.
Abb.10: |
Intrazelluläre Lokalisation der Enzyme
und Zwischenstoffe der Hämbiosynthese und
Hämdegradation. |
Abbildung 10 veranschaulicht den Hämbiosyntheseweg
und die Regulation des Hämpools. Zu den limitierenden synthetischen
Enzymen gehören die -Aminolävulinat-Synthase (ALAS) und die Porphobilinogen
Desaminase. Beide Enzyme existieren in einer erythroiden und in einer nicht-erythroiden
Form. In nicht-erythroiden Zellen wie zum Beispiel in der Leber, spielt
die -Aminolävulinat-Synthase eine essentielle Rolle zur Aufrechterhaltung
des intrazellulären Häm-Levels. Große Mengen an Häm
seinerseits reprimieren die Synthese der nicht-erythroiden -Aminolävulinat-Synthase.
In erythroiden Zelltypen stimuliert ein Häm-Überschuß
die zelluläre Proliferation und Differenzierung und führt zu
einer Erhöhung des erythroiden ALAS mRNA Levels. Ebenfalls zeigt ein
hoher Häm-Gehalt in erythroiden Zellen eine Stimulierung der Globin
mRNA und folglich eine erhöhte Synthese von Hämoglobin. Neuere
Studien belegten, daß ein Eisen-bindendes Element in der 5'-untranslatierten
Region der erythroiden d-Aminolävulinat-Synthase lokalisiert ist.
So ist es möglich, daß das Gen durch den intrazellulären
Eisengehalt ebenfalls sinnvollerweise reguliert werden kann. Die regulatorische
Rolle der Hämgruppe auf die erythroide ALAS wurde detailliert von
Yamamoto et al. (Yamamoto et al., 1982) diskutiert.
6. Molekulare Charakterisierung
der Hämoxygenase 1
Die Isoformen der Hämoxygenase (HO-1 und HO-2)
sind zwar Produkte unterschiedlicher Gene, dennoch weisen sie eine Aminosäuren-Sequenzhomologie
von 40 % auf. Gleichwohl unterscheiden sich die beiden Isoformen im wesentlichen
durch die Induzierbarkeit der Isoform HO-1, die durch eine Vielzahl von
strukturell nicht verwandten, pharmakologischen und chemischen Agentien
sowie durch Hitzeschock und anderen Formen von zellulärem Streß
induzierbar ist.
6.1 Hämoxygenase Genstruktur
Die Klonierung der HO-1-cDNA der Ratte durch zwei
Arbeitsgruppen war der erste Schritt für die molekularbiologische
Untersuchung der Hämoxygenase 1 (Müller et al., 1987 und Shibahara
et al., 1989). Die klonierte cDNA kodiert für ein Protein von 32 kDa.
Die Kenntnis der cDNA führte zur Isolation des Hämoxygenase-Gens.
Das Gen organisiert sich in vier Intron- und fünf Exon-Regionen. Nachdem
Sequenzabschnitte der Ratten Hämoxygenase bekannt waren, konnte auch
die humane Hämoxygenase 1 kloniert werden. Der 5'-untranslatierte
Bereich dieser Gene beinhaltet eine Anzahl regulatorischer Regionen.
Die komplette Nukleotidsequenz der Ratten Hämoxygenase
Isoform 2 wurde 1994 von McCoubrey und Maines (1994) kloniert und beschrieben.
Das Gen setzt sich aus 12.563 bp und ebenfalls aus fünf Exons und
vier Introns zusammen. Die Hämoxygenase 2 kodiert für zwei Transkripte,
einem 1.3 und einem 1.9 kb Fragment. Der Längenunterschied der beiden
Transkripte ist die Folge differentiellen Spleißens und unterschiedlichen
Promotorgebrauches. Die Transkripte weisen lediglich in zwei Exonregionen
eine 50-70% Homologie mit der Hämoxygenase 1 auf. Die Häm-bindende
Domäne der Hämoxygenase 2 befindet sich im Exon 4. Das HO 2-Gen
ist nicht induzierbar, obwohl das Gen in den verschiedensten Geweben unterschiedlich
exprimiert wird und regulatorische Elemente in der Promotor-Region aufweist.
6.2 Induzierbarkeit der Hämoxygenase
1
Die HO-1 ist durch eine Vielzahl von Agentien induzierbar.
