Signaltransduktion von NAADP im Skelettmuskel

Die zytoplasmatischen Kalziumspiegel werden stringent durch Signalbotenstoffe wie Inositoltrisphosphat (InSP 3 ) and Diazylglyzerol reguliert. In rezenten Experimenten konnten, ausgehend von Homogenaten der Seeigeleier, zwei neue Botenstoffe identifiziert werden, die ebenfalls in der. Lage sind Ca2+ freizusetzen, zyklische ADP-ribose und Nikotinsäure Adenindinukleotidphosphat, NAADP. Die Kalziumfreisetzung erfolgt aus unterschiedliche Kalziumspeichern. Es ist derzeit nicht klar, über welche Signalkaskaden diese beiden Botenstoffe in Eukaryonten generiert werden und über welche Mechanismen sie zur raschen Freisetzung von Kalzium führen. Zwei intrazelluläre Kalziumkanäle sind bisher genau untersucht und kommen als Kandidaten in Frage, der InSP 3 - Rezeptor und der Ryanodinezeptor. Präliminäre Experimente aus unserem Labor zeigen, dass eine ADP-Ribosylzyklase, jenes Enzym, das NAADP synthetisiert, im sarkoplasmatischen Retikulum des Skelettmuskels angereicht wird und kalziumabhängig reguliert wird. Darüber hinaus liegt experimentelle Evidenz vor, dass NAADP aus diesen Membranfraktionen ryanodinsensitiv Kalzium freisetzen kann. Das Ziel des vorliegenden Projektes ist es, die Mechanismen zu untersuchen, die zur Synthese von NAADP führen und in weiterer Folge intrazelluläre Kalziumsignalle evozieren. Diese Untersuchungen sollen folgende Punkte umfassen: (i) Reinigung der ADP-ribosylzyklase, Beschreibung deren Enzymkinetik und Substratspezifität (ii) Identifizierung der übergeordneten Signale, die zur Aktivierung der ADP-Ribosylzyklase führen (iii) Charakterisierung der Mechanismen, die zur NAADP-induzierten Kalziumfreisetzung im Skelettmuskel führen Die auf diese Weise gewonnenen Erkenntnisse sollen das Verständnis der Regulation der Exzitations-Kontraktions- Kopplung wesentlich erweitern. Es ist denkbar, dass Erkrankungen auf dem Gebiet des Skelettmuskels, die auch die Excitations-Kontraktionskopplung inkludieren, durch die pharrnakologische Regulation der ADP- Ribosylzyklase positiv beeinflusst werden können.

Intrazelluläre Kalziumspiegel regulieren in allen Zelltypen von Einzellern bis zu Säugetierzellen so essentielle Vorgänge wie Befruchtung, Neurotransmitter- und Hormonfreisetzung und Muskelkontraktion. Die beiden neuen Botenstoffe zyklische ADP-ribose (cADPr) und Nikotinsäure Adenindinukleotidphosphat, NAADP können Ca2+ freisetzen, was zuerst in Seeigeleiern gezeigt wurde und nun auf das gesamte Tierreich ausgedehnt werden konnte. Obwohl der Mechanismus der Synthese von cADPr und NAADP durch die Familie der ADP-ribosylzyklasen prinzipiell klar ist, ist vollkommen unklar welche Rezeptoren und damit Signalkaskaden dieses Enzym ansteuern. Darüber hinaus gibt es noch keine Identifikation jenes Ionenkanals, der durch NAADP Ca2+ freisetzt. Im vorliegenden Forschungsprojekt konnte nun erstmals im Skelettmuskel gezeigt werden, dass NAADP den gereinigten Ryanodinrezeptor, einen intrazellulären Ca2+ Kanal, aktiviert. Die Bedeutung dieses Befund wird dadurch unterstrichen, dass das NAADP synthetisierende Enzym, die ADP-ribosylzyklase, in jenen Zellkompartimenten angereichert ist, die auch den Ryanodinrezeptor tragen. Diese entsprechen dem Ca2+ speichernden sarkoplasmatischen Retikulum. Die ADP-ribosylzyklase des Skelettmuskels wurde enzymkinetisch exakt charakterisiert und konnte pharmakologisch von den bisher bekannten Isoformen abgegrenzt werden. Zudem ist es gelungen einen neuen enzymatischen Regulationsmechanismus für das Co-substrat Nikotinsäure zu beschreiben. Das sarkoplasmatische Retikulum stellt jenen Ca2+ Speicher dar, der über den Ryanodinrezeptor essentiell die Muskelkontraktion im Herz- und Skelettmuskel reguliert. An diesem System sind eine Reihe von genetisch- und degenerativ-bedingten Erkrankungen bekannt. Es ist nun Aufgabe von zukünftigen Projekten abzuklären, welche Bedeutung dieser neue Signalweg für die Muskelkontraktion unter physischer Leistung oder bei Muskelerkrankungen hat. Solche Studien können in Zukunft die Basis für neue therapeutische Interventionen sein.