Das Projekt MESCAMP

 

Ausgangssituation

 

Wissenschaftliches Ziel der Nachwuchsgruppe ist die Aufklärung der Mechanismen der enzymatischen Spaltung des „Neural cell adhesion molecules“ (NCAM) unter Beteiligung der Prolyl Endopeptidase (PREP). Die wissenschaftlichen Grundlagen sind äußerst viel versprechend und wurden kürzlich von Prof. Dr. Roßner und Dr. Morawski in CNS Neurol Disord Drug Targets und weiteren wissenschaftlichen Fachzeitschriften veröffentlicht. Das proteolytische Enzym Prolyloligopeptidase (PREP) gilt als Hauptakteur in mehreren Szenarien im Zusammenhang mit Psychiatrischen Erkrankungen, Neurodegeneration, ‑inflammation und Zelltod (1, 2). Weiter konnte gezeigt werden, dass Inhibitoren der PREP einem altersbedingten Gedächtnisverlust vorbeugen können (1). Allerdings sind die zugrunde liegenden molekularen Mechanismen dieser Effekte noch weitestgehend unklar. In diesem Zusammenhang spielt das Zelladhäsions-Molekül NCAM eine wichtige Rolle. Das neuronale Zelladhäsionsmolekül (NCAM) ist stark in der Bildung des Langzeitgedächtnisses involviert (3). Veränderungen in der Expression und Glykosylierung von NCAM scheinen die synaptische Verstärkung und die zugrunde liegende Gedächtnis-Konsolidierung zu verändern (3).

Analysiert man diese Erkenntnisse aus der Grundlagenforschung, eröffnen sich neue Wege, um potentielle Therapeutika zu entwickeln, welche den Gemütszustand regulieren, gedächtnissteigernde und entzündungshemmende Effekte bei psychiatrischen, neurodegenerative Erkrankungen des Alzheimer-Kreises und andere Demenzerkrankungen wie z.B. der Parkinson’schen-, Motorneuron-Erkrankung (Amyotrophe Lateralsklerose) und Chorea major (Huntington) haben.

 

Projektziele

 

Demenzen, neurodegenerative sowie psychiatrische Erkrankungen manifestieren sich besonders in Anomalien der synaptischen und neuronalen Plastizität (4). Plastizität kann hierbei als die Fähigkeit des Gehirns zur adaptiven Änderung hinsichtlich Struktur und Funktion des Nervensystems und somit als grundlegende Eigenschaft des Gehirns definiert werden (5). In den letzten Jahren wurde eine Vielzahl von Untersuchungen zum Verständnis der physiologischen Mechanismen und deren funktionellen Relevanz bei der Plastizität des Gehirns und Ihrer Bedeutung für die Gedächtnis-Bildung und das Lernen durchgeführt (6, 7). Kognitive Funktionen, Regulierung des Gemütszustandes, Verarbeitung von sensorischen Informationen sowie die Erholung nach Hirnverletzungen und Neurodegeneration sind stark von der Plastizität des Gehirns abhängig. Die Aufklärung der molekularen Mechanismen der Regulation der Plastizität des Gehirns, die Entdeckung neuer Biomarker zur Detektion von beeinträchtigter Plastizität des Gehirns bei neuropsychiatrischen und neurodegenerativen Erkrankungen sind hier die wichtigsten wissenschaftlichen Ziele dieses Projekts.

 

Wissenschaftlicher Hintergrund

 

Neuronale und synaptische Zelladhäsionsmoleküle (NCAMs und synCAMs) spielen eine wichtige Rolle bei der Plastizität des Gehirns (8, 9, 10). NCAM ist ein Mitglied der Immunglobulin-Superfamilie von Adhäsionsmolekülen, die auf der Oberfläche der neuronalen Zellen exprimiert werden. Während der embryonalen und frühen postnatalen Phase wird NCAM hauptsächlich in polysialylierter Form (PSA-NCAM) gefunden und ist für die strukturelle Plastizität wichtig, während das erwachsene Gehirn größtenteils NCAM enthält und die Stabilität der neuronalen Netze gewährleistet. Im erwachsenen Gehirn wird PSA-NCAM nur in Regionen mit sehr hoher Plastizität gefunden. Synapsenbildung und -Spezifikation sind eng an die synaptischen Zelladhäsionsmoleküle gebunden (11). Mit dem estnischen Partner im Rahmen eines EU-Verbundprojekts gewonnene Daten zeigen, dass die Prolylendopeptidase (PREP) eine wichtige modulatorische Rolle in diesem Prozess spielen kann.

PREP, als post-Prolin spaltendes Enzym, ist ein prolinspezifische Peptidase, die in der Lage ist, kleine Peptide zu spalten. PREP wurde in der Gebärmutter als Oxytocin-spaltendes Enzym entdeckt. Schon kurz nach seiner Entdeckung wurde es isoliert und gezeigt, dass es in vitro alle kurzen neuroaktiven Peptide mit einem internen Prolin spalten kann (12). Mehrere neu synthetisierte Verbindungen mit PREP hemmenