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Zell- und Molekularbiologie (Gravitationsbiologie)

Beschleunigung ung cGMP-abhängige Signalübertragung in melanocytären Zellen - 

Einleitung:

Humane epidermale Melanozyten, welche sich im stratum basale der Hautepidermis befinden, stellen eine wichtige protektive Barriere gegen UV-Strahlung und oxidativen Stress dar, indem sie das Pigment Melanin generieren. Melanine sind in der Lage, freie Radikale zu neutralisieren. Sie können aber auch als "photosensitizer" wirken, welcher bei UV-Strahlung Sauerstoffradikale bildet, die wiederum zu Hypopigmentierung oder auch zu UV-induzierter onkogener Zelltransformation führen können. Darüber hinaus sind Melanozyten in vivo permanent mechanischen Belastungen ausgesetzt.

Zyklisches Guanosin-3',5'-monophosphat (cGMP) ist ein Botenstoffmolekül, welches an einer Vielzahl wichtiger zellulärer Regulationsmechanismen beteiligt ist. Die Bildung von cGMP wird aus Guanosin-5'-triphosphat durch Guanylyl-Zyklasen (GC) katalysiert, die entweder gelöst im Zellplasma (Zytosol) oder als membrangebundene Isoformen vorkommen. Die lösliche GC (sGC) ist ein heterodimeres Hämprotein, welches durch Stickstoffmonoxid (NO) aktiviert wird, während die partikulären Isoformen (GCA-F) durch natriuretische Peptide, Enterotoxine und Guanylin stimuliert werden. Die cGMP-abhängigen Signalübertragung erfolgt über die Aktivierung verschiedener  Effektoren, wie z.B. cGMP-abhängige Proteinkinasen (PKG), Ionenkanäle und Phosphodiesterasen (PDE). Die intrazellulären cGMP-Spiegel werden zum einen über die Aktivität der GCs und zum anderen über die Eliminierung von cGMP - durch metabolische Degradation über PDE -  und durch den aktiven extrazellulären Transport bestimmt. Interessanterweise, scheinen zwei Mitglieder der "multidrug resistance" Proteine 4 und 5 (MRP4/MRP5), als Export-Pumpen für amphiphilische Anionen wie cGMP und cAMP zu wirken.

Ergebnisse und Ziele:

Bei humanen Melanozyten ist der NO-sGC-cGMP Signalweg an der UVB-induzierten Melanogenese beteiligt. Unsere bisherigen Untersuchungen zeigten, dass in melanozytären Zellen unterschiedliche GC-Isoformen für die cGMP-Synthese verantwortlich sind. Normale humane Melanozyten und nicht-metastasierende Melanomzellen exprimieren überwiegend sGC, welche mit der Melanogenese assoziiert ist. Im Gegensatz dazu haben metastasierende Melanomzellen keine NO-empfindliche Guanylylzyklase, zeigen jedoch gesteigerte Aktivitäten der membrangebundenen Isoformen von GC. Weiterhin konnten wir zeigen, dass NO die Wechselbeziehungen zwischen Melanozyten und extrazellulären Matrixkomponenten beeinflussen kann, was zum Verlust von Melanozyten (z.B. Vitiligo) oder zur Metastasenbildung von Melanomen führen könnte. Solche NO-Effekte scheinen teilweise durch cGMP moduliert zu werden.

Hinsichtlich des Einflusses veränderter Beschleunigung (erhöhte oder verringerte) auf Melanozyten haben wir die Regulation der cGMP-

Abbildung 1: cGMP-abhängige Signalübertragung in melanozytären Zellen

Spiegel bei normalen humanen Melanozyten und Melanomzelllinien mit unterschiedlichem Metastasierungspotential zunächst unter erhöhter Beschleunigung untersucht. In diesen Untersuchungen konnte erstmals gezeigt werden, dass normale Melanozyten und nichtmetastasierende Melanomzelllinien eine längere (24 h) Hypergravitation (2g and 5g) mit einem erhöhten cGMP-Export beantworten. Dies wurde sowohl bei Hemmung der Phosphodiesterase (PDE)-vermittelten zyklischen Nukleotid-Hydrolyse beobachtet als auch bei induzierter cGMP-Synthese (z.B. durch NO). Die Hemmung des cGMP-Exports entweder durch hochselektive Inhibitoren der cGMP-bindenden PDE (PDE5), durch Hemmung des Transportes durch die MRP4/5 oder auch durch die Hemmung der de novo Proteinsynthese lassen darauf schließen, dass eine erhöhte Beschleunigung möglicherweise die Expression von MRP4/5 erhöht. Ähnliche Ergebnisse wurden auf mRNA- und Proteinebene gefunden. Im Gegensatz dazu hat eine erhöhte Beschleunigung bei hochmetastasierenden Melanomzellen keinen Einfluss auf den cGMP-Ausstrom. Somit stellen veränderte Beschleunigungen Faktoren dar, die in humanen Melanozyten über den Botenstoff cGMP Signale auslösen können, die möglicherweise bei der Krebsentstehung von Bedeutung sein könnten. Entsprechende Untersuchungen in Schwerelosigkeit sollten in Zukunft klären, ob solche Mechanismen auch bei längeren Raumfahrt-Missionen wirksam sind.

Ausgewählte Publikationen:

Ivanova K, Das PK, van den Wijngaard R, Lenz W, Klockenbring T, Malcharzyk V, Drummer C, 2 Gerzer R. (2001). Differential expression of functional guanylyl cyclases in melanocytes: absence of nitric-oxide-sensitive isoform in metastatic cells. J Invest Dermatol, 116:409-416].

Ivanova K, Zadeh NH, Block I, Das PK, Gerzer R. (2004). Stimulation of cyclic GMP efflux in human melanocytes by hypergravity generated by centrifugal acceleration. Pigment Cell Res, 17:471-479; 

Ivanova K, Block I, Das PK, Gerzer R (2006). Role of cyclic GMP signaling in the melanocyte response to hypergravity. Signal Transduction, 6:406-413.