Die Induzierbarkeit des Gens dient höchstwahrscheinlich als Schutz
gegen oxidativen Streß bei Vorgängen wie z.B. Hitzeschock, Entzündungen,
UV-Licht und intensiver Bestrahlung des Retinalgewebes (Ewing & Maines,
1993 und Dwyer et al., 1995). Die Anwesenheit der HO-1 in dem Retinalgewebe
ist sehr gut dokumentiert (Abraham et al., 1987 und Ferrari et el., 1991),
allerdings ist eine physiologische Funktion des Enzyms in diesem Gewebe
nahezu unbekannt. Eine Theorie ist aus diesem Grund die Aktivierung der
HO-1 durch Licht-Exposition und freie Radikale des Retinalgewebes als Streß-induziertes
Enzym. Weitere Stoffe, die eine Aktivierung des Gens verursachen, sind
synthetische Metallporphyrine und Metallprotoporphyrine (z.B. Zinnporphyrine
und Zinnprotoporphyrine), sowie das eigene Substrat der HO-1, das Häm.
Nukleäre Run-Off Transkriptionsmessungen demonstrierten, daß
ein Ansteigen der HO-1 mRNA durch Hämin ein sichtbares Resultat einer
Aktivierung des HO-1-Gens ist (Lutton et al.,1993). Eine Aktivierung dieses
Gens beruht auf dem Anstieg der RNA-Polymerase II Aktivität. Als Beweismittel
diente die Inhibierbarkeit der DNA-abhängigen RNA-Polymerase II mit
a-Amanitin, dem Giftstoff des Knollenblätterpilzes. Dieses zyklische
Peptid aus sieben Aminosäuren wirkt inhibierend auf tierische RNA-Polymerasen
und somit inhibierend auf die RNA-Synthese. Die rasche Erhöhung der
HO-1-Aktivität konnte durch eine Inhibierung der Proteinbiosynthese
nicht unterbunden werden und legt die wichtige Rolle der transkriptionellen
Regulation der HO-1 Genexpression nahe.
Die Anschaltung der HO-1 ist ebenfalls beteiligt
an einer Anzahl offenbar nicht in Beziehung stehender, nicht verwandter
Umgebungs- und pharmakologischer Faktoren.
Einige dieser Agentien regulieren die HO-1 möglicherweise
durch Manipulation des intrazellulären Häm-Gehaltes. Es ist anzunehmen,
daß die Regulation der HO-1 durch die unterschiedlichsten Agentien
von Gewebe zu Gewebe verschieden ist. In einigen Experimenten konnte die
Anwesenheit von Transkriptionsfaktoren oder DNA-Bindungsstellen festgestellt
werden, obwohl putative Faktoren bisher noch nicht isoliert und charakterisiert
worden sind. Der aktuelle Stand der HO-1-Regulation ist in Tabelle 1 zusammengestellt.
Induktor |
putativer Mediator |
DNA-responsives Element |
Hitzeschock |
HSE (heat shock element) ? |
Hitzeschock-responsives Element (HRE) |
Häm / Metallporphyrine |
Häm responsiv ? |
Häm-responsives Element ? |
Metalle |
Metall-abhängiger Transkriptionsfaktor
? |
Metall-responsives Element |
UV-Licht / Phorbolester (TPA) |
Sauerstoff-Radikale / Trans-aktive
Faktoren ? |
regulatorisches Element / TPA-responsives
Element (AP-1) ? |
Liposaccharide (LPS) |
Interleukin-1 (IL-1) ? |
|
IL-1 |
Transkriptionsfaktor ? |
Responsives Element ? AP-1 ? |
IL-6 |
nuklearer Faktor an IL-6 responsives
Elemtent (human) |
IL-6 responsives Element (human) |
T3 |
TRs und TRAPs |
TRE ? |
TPA (mouse) |
AP-1 |
TPA-responsives Element |
Tabelle 1: |
Induktoren und Modulatoren der Hämoxygenase
1
Die Induktoren und Modulatoren der HO-1, mit
den aktuellen putativen Transkriptionsfaktoren und
ihren responsiven DNA-Elementen. |
Die Entdeckung dieser DNA-Bindungsregionen und
der Transkriptionsfaktoren in dem Hämoxygenase-Promotor ist für
das Verständnis des Mechanismus der HO Induktion und als Erklärung,
wie die Induktion als Antwort zum Stimulus erfolgt, von Bedeutung. Mit
Hilfe dieser Ergebnisse könnten Aussagen darüber getroffen werden,
ob es sich um direkte oder um sekundäre Effekte handelt, die eine
Stimulierung der Hämoxygenase zur Folge haben.
