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3.27 Prof. Dr. Dr. Manfred Schweiger

Institut für Biochemie

Keywords: Poly(ADP-ribosyl) Transferase (ADPRT): protein-protein interaction and binding to specific DNA structures of the human enyzme. Isolation and cloning of ADPRT from lower eucaryotes. Defense mechanisms against "reactive oxygen species" (ROS): pathological defects: Fanconi anaemia. NAD+-Glycohydrolase: mode of action, isolation, cloning; ROS and Ca2+ homeostasis in the cell. Defects of DNA repair: Relationship of DNA repair/senescence; Cockayne Syndrome, Werner Syndrome, Down Syndrome.


Thielallee 63, D-14195 Berlin, E-mail: mschweig@chemie.fu-berlin.de

Abstract

Structure and Function of poly(ADP-ribosyl) Transferase (ADPRT): ADPRT catalyzes the transfer of ADP-ribose moieties onto nuclear proteins utilizing NAD. This modification serves a regulatory function in a number of nuclear processes. So far neither the exact catalytic mechanism nor the physiologically important acceptor proteins have been established. The crystallization of the recombinant human protein as well as the characterization of the phylogeny of the enzyme (by detecting and isolating it from lower organisms) are in progress. Domains involved in protein-protein interactions have been detected within the human enzyme. Knowledge of these domains will facilitate the discovery of potential acceptor proteins and also the characterization of dimerization of the enzyme itself.
Regulation of Mitochondrial Calcium Fluxes by ADP-Ribosylation: Oxidative damage of mitochondria causes pyridine nucleotide oxidation, degradation of NAD(P), ADP-ribosylation and calcium efflux. These processes appear to be causally linked. The studies of the molecular mechanisms include isolation, characterization, cloning and sequencing of the mitochondrial enzymes involved (NADase, ADP-ribosyl transferase, acceptors of ADP-ribose and the calcium channel).
Molecular characterization of genetic diseases associated with DNA repair defects: Fanconi's anaemia (FA) and Werner's syndrome (WS) are rare autosomal recessively inherited diseases with typical phenotypes. On the cellular level, the rate of spontaneous and induced chromosome breaks is drastically increased. FA cells exhibit a high sensitivity towards oxygen. Identification of the impaired gene (by molecular biological approaches such as subtractive hybridization) will lead to the discovery of novel mechanisms of DNA repair.

Wissenschaftlicher Werdegang

Geboren: 24.09.1936; Diplom: Chemie, MPI f. Biochem., München & Inst. f. Genetik, Köln, "Fraktionierung von tRNA"; Staatsexamen: Medizin, Köln (1963); Promotion: Medizin & Chemie, MPI für Biochemie, München, "DNA-dirigierte Enzymsynthese in vitro" (1968); Research Associate: Rockefeller University, New York, Professor F. Lipmann (1968-70); C3-Professor: MPI für Molekulare Genetik, Berlin (1970-76); Habilitation: FU Berlin (1971); Rufe auf Biochemie-Lehrstühle: Berlin, Hamburg, Bonn (1971, 74, 75); Internationaler Knoll-Preis & Mitgliedschaft: European Molecular Biology Org. (1975); Mitgliedschaft: Scientific Advisory Board of European Molecular Biology Lab (1975-84); o. Univ.-Professor: Biochemie, Universität Innsbruck, Vorstand des Instituts für Biochemie (Nat. Fak.) (1976-91); Hon. Professor für Molekulare Genetik, Salzburg (1985); Lipmann-Lecturer: Federation of European Biochemical Societies, Berlin (1986); Editorial Board: Intervirology (1973-85); Editorial Board: European Journal of Cell Biology (1984-95); Reviews of Physiol. Biochem. and Pharmac. (1990); C4-Professor: Biochemie, FU Berlin (1991); Auswahlausschuß: A.v. Humboldt-Stiftung (1993).

Kooperationspartner

Prof. Dr. M. Hirsch-Kauffmann (Innsbruck); Dozent Dr. B. Auer (Innsbruck); Prof. Dr. E. Wagner (Wien); Dozent Dr. R. Schneider (Innsbruck); Prof. Dr. F. Althaus (Zürich); Prof. Dr. E. Kun (San Francisco, USA).

Drittmittelgeber

DFG SCHW 532/2-1 & 532/4-1; Sonnenfeld Stiftung, Fonds der Chem. Industrie.

