Mechanismus Erythropoietin-abhängiger Frataxin-Erhöhung

Friedreich-Ataxie (FRDA) ist die häufigste vererbte Form von Ataxie mit einer Inzidenz von 1:50.000 Geburten in Europa. Klinisch manifestiert sich die Erkrankung durch verschiedene Symptome wie progressive spinocerebelläre Ataxie, Diabetes mellitus und hypertrophe Kardiomyopathie. FRDA wird durch Expansion eines GAA-Tripletts im ersten Intron des Frataxin-Gens verursacht, was zu einer reduzierten Expression von Frataxin, einem kleinen mitochondrialem Protein, führt. Frataxin spielt eine Rolle in der mitochondrialen Eisen-Homöostase und/oder beim Aufbau von Eisen-Schwefel (FeS) Proteinen und der Häm-Synthese. Intramitochondriale Eisenakkumulation bei FRDA führt zu oxidativem Stress und schließlich zum Zelltod. Eine wirksame medikamentöse Therapie existiert derzeit noch nicht. Da die Krankheit oxidativen Stress auslöst, liegt der Gedanke einer Therapie mit Antioxidantien und Eisenchelatoren nahe. Eine gewisse Stimulation der Frataxin Produktion durch exogene Substanzen konnte beobachtet werden, die Co-Antragstellerin zeigte jedoch kürzlich, dass rekombinantes humanes Erythropoietin (rhuEPO) signifikant die Frataxin Expression erhöht und klinische Studien die Wirksamkeit dieser Behandlung bestätigten. Der Mechanismus dieser rhuEPO-induzierten Frataxin Expression ist jedoch unklar. Durch unsere neuesten Forschungsergebnisse konnte allerdings gezeigt werden, dass der MID1/Alpha4 Proteinkomplex mRNAs mit G-Quartettstrukturen bindet und deren Translation erhöht. Da die Frataxin mRNA mehrere G-Quartette enthält, nehmen wir an, dass diese rhuEPO-induzierte Erhöhung auf einer verstärkten Translationseffizienz basiert. Dies wird von Berichten unterstützt, die zeigen, dass die rhuEPO-abhängige Frataxin-Erhöhung nicht auf gesteigerter mRNA-Menge basiert. Zusätzlich gibt es mehrere Berichte, die rhuEPO mit Translationsregulation verknüpfen, auffallenderweise zeigt einer eine mehrfach erhöhte rhuEPO-abhängige Translation von Alpha4, welches ein wichtiger Effektor des translationalen Hauptregulators mTOR ist. Alpha4 reduziert die Aktivität der Phosphatase 2A gegenüber den translationalen Schlüsselregulatoren und mTOR-Substraten S6-Kinase und 4E-BP1 und verstärkt dadurch die mTOR abhängige Translation. Daher soll der rhuEPO-Effekt auf die Produktion FRDA- relevanter Proteine (Frataxin, Ferritin, ...) durch Untersuchung von Polysomen-assoziierten mRNAs +/- rhuEPO in FDRA Zellen und durch Analyse der Rolle von MID1/Alpha4 aufgeklärt werden. Nachdem wir in ersten Vorexperimenten bereits eine Assoziation von Frataxin mRNA an den MID1 Komplex und einen Einfluß von MID1/alpha4 auf die Frataxinmenge beobachten konnten, soll nun eine genaue Analyse dieser Effekte erfolgen. Die Aufklärung des Mechanismus des klinisch beobachteten positiven Effekts von rhuEPO durch unseren "from bedside back to bench" Ansatz sollte schließlich zur verbesserten Behandlung von FRDA Patienten führen.

Friedreichs Ataxie (FRDA) ist eine vererbte progrediente Bewegungsstörung die zu frühzeitigem Tod führt, weil das mitochondriale Protein Frataxin in zu geringer Menge vorhanden ist. Eine Behandlung der Patienten mit dem Hormon Erythropoietin kann zu einer Verbesserung der Symptome führen und zwar durch eine Erhöhung des Frataxin. Dieses Projekt beschäftigt sich mit den Mechanismen, die dieser Erythropoietin-abhängigen Erhöhung des Frataxinproteins in den FRDA Patienten zugrunde liegen. Eine mögliche Arbeitshypothese basiert darauf, dass der Erythropoietin-abhängige Anstieg des Frataxins durch verstärkte Produktion bedingt ist und dass ein sogenanntes Alpha4 Protein, welches an der Proteinproduktion beteiligt ist, durch Erythropoietin induziert wird. Es zeigte sich, dass eine Reduktion des Alpha4 Proteins oder seines direkten Bindungspartners des MID1 Proteins, zu einer Reduktion der Frataxin-Menge führt und dass die Frataxin mRNA an MID1 bindet. Das führte zur Hypothese, dass die beiden Proteine MID1 und Alpha4 die Erythropoietin-abhängige Steigerung der Frataxinproduktion vorantreiben. Wir wollten daher die genauen Bindungsstellen auf mRNAs identifizieren die diese Assoziation mit MID1/Alpha4 ermöglichen, um zu verstehen, wie die gezielte Produktion von bestimmten Proteinen gesteuert wird. Es ist uns gelungen mehrere Strukturelemente auf mRNAs zu identifizieren, die MID1/Alpha4 binden können und fanden eine sehr prominente Gruppe von Proteinen deren mRNAs genau solche Strukturen aufweisen. Zwei davon sind besonders zu erwähnen, nämlich ein mutiertes Protein, welches ursächlich ist für eine andere neurodegenerative Erkrankung, die Chorea Huntington, sowie den Androgenrezeptor einer der wichtigsten Faktoren bei der Entstehung und Progression von Prostatakrebs. Wir konnten zeigen, dass die Produktion dieser Proteine von der Bindung von MID1/Alpha4 an ihre mRNA abhängig ist und dass erhöhte Mengen von MID1/Alpha4 zu einer massiven Produktion dieser Krankheits-auslösenden Proteine führen. Das ist eine besonders wichtige Erkenntnis, weil die Mengen dieser Proteine direkt mit der Schwere der entsprechenden Erkrankungen korrelieren. Dies legt nahe, dass Substanzen, die MID1/Alpha4 inhibieren können, vielversprechende Medikamente sein könnten, um diese Erkrankungen zu behandeln. Allerdings konnten wir im Zuge dieser Untersuchungen weder entsprechend ähnlich starke Bindungsmotive auf der Frataxin mRNA finden noch konnte die ursprüngliche Arbeitshypothese bezüglich Frataxin bestätigt werden. Um eine breitere Basis zur weiteren Erforschung des Mechanismus zu generieren, haben wir den MID1/Alpha4 Komplex weiter im Detail studiert und dabei sowohl neue Komponenten als auch Modulatoren gefunden. Einer davon stellte sich sogar als ein vielversprechender Kandidat zur Behandlung einer anderen neurodegenerativen Erkrankung nämlich Alzheimer heraus. Außerdem ist es uns gelungen Hautzellen von FRDA Patienten mit neuesten Methoden zu Zelltypen umzuprogrammieren, die bei dieser Erkrankung besonders betroffen sind. Das eröffnet nun die Möglichkeit die Krankheitsmechanismen in den relevanten Zelltypen zu erforschen, was sicher zu interessanten Folgeprojekten führen wird.