Mechanismus der UCP-Aktivierung durch reaktive Aldehyde

Freie Radikale (ROS) spielen eine Schlüsselrolle in der Pathogenese kardiovaskulärer und neurodegenerativer Krankheiten, von Diabetes, Fettsucht, und Entzündung. Verständnis des Wirkungsmechanismus von ROS ist entscheidend für die Entwicklung effizienter therapeutischer Strategien bei der Krankheitsbehandlung. Da Entkopplerproteine (UCP) Protonen durch die innere mitochondriale Membran transportieren und dabei das Transmembranpotential reduzieren, wird angenommen, dass sie in der Regulation von ROS involviert sind. Andererseits, werden die Entkopplerproteine über negative Rückkopplung durch ROS reguliert. Ausgehend von unserem jüngsten Befund, dass reaktives Aldehyd 4-hydroxy-2-nonenal (HNE) UCP1 aktiviert, untersuchen wir die Mechanismen dieser Protein-Aktivierung im aktuellen Projekt. Wir prüfen zwei relevante Haupthypothesen: (i) reaktive Aldehyde beeinflussen biophysikalische Parameter der Lipidmembranen (z.B. Membranfluidität, Dipol- oder Oberflächenpotential) und potenzieren dabei den Fettsäuretransport und/oder (ii) HNE-Bindung zum Protein führt zur Formierung eines transienten Protonkanals infolge einer Konformationsänderung des Proteins. Wir verwenden zwei unterschiedliche experimentelle Systeme, die einander ergänzen sollten: künstliche Lipiddoppelschichten mit rekonstituierten Entkopplerproteinen (UCP1 und UCP2) und primäre neuronale Zellkulturen. Wir untersuchen den Effekt anderer biologisch wichtiger reaktiver Aldehyde, wie Malondialdehyd, 4- oxo-2-Nonenal und 4-oxo-2-Hexenal auf die Transportfunktion des Proteins und evaluieren die möglichen Wirkungsmechanismen. Die zu gewinnende Ergebnisse bilden eine Grundlage für die Erklärung des Mechanismus der kontrovers diskutierten Regulation von durch reaktive Aldehyde, dessen Kenntnis eine wichtige Voraussetzung für krankheitsrelevantes Drug-Design darstellt.

Freie Radikale (ROS) spielen eine Schlüsselrolle in der Pathogenese kardiovaskulärer und neurodegenerativer Krankheiten, von Diabetes, von Fettsucht, und von Entzündungen. Verständnis des Wirkungsmechanismus von ROS ist entscheidend für die Entwicklung effizienter therapeutischer Strategien bei der Behandlung dieser Krankheiten. Die Entkopplerproteine (UCP) transportieren Protonen durch die innere mitochondriale Membran und reduzieren dabei das Transmembranpotential. Deswegen wird angenommen, dass sie in der Regulation von ROS involviert und über negative Rückkopplung durch ROS reguliert sind. Entkopplerproteine werden auch als wichtige Player im Zellmetabolismus diskutiert. Im aktuellen Projekt untersuchten wir die Mechanismen der Protein-Aktivierung durch biologisch wichtige reaktive Aldehyde Hydroxynonenal (HNE) und Oxononenal (ONE). Wir verwendeten zwei unterschiedliche experimentelle Systeme, die einander ergänzten: (1) künstliche Lipiddoppelschichten mit eingebauten Entkopplerproteinen (UCP1 und UCP2) und (2) UCP2-exprimierende Neuroblastoma-Zellen. Wir haben entdeckt, dass HNE und ONE verschiedene Addukte mit dem wichtigen mitochondrialen Membranlipid Phosphatidylethanolamin bilden. Dabei beeinflussen sie die biophysikalischen Parameter der Lipidmembranen wie Membranfluidität, Oberflächenpotential und das laterale Druckprofil. Diese Veränderungen sind für die Erhöhung der fettsäure-vermittelten Aktivität der UCP von ausschlagender Bedeutung. Die Formierung eines transienten Protonkanals infolge einer Konformationsänderung des Proteins wurde ausgeschlossen. Die im Rahmen des Projektes gewonnenen Ergebnisse sind bahnbrechend für das Verständnis der Rolle der Lipide und Lipidderivate, die infolge des Sauerstoffstresses entstehen. Sie bilden die Grundlage für die mechanistische Erklärung der kontrovers diskutierten Protein-Regulation durch reaktive Aldehyde. Diese Erkenntnis ist eine wichtige Voraussetzung für krankheitsbezogenes Drug-Design.