Gezielte Oxidation steuert Zellfunktionen

HEIDELBERG. Wasserstoffperoxid ist nicht nur ein Stoffwechselprodukt, das Zellbestandteile durch Oxidation schädigen kann.

Wissenschaftler fanden heraus, wie das kleine Molekül in der Zelle auch gezielt Signale überträgt: Bestimmte Enzyme (Peroxiredoxine) fangen freies Wasserstoffperoxid ab und nutzen es, um damit andere Proteine zu oxidieren, wie das Deutsche Krebsforschungszentrum mitteilt.

Auf diese Weise reguliert Wasserstoffperoxid etwa die Aktivität eines entzündungsfördernden Transkriptionsfaktors und steuert damit wichtige Zellfunktionen (Nature Chemical Biology 2015, 11: 64-70).

Wasserstoffperoxid entstehe im Körper, unter anderem als Stoffwechselprodukt der Zellatmung, wird in der Mitteilung erläutert. Es zählt zur Gruppe der reaktiven Sauerstoffspezies (engl. reactive oxygen species, ROS), die im Ruf stehen, Zellen und deren Bestandteile zu schädigen.

So sollen sie für die Entstehung von Krebs, degenerativen Krankheiten und sogar für das Altern mitverantwortlich sein. Körperzellen enthalten große Mengen von Wasserstoffperoxidabbauenden Enzymen, sogenannte Peroxiredoxine - als Schutz gegen das vermeintlich gefährliche Wasserstoffperoxid, so wurde bislang vermutet.

Doch dann stellte sich heraus, dass Wasserstoffperoxid oft gar kein unerwünschtes Nebenprodukt, sondern ein Botenstoff ist, der die Reaktion von Körperzellen auf Signale wie Hormone oder Wachstumsfaktoren mitbestimmt.

Es überträgt Signale, indem es bestimmte Proteine an bestimmten Stellen oxidiert und damit entweder an- oder abschaltet. Nun wurde erstmals gezeigt, wie diese Signalübertragung durch gezielte Oxidation in menschlichen Zellen auf molekularer Ebene funktioniert.

Mechanismus lange Zeit ein Rätsel

Wissenschaftlern galt dieser Mechanismus lange Zeit als Rätsel: Ein signalübertragendes Molekül muss spezifisch wirken. Wie kann Wasserstoffperoxid, kaum größer als ein Wassermolekül, bestimmte Proteine gezielt oxidieren, dabei aber andere gänzlich unberührt lassen?

Und warum werden die relativ geringen Mengen Wasserstoffperoxid, die als Signalstoff produziert werden, nicht sofort durch die Peroxiredoxine abgefangen, bevor Wasserstoffperoxid mit Zielproteinen reagieren kann?

Wasserstoffperoxid wird sofort nach seiner Entstehung von Peroxiredoxinen abgefangen. Die Peroxiredoxine verwenden es, um andere Proteine zu oxidieren. Sie arbeiten also als Fänger für Wasserstoffperoxid-Moleküle, um sie auf bestimmte Ziele zu lenken.

Im Gegensatz zu dem Wasserstoffperoxid-Molekül können Peroxiredoxine spezifisch mit anderen Proteinen wechselwirken. So sind sie in der Lage, andere Proteine zielgenau zu oxidieren, und damit deren Funktion zu steuern. Die oxidative Veränderung der Zielproteine ist dabei vorübergehend und stellt keinen Schaden dar.

Als Zielprotein eines Peroxiredoxins identifizierten die Forscher den Transkriptionsfaktor STAT3, der entzündliche Prozesse steuert und die Entstehung von Tumoren begünstigen kann. Peroxiredoxin gibt die oxidative Wirkung des Wasserstoffperoxids an STAT3 weiter. Der Oxidationszustand von STAT3 bestimmt, wie effizient der Transkriptionsfaktor die Genaktivität steuert.

Eine direkte und spontane Oxidation von STAT3 durch freies Wasserstoffperoxid ließ sich ausschließen. Tumorzellen produzieren mehr davon und nutzen oxidative Signale stärker als normale Zellen. Daher könne man auf diesem Weg in krebsrelevante oxidative Signale eingreifen, so die Mitteilung. (eb)