Forschungsbereich

Poly(ADP-ribosyl)transferase (ADPRT), Aufklärung der Struktur und Funktion

Das Enzym Poly(ADP-ribosyl)transferase (ADPRT) modifiziert Proteine durch Übertragung von Poly(ADP-ribose)-Ketten und greift dadurch in bisher noch nicht verstandener Weise in regulative nukleäre Prozesse ein. Ziel ist es, das Enzym im Hinblick auf seine Struktur und funktionell bezüglich der Fähigkeit zur makromolekularen Assoziation zu charakterisieren.

Für Röntgenstrukturuntersuchungen sollen rekombinante ADPRT bzw. ADPRT-Domänen zur Homogenität gereinigt und kristallisiert werden. Der Nachweis von ADPRT in niederen Eukaryonten soll eine phylogenetische Klassifizierung der enzymatischen Aktivität ermöglichen. ADPRT aus Astasia longa und Trypanosoma brucei soll sequenziert und kloniert werden. Durch vergleichende Studien an ADPRT aus diesen niederen Organismen und dem humanen Enzym in bezug auf homologe Proteinbereiche und enzymatische Aktivität soll die Funktion der jeweiligen Proteinbereiche genauer untersucht werden.

Innerhalb des humanen Enzyms konnten spezifische Regionen bestimmt werden, die bei der ADPRT Wechselwirkung mit DNA und Protein eine Rolle spielen. Die Wechselwirkung von humaner ADPRT mit Promotoren von Genen, deren Expression von der Konzentration von ADPRT im Zellkern abhängt, soll untersucht werden. Dazu werden sowohl in vitro als auch in vivo Bindungsstudien durchgeführt.

Um einen genaueren Einblick in die Funktion der humanen Poly(ADP-ribosyl)transferase zu gewinnen, sollen Protein-Protein Interaktionen nachgewiesen und genauer untersucht werden. (1) "Homodimerisierung": Die Eigenassoziation des Enzyms soll anschaulich demonstriert und die für die Interaktion verantwortlichen Domänen charakterisiert werden. (2) "Heterodimerisierung": Potentielle Partnerproteine der ADPRT sollen detektiert und identifiziert werden.

Regulation mitochondrialer Calciumfluxe durch ADP-Ribosylierung

Schädigende Einwirkungen können in der Zelle zu einer Vielzahl von Reaktionen führen, die zum Teil drastische Verschiebungen der intrazellulären Homöostase zur Folge haben. Unter physiologischen Bedingungen scheint das vermehrte Auftreten reaktiver Sauerstoff-Spezies (ROS) eine häufige Ursache der Zellschädigung zu sein. Zu den folgenreichsten Auswirkungen anhaltender radikalischer Belastung zählen insbesondere DNA-Schädigungen sowie irreversible Veränderungen an Enzymen und Membranen, die aufgrund von Peroxidationsreaktionen entstehen. Auf solche Schädigungen reagiert die Zelle mit unterschiedlichen Schutzmechanismen. Eine Reihe intrazellulärer Prozesse wird durch transiente, genauestens kontrollierte Änderungen der Ca2+-Konzentration reguliert. Die Mitochondrien haben durch ihre hohe Kapazität, Ca2+ aufzunehmen, einen wesentlichen Anteil an dieser Regulation. Werden isolierte Mitochondrien mit Sauerstoff-Radikalen behandelt, kann man sowohl einen Abbau des NAD+ und ADP-Ribosylierung als auch Ca2+-Ausstrom beobachten. Daher wird vermutet, daß die spezifische Modifizierung von Proteinen der Mitochondrien-Innenmembran mit ADP-Ribose die Öffnung eines Ca2+-Kanals bewirkt. Die physiologische Konsequenz wäre demnach, daß radikalische Belastung der Zelle mit einer Erhöhung der cytosolischen Ca2+-Konzentration - aufgrund des Ausstroms aus den Mitochondrien - beantwortet wird. Dies ist tatsächlich beobachtet worden.

Die molekularen Zusammenhänge dieses hypothetischen Mechanismus sollen aufgeklärt werden. Die beteiligten mitochondrialen Proteine (NAD+-abbauende Enzyme, ADP-Ribosyltransferase, Akzeptorproteine der ADP-Ribose sowie der aktivierbare Ca2+-Kanal) sollen isoliert, kloniert und sequenziert werden, um sie einer funktionellen Analyse zugänglich zu machen. Die Aufklärung dieses Mechanismus würde wesentlich zum Verständnis der radikal-induzierten Zellschädigung beitragen.

Aufklärung molekularer Ursachen von Erbkrankheiten mit DNA-Reparatur-Defekten

DNA-Reparatur-Krankheiten sind zwar selten, haben jedoch einen zumeist sehr drastischen klinischen Verlauf. Die Kenntnis der genetischen Defekte von der Fanconi Anämie (FA) und Werner-Syndrom (WS) wird zur Entdeckung neuer Mechanismen der DNA-Reparatur führen.

Werner-Syndrom ist eine autosomal rezessive Erbkrankheit. Patienten zeigen ab dem 30. Lebensjahr Symptome eines rasch alternden Menschen. In Zellkultur wachsen WS-Zellen extrem langsam, die Anzahl der Passagen ist stark reduziert und sie zeigen eine erhöhte Rate an spontanen und induzierbaren Chromosomenbrüchen. Mit Hilfe der Subtraktions- bzw. Differentiellen Hybridisierung wird nun nach differentiell exprimierten Genen gesucht, die für den Primärdefekt von WS verantwortlich sein könnten.

Fanconi Anämie ist eine seltene, autosomal rezessiv vererbbare Krankheit. Typische Merkmale dieser Krankheit sind Hyperpigmentierung der Haut, Skelettanomalien, geistig verzögerte Entwicklung etc. und ein vollständiger Verlust der Knochenmarksfunktion (Pancytopenie), der schließlich bereits im Kindesalter zum Tod des Patienten führen kann. Die erhöhte Anzahl an spontanen Chromosomenbrüchen, die erhöhte Empfindlichkeit gegenüber DNA kreuzvernetzenden Substanzen und Sauerstoff bilden die Grundlage aller Forschungsansätze. Die Untersuchung von Enzymsystemen und Reaktionsmechanismen, die bei der Bildung und beim Abbau von Radikalen eine Rolle spielen, bilden unsere Schwerpunkte bei der Erforschung des Defekts dieser Krankheit.

Literaturliste

  1. R. Schneider, M. Schweiger. "The Yeast RNA1 protein necessary for RNA processing is homologous to the human Ribonuclease/Antiogenin Inhibitor (RAI)". Mol. Gen. Genet. 1992, 233, 315-318.
  2. I. Wiedemann, E.J. de Groot, M. Schweiger. "On the molecular mechanism of the circadian clock: The 64000-Mr protein of Chlamydomoas reinhardtii might be related to the biological clock." Planta 1992, 186, 593-599.
  3. T. Stuhlnig, M. Schweiger, M. Hirsch-Kauffmann, "Duchenne muscular dystrophy: Lack of differences in the expression of endogenous carbohydrate- and heparin-binding proteins (lectins) in cultured fibroblasts". Eur. J. Cell Biol. 1993, 62, 173-181.
  4. B. Kofler, E. Wallraff, H. Herzog, R. Schneider, B. Auer, M. Schweiger. "Purification and characterization of NAD+: ADP-ribosyltransferase (polymerizing) from Dictyostelium discoideum". Biochem. J. 1993, 293, 275-281.
  5. S.L. Oei, H. Herzog, M. Hirsch-Kauffmann, R. Schneider, B. Auer, M. Schweiger. "Transcriptional Regulation and Auturegulation of the Human Gene for ADP-Ribosyltransferase". Mol. & Cell. Biochemistry, 1994, 138, 99-104.
  6. P. Kaiser, W. Seufert, L. Höfferer, B. Kofler, C. Sachsenmaier, H. Herzog, S. Jentsch, M. Schweiger, R. Schneider. "A Human Ubiquitin-conjugating Enzyme Homologous to Yeast UBC8". J. Biol. Chem. 1994, 269, 8797-8802.
  7. Z.-Q. Wang, B. Auer, L. Stingl, H. Berghammer, D. Haidacher, M. Schweiger, W.F. Wagner. "Mice lacking ADPRT and Poly(ADP-Ribosyl)ation develop normally but are susceptible to skin disease". Genes and Development 1995, 9, 509-520.
  8. M. Schweiger, S.L. Oei, H. Herzog, C. Menardi, R. Schneider, B. Auer, M. Hirsch-Kauffmann. "Regulation of the ADPRT promoter via alternative DNA racket structures". Biochimie, 1995, 77, 480-485.
  9. J. Zhang, M. Ziegler, R. Schneider, H. Klocker, B. Auer, M. Schweiger. "Identification and purification of a bovine liver mitochondrial NAD+ glycohydrolase". FEBS Lett. 1995, 377, 530-534.
  10. M. Ziegler, D. Jorcke, J. Zhang, R. Schneider, H. Klocker, B. Auer, M. Schweiger. "Characterization of detergent solubilized beefliver mitochondrial NAD+-glycohydrolase and its truncated hydrosoluble form". Biochemistry, 1995, 35, 5207-5212.

Weitere Verweise


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© 1996, Redaktionsschluß: 1996-08-01.