6.3 Hormonelle Regulation
Die Induzierbarkeit der Hämoxygenase durch Hormone
wurde eingehend von Bakken et al. bereits 1972 untersucht. Die Arbeitsgruppe
postulierte den Effekt verschiedener Hormone, wie z.B. Epinephrin und Glucagon,
auf die hepatische HO Aktivität. 3,5,3'-L-Triiodthyronin (T3) wirkt
aktivierend auf die hepatische Hämoxygenase (Smith & Drummond,
1982) und ALA-Synthase (Smith & Drummond, 1988) in einem Dosis- und
Zeit-abhängigen Verhältnis. In diesem Zusammenhang sind ebenfalls
die P450 Cytochrome induziert. Diese Aktivierung scheint stereospezifisch
zu sein, da die T3-Isoform 3,3',5'-Triiodthyronin nicht in der Lage ist,
induzierend auf diese Enzyme zu wirken, während das Thyroxin ein potenter
Induktor ist.
Die alleinige Darreichung von Retinsäure
hat keinen Effekt auf die HO-1, wobei die Säure erniedrigend auf die
Cytochrom P450-Enzyme wirkt und den zellulären Hämpool ausschöpft.
Wird die Retinsäure zusammen mit T3 dargereicht, erfolgt eine Stimulierung
der Hämoxygenase um mindestens 61 %, wobei der Hämgehalt unter
diesen Bedingungen nicht reprimiert wird (Smith & Drummond, 1991).
Ein interessanter Aspekt ist die Wirkung von
Prostaglandin (Deoxy-[Delta]9.12.-13,14-dihydroprostaglandin
D2 ([Delta]12-PDJ2)), der ein potenter
Induktor der zellulären Wachstumsinhibition (Ohno et al., 1986) und
Zelldifferenzierung (Santoro et al., 1979) in den verschiedensten Zell-Linien
ist. Der inhibitorische Effekt des [Delta]12-PDJ2
wird hervorgerufen durch die Induktion eines 68 kDa Proteins. Dieses Protein
wurde als ein Hitzeschock-Protein (HSP 68) identifiziert (Ohno et al.,
1988), das wahrscheinlich die Zelle auf die veränderten Bedingungen
"vorbereitet" und schützt. Dieser Aspekt lieferte erstmals die Möglichkeit
einer Zusammenarbeit von Hormonen und deren zelluläre Einwirkung und
die Einschaltung eines Streß-Proteins ohne Beteiligung ihrer spezifischen
Rezeptoren und DNA-Erkennungssequenzen. Weitere Untersuchungen dieses Phämonens
verifizierten, daß das [Delta]12-PDJ2 induzierend
auf ein niedermolekulares Protein wirkt, einem ca. 31 kDa Protein, das
als das Hitzeschock-Protein Hämoxygenase identifiziert werden konnte
(Koizumi et al., 1991 und Koizumi et al., 1992). Welche molekulare Funktion
die Hämoxygenase unter diesen Bedingungen hat, ist noch ungeklärt.
Möglicherweise ist die erhöhte Expression die Folge einer oxidativen
Veränderung in der Zelle, da das [Delta]12-PDJ2
mit Glutathion konjugiert (Entgiftungsweg) und damit die zellulären
Antioxidanten vermindert werden.
Metallporphyrine stellen in der Regel starke
Induktoren der HO-1 dar. Um so bemerkenswerter ist die Tatsache, daß
synthetische Glukocorticoide (z.B. Dexamethason) die einzigen bekannten
nicht-Metallporphyrine sind, die in der Lage sind, eine HO-1-Induktion
zu inhibieren (Lutton et al., 1992). Ein Kernbindungsprotein, daß
bei der Darreichung von Dexamethason verstärkt synthetisiert wird,
verhindert eine HO-1-Genaktivität. Dieses konnte durch DNAse Footprinting-
und DNA-Protein-Wechselwirkungsversuchen (electrophoretic mobility shift
assay, EMSA) gezeigt werden.
7. Hämoxygenase als
ein Streß-induziertes Protein
7.1 Akute-Phase-Proteine
Organismen, die Streß-Situationen ausgesetzt
werden, "antworten" häufig mit der Syntheseregulierung verschiedener
Proteinklassen, welche kollektiv die Streß-Situation verbessern sollen.
In vielen Fällen ist der exakte Mechanismus dieses Vorganges noch
nicht geklärt. Beispielsweise werden bei einer Entzündung während
der Akute-Phase-Antwort eine ganze Reihe von Akute-Phase-Proteine primär
in der Leber gebildet. Eine große Menge von Cytokinen werden bei
Entzündungsvorgängen freigesetzt und lösen eine Hochregulierung
via spezifischer Rezeptoren aus, die in der hepatischen Zellmembran lokalisiert
sind (Baumann & Gauldie, 1994 und Cosman, 1993). C-reaktive Proteine
und Serum Amyloid A, das häufigste humane Akute-Phase-Protein, ist
unter Normalbedindungen in geringsten Mengen im Plasma exprimiert, wird
aber bereits vier Stunden nach einem entzündlichen Stimulus induziert
und erreicht sein Maximum nach 24 bis 48 Stunden (Mackiewicz et al., 1993).
Andere Akute-Phase-Proteine wie z.B. a1-Glukoproteinsäure,
a1-Protease, a1-Antichymotrypsin, Haptoglobin und
Fibrinogen erreichen ihr Expressionsmaximum erst nach sieben bis zehn Tagen
(Tsuchiya et al., 1987).
Die HO-1 wird als eine Art "Akute-Phase-Protein"
betrachtet. Mitani et al. (1992) untersuchten den Effekt von Interleukin-6
(IL-6) auf die HO-1 in der humanen Hepatoma Zell-Linie Hep3B und beobachteten
ein Zeit/Dosis-abhängiges Verhältnis der HO-1 mRNA Induktion.
Die mRNA Induktion konnte durch die gleichzeitige Zugabe von Actinomycin
D, einem Inhibitor der Transkription, inhibiert werden. Folgende Feststellungen
vermittelten, daß die Induktion des HO-Gens über ein IL-6-responsives
Element vermittelt wird:
1. |
das IL-6 ist ein Induktor des HO-1-Gens, wirkt
aber wiederum nicht auf andere Hitzeschock-Proteine wie z.B.
HSP 70. Daher wird die Induktion nicht über das Hitzeschock-responsive
Element (HSE) vermittelt |
2. |
zwei Sequenzen in der Promotor-Region des humanen
HO-1-Gens zeigen eine signifikante Homologie mit dem
IL-6-responsiven Element, das in anderen Akute- Phase-Proteinen existent
ist (Kunz et al., 1989). |
Die Arbeitsgruppe um Akira et al. (1990) stellte
daraufhin die Hypothese auf, daß das IL-6 das humane HO-1-Gen in
gleicher Weise wie der Nukleare Faktor NF-IL-6, der an dem IL-1-responsiven
Element auf dem IL-6-Gen bindet, reguliert.
Cytokine und Lipopolysaccharide (LPS) sind in
der Lage, induzierend auf die HO-1 zu wirken. Von den LPS ist bekannt,
daß sie die Bildung mehrerer Cytokine induzieren (Martich et al.,
1991). Dieses läßt vermuten, daß die LPS eine indirekte
Induktion auf die HO-1 ausübten, nämlich über die Faktoren
IL-1 und TNF (Tumor Necrosis Faktor). Durch Mutationsanalysen konnte in
der humanen AP-1 HO-1-Bindungssequenz eine Aktivierung des HO-1-Gens und
eine Akkumulation der HO-1 mRNA durch LPS festgestellt werden (Camhi et
al., 1995). Die Forschergruppe um Cantoni et al. (1991) untersuchte ebenfalls
den Effekt von Glukocorticoiden auf die HO-1 Induktion durch IL-1 und TNF.
Das Ergebnis war, daß die Induktion der HO-1 durch IL-1 keine Anwesenheit
von Glukocorticoiden erfordert. Durch die Anwesenheit von synthetischen
Glukocorticoiden wurde der HO-1 mRNA Gehalt eher erniedrigt. Dieser Effekt
wurde als ein "Feed-Back"-Mechanismus von Cytokinen auf ihre eigene Synthese
(Butler et al., 1989) postuliert. Fukuda et al. (1993) zeigte in Leberzellen,
daß das IL-1 wie das IL-6 in einem Zeit/Dosis-abhängigen Verhältnis
in der Lage ist, die Hämoxygenase zu erhöhen. In der Leber agieren
Cytokine gleichzeitig als Induktoren von Akute-Phase-Proteinen und wirken
auf den Hypothalamus und erzeugen den Effekt einer febrilen "Antwort",
die über die Induktion von Prostaglandin E2 (Dinarello
et al., 1991) vermittelt wird. Der aus diesem Vorgang resultierende Anstieg
der Zelltemperatur hat zwei wichtige Auswirkungen:
1. |
eine Anschaltung der HO-1 durch Akute-Phase-Proteine
(Shibahara et al., 1987 und Taketani et al., 1988) und/oder |
2. |
eine Anschaltung der HO-1 über ihre Hitzeschock-Protein-Funktion. |
Die Rolle der HO-1 als ein Akute-Phase-Protein
ist noch nicht geklärt. Unter anderem wird das Enzym durch einen erhöhten
Gehalt an Sauerstoffradikalen induziert, die z.B. durch aktivierte Makrophagen
produziert werden.
Die HO-1 (HSP 32) ist ein Hitzeschock-Protein
und damit ein Streßprotein, daß unter anderem durch oxidative
Schädigungen der Zelle induziert wird (Keyse & Tyrrell, 1989 und
Nascimento et al., 1993). Durch die gesteigerte Synthese der HO-1 wird
die Anpassung der Zelle an veränderte Situationen ermöglicht.
7.2 Ein oxidatives Streß-Protein
Der Zusammenhang zwischen oxidativen Veränderungen
(Streß) und der Anschaltung der Hämoxygenase 1 basiert auf der
Hypothese, daß eine Induktion des Enzyms die Balance von Antioxidanten
und Pro-Oxidanten in der Zelle ausgleicht und erhält. Zum Teil wird
dieser Schutzmechanismus durch die Produktion der Antioxidanten der Galle,
Biliverdin und Bilirubin, erzeugt. Allerdings ist die komplexe Interaktion
während oxidativem Streß und Zellantwort sowie die Rolle der
Hämoxygenase-Induktion noch wenig bekannt.
Ein klarer Zusammenhang zwischen dem antioxidativen
Glutathion-Gehalt (GSH) und der Hämoxygenase-Induktion konnte in kultivierten
Ratten-Fibroblasten (Ketterer et al., 1988) festgestellt werden. Bei einer
Zellexposition durch Streßagentien wie z.B. Häm oder Wasserstoffperoxid
erfolgt eine Verminderung des zellulären GSH-Gehaltes. Diese Verminderung
des Antioxidanten wird durch eine Inhibierung der HO-1-Aktivität noch
erhöht. Lautier et al. (1992) zeigten unter Verwendung des Glutathion-Inhibitorstoffes
D,L-Buthionin-S,R-sulfoxin ein komplettes Aufbrauchen des
intrazellulären GSH-Gehaltes und einen daraus resultierenden Anstieg
der HO-1.
Wenn die HO-1 induziert ist, wird der zelluläre
Häm-Gehalt herabgesetzt, während der Gehalt an Eisen, Kohlenmonoxid
und des Antioxidanten Bilirubin ansteigt. Von physiologischer Relevanz
sind unter diesen Bedingungen das Biliverdin und das Bilirubin, die in
der Lage sind, mit hoher Effizienz Peroxyl-Radikale einzufangen (Dennery
et al., 1995). Die beiden Stoffe der Galle sind unter anderem potente "Einfänger"
von singulärem Sauerstoff, und das Bilirubin kann Superoxid-Anionen
neutralisieren und schützt somit viele Substrate vor Peroxidation
bei der Anwesenheit von Wasserstoffperoxid oder organischen Hydroperoxiden.
Diese beiden Stoffe der Galle sind in der Lage, eine extrazelluläre
Darreichung von Perchlorsäure einzufangen und zu neutralisieren, und
sie agieren als Synergisten des a-Tocopherols (Vitamin E), das Zellmembranen
vor Peroxidationen schützt (Stocker et al., 1990). Neuzil & Stocker
(1993) beschrieben das an den Plasma-Transporter Albumin gebundene Bilirubin
kann durch Hydroperoxide oder Superoxid-Anionen oxidiert werden und schützt
somit das Transporter-Protein vor einer oxidativen Beschädigung. Bilirubin
muß möglicherweise erst an Albumin binden, um als Antioxidant
wirksam zu sein. Die Arbeitsgruppe um Wu et al. (1991) publizierte, daß
in humanen ventrikulären Myozyten ein an Albumin gebundenes Bilirubin
diese Zelle gegen Sauerstoff-Radikale zu schützen vermag, während
unkonjugiertes Bilirubin und andere Antioxidanten wie das Ascorbat, die
Superoxid-Dismutase und die Katalase keinen Schutz für die Zelle verschaffen.
In der Literatur wird freies Häm häufig
als ein Pro-Oxidant der Zelle beschrieben, der das Gleichwicht zwischen
Oxidanten und Antioxidanten stört. Allerdings ist das Häm selbst
nicht das zytotoxische Produkt, sondern die katabolischen Degradationsprodukte
Eisen (Fe2+ ) und Kohlenmonoxid (Balla et al., 1993). Das freigesetzte
Eisen selbst scheint der Pro-Oxidant des Häms zu sein und ist verantwortlich
für die oxidative Aktivierung vieler verschiedener Moleküle.
Die Toxizität des Eisens ergibt sich aus seiner katalytischen Fähigkeit,
in der Zelle Sauerstoffradikale anzureichern.
Abb.11: |
Entstehung von Radikalen durch UV-Licht und
zweiwertiger Metalle
Hydroperoxide werden leicht durch Licht (Reaktion
1) sowie durch Metall-Ionen gespalten. Die Reaktionen
2 und 3 bilden einen katalytischen Zyklus, so daß sehr kleine Spurenvon
Eisen, Kobalt und Kupfer viele Kettenreaktionen
einleiten können. |
Dies ist vermutlich der Grund, weshalb bei einer
induzierten HO-1 gleichzeitig die Synthese von Ferritin erhöht ist,
um das Eisen durch Speicherung zu entfernen. Das Ferritin ist ein intrazelluläres
Protein, das in der Lage ist, 4500 Eisen-Ionen in einer Fe-O-OH-Form zu
speichern. Ist das Eisen erst einmal in dem Ferritin verankert, so ist
es unfähig, ins Zytoplasma zu akkumulieren und dort als Oxidant zu
wirken. Das Ferritin-Gen wird transkriptionell durch eine Veränderung
des intrazellulären Eisen-Gehaltes via eines Eisen-responsiven Elementes
reguliert (Hentze et al., 1987).
Die Arbeitsgruppe Balla et al. (1992) konnte
in Endothelzellen innerhalb einer vierstündigen Häm-vermittelten
HO-1 Induktion eine erhöhte Produktion des Ferritins feststellen.
Während der ersten Stunde der Hämexposition zeigten sich die
Endothelzellen gegenüber oxidativen Schädigungen äußerst
sensibel; mit zunehmender Induktionszeit nahm diese Sensibilität ab.
Die Zellen schienen vor oxidativen Einflüssen geschützt zu sein.
8. Pathophysiologie der Hämoxygenase
Seit das Enzym 1960 erstmals identifiziert wurde,
konnte bei einer Anzahl von pathologischen Bedingungen eine Veränderung
der HO-1-Aktivität beobachtet werden. Vor kurzer Zeit wurden erste
Theorien zum molekularen Mechanismus der HO-1-Regulation aufgestellt. Die
Kaskade der intrazellulären Veränderungen, welche bei einer aktivierten
HO beteiligt sind, liefert ein Bild von der regulatorischen Rolle des Enzyms.
Die HO-1 wird in vielen Geweben und Zelltypen in vivo und in
vitro von Hämoglobin und Hämin induziert. Bei einer Induktion
der HO-1 wird wahrscheinlich die Menge des Hämoglobins (Hämgehalt)
dieser Gewebe minimiert und verringern somit die Gefahr der Toxizität
und Beschädigung des Gewebes. Eine induzierte HO-1 wird gefolgt von
einem Anstieg an freiem Eisen, Kohlenmonoxid und Bilirubin. Alle diese
Stoffe sind wichtige Mediatoren bei etwaigen Zell-Beschädigungen.
Die ansteigende Eisenkonzentration ist der Grund für eine Erhöhung
der Ferritin-Expression und Ferritin-Synthese, welche die Speicherform
des Eisens sowie einen starken Oxidanten für Zellen darstellt (Paller
& Jacob, 1993).
Bilirubin und Biliverdin sind in vivo
und in vitro starke, zelluläre, antioxidative Agentien (Stocker
et al., 1987). Ein Ansteigen lokaler Antioxidanten-Konzentrationen auf
Grund einer HO-1-Induktion dient als Schutz der Zellen gegen oxidative
Schädigungen (z.B.: Induktion der HO-1 durch UV-Licht in der Retina)
(Kutty et al., 1995).
Das Nebenprodukt der Hämdegradation, Kohlenmonoxid,
ist genauso wie Stickstoffmonoxid ein bedeutender Modulator endothelialer
Zellfunktionen. Kohlenmonoxid ist ein sehr effektiver Vasodilatator, der
den vaskulären Zellwiderstand erniedrigt und somit eine gesteigerte
Durchblutung des Gewebes erzeugt. Zusammen mit dem Stickstoffmonoxid wirken
diese beiden Agentien dem blutgefäßverengenden Vermögen
des Hämoglobins und des Häms entgegen (Verma et al.,1993).
8.1 Kohlenmonoxid und Stickstoffmonoxid
als "Bote" (messenger)
Für Stickstoffmonoxid (NO) und für Kohlenmonoxid
(CO) ist bekannt, daß sie die Guanylat-Zyklase aktivieren (Maines
et al., 1993), um ansteigende Mengen des "zweiten Botenstoffes" (second
messengers) cGMP zu produzieren.
Bei dem Kohlenmonoxid kann eine verstärkte
Vasodilation mehrerer arterieller Gewebe und ein Ansteigen des Kaliumumsatzes
im glatten Muskelgewebe beobachtet werden (Takeda et al., 1994). Diese
sowie neuere Untersuchungen lassen darauf schließen, daß es
sich bei dem Kohlenmonoxid um einen weiteren neuentdeckten Transmitter
handelt.
In neuralen Geweben werden die Nervenimpulse
an Synapsen durch chemische Neurotransmitter übertragen, wie z.B.
durch das Acetylcholin. Zelluläre Transmitter sind chemische Botenstoffe
in Geweben und Zellen (z.B. Stickstoffmonoxid und Kohlenmonoxid). Mit Hilfe
dieser Transmitter erfolgen Signaltransduktionswege für die Regulation
von Zellfunktionen und Zellkommunikation (Maines et al., 1993 und Takeda
et al., 1994).
8.2 Hypoxie
Unter Hypoxie wird die Herabsetzung des Sauerstoffgehaltes
in Geweben verstanden. Durch eine mangelhafte Sauerstoffversorgung, wie
z.B. bei respiratorischer Insuffizienz, erfolgt eine Erniedrigung des arteriellen
Sauerstoffpartialdruckes. Unter hypoxischen Bedingungen wird die HO-1 induziert,
wobei der molekulare Mechanismus dieser Induktion noch völlig unbekannt
ist. Als Grundlage des Regulationsweges wird die Zellschädigung durch
den Mangel an Sauerstoff angenommen und die dadurch verbundene Ausschüttung
von freien Radikalen. Die durch die Radikale erzeugte Veränderung
des Zellzustandes bewirkt eine Anschaltung des zellulären Schutzsystemes
und damit die Anschaltung der HO-1.
Die Hypoxie wirkt verstärkend auf Herzerkrankungen
durch eine Drucküberladung im rechtem Herzventrikel. Katayose et al.
(1993) konnte eine Induktion der HO-1 mRNA in beiden Herzventrikeln unter
hypoxischen Bedingungen feststellen. Die Anschaltung der HO-1 in diesem
kardialen Gewebe bildet möglicherweise einen Schutzmechanismus, da
eine erhöhte HO-1-Aktivität eine erhöhte Kohlenmonoxidproduktion
zur Folge hat, was koronare und arterielle Muskelgewebe relaxieren läßt
(Maines et al., 1993) und damit die Bedingungen des Herzens unter Hypoxie
durch eine Aufweitung der Arterien wesentlich verbessert.