Regulation der Pteridinsynthese durch bakterielle Produkte

Stickstoffmonoxid (NO) hat bedeutende physiologische Rollen als Botenstoff im Nervensystem, bei der Regulation des Blutdrucks sowie bei der Immunabwehr. Ein wesentliches Molekül, das für die Synthese von NO essentiell ist, ist der Cofaktor Tetrahydrobiopterin. Die Bildung dieses Cofaktors wird durch verschiedene Signalstoffe, die im Rahmen der Immunantwort gebildet werden (Cytokine), sowie durch Bestandteile der Zellwände verschiedener Bakterien reguliert. Ein weiterer Regulator der Tetrahydrobiopterin Bildung ist GFRP (GTP Cyclohydrolase I feedback regulatory protein), das die Hemmung der Tetrahydrobiopterin Bildung durch das Endprodukt Tetrahydrobiopterin sowie die Stimulation der Tetrahydrobiopterin Bildung durch die Aminosäure Phenylalanin steuert. Dadurch ist gewährleistet, daß im Organismus nicht überschüssiges Tetrahydrobiopterin gebildet wird bzw. daß, falls Phenylalanin in hohen Konzentrationen vorhanden ist, die zum Abbau dieser Aminosäure nötige Tetrahydrobiopterin-abhängige Umwandlung von Phenylalanin in Tyrosin erfolgen kann. In vorangegangenen Arbeiten fanden wir, daß die Expression dieses Regulatorproteins GFRP in Monozyten und Endothelzellen durch bakterielle Zellwandbestandteile (Lipopolysaccharid, LPS) stark vermindert wird und daß dadurch in diesen Zellen die GFRP-vermittelte Regulation der Pteridin-Bildung aufgehoben ist. Im vorliegenden Projekt wollen wir herausfinden, welche anderen bakteriellen Substanzen und Cytokine in der Lage sind, die GFRP Expression zu regulieren, welche Rezeptoren und Signalwege daran beteiligt sind, und inwiefern sich die Aufhebung der Regulation der Tetrahydrobiopterin Bildung durch GFRP auf die Bildung von NO in verschiedenen Zelltypen (Zellen der Haut (Fibroblasten), der Blutgefässe (Endothelzellen), sowie des Immunsystems (Monozyten/Makrophagen)) auswirkt. Vorallem im Zusammenhang mit Sepsis, einer durch Bakterien hervorgerufenen Überschußreaktion des Immunsystems mit häufig tödlichem Ausgang, die unter anderem durch die Bildung von zu viel und daher dann schädlichem NO gekennzeichnet ist, ist das Verständnis der Regulation der Tetrahydrobiopterinbildung besonders wichtig. Es wäre vorstellbar, daß diese bei Sepsis und ähnlichen Zuständen unkontrollierte NO Bildung durch unkontrollierte Bildung von Tetrahydrobiopterin noch weiter gefördert wird.

Stickstoffmonoxid (NO) ist ein wichtiges Signalmolekül für die Nervenreizleitung, die Regulation des Blutdrucks sowie die Immunantwort. Ein essentieller Kofaktor für die NO Bildung ist Tetrahydrobiopterin. Die Synthese dieses Kofaktors wird durch eine Reihe von Zytokinen, die während der Immunantwort gebildet werden, sowie durch bakterielle Zellwandprodukte, die bei Infektionen von Bedeutung sind, reguliert. Diese Faktoren beeinflussen vor allem GTP Cyclohydrolase I, das erste und geschwindigkeits-bestimmende Enzym der Tetrahydrobiopterin Biosynthese. GTP Cyclohydrolase I, welche als Dekamer identischer Untereinheiten aktiv ist, wird durch Tetrahydrobiopterin gehemmt und durch die Aminosäure Phenylalanin stimuliert. Dies wird durch ein Protein, nämlich GFRP (GTP Cyclohydrolase I Feedback Regulatorprotein) vermittelt. Dieser Kontrollmechanismus verhindert die Überproduktion von Tetryhydrobiopterin und sichert die ausreichende Bildung von Tetrahydrobiopterin zum Umbau von Phenylalanin in Tyrosin, einer wichtigen Vorstufe bei der Neurotransmitter- Bildung. Im vorliegenden Projekt charakterisierten wir die durch GFRP vermittelte Regulation der GTP Cyclohydrolase I in Endothelzellen und fanden, dass bei niedrigen intrazellulären Tetrahydrobiopterin Spiegeln, parallel zur GFRP-vermittelten Hemmung bzw. Stimulierung der GTP Cyclohydrolase I auch die Aktivität der endothelialen NO Synthase (eNOS) beeinflusst wurde. Dieser Effekt konnte bei hohen intrazellulären Tetrahydrobiopterin-Spiegeln nicht beobachtet werden, da die eNOS dann mit ihrem Kofaktor gesättigt ist. Studien mit verschiedenen Antioxidantien zeigten, dass Im Gegensatz zu Ascorbinsäure, welche vor allem über eine verbesserte Verfügbarkeit von Tetrahydrobiopterin wirkt, alpha-Tocopherol auch einen direkten Effekt auf eNOS hatte, nämlich eine Aktivierung über die Phosphorylierung von Serin 1177. Menschliche Monozyten bilden nur sehr wenig Tetrahydrobiopterin, was, wie wir zeigen konnten, auf das Überspringen von Exon 3 im zweiten Enzym der Tetrahydrobiopterin Biosynthese, der 6-Pyruvoyltetrahydropterin Synthase, zurückzuführen ist und in Endothelzellen nur in geringem Maß auftritt. Wie bereits früher gezeigt, kommt auch GTP Cyclohydrolase I in verschiedenen Varianten mit unterschiedlichen C-Termini vor. Koexpression von Wildtyp-Enzym und seinen inaktiven Varianten zeigte, dass diese Varianten in das Dekamer eingebaut werden und dadurch die Aktivität der GTP Cyclohydrolase I reduzieren. Zusammenfassend haben wir Mechanismen studiert, die die Verfügbarkeit von Tetrahydrobiopterin beeinflussen, die für eine optimale Funktion der NO Synthase essentiell ist. Unsere Befunde tragen zum generellen Verständnis eines Stoffwechselweges bei, der von genereller Bedeutung für Immun- und Endothelfunktion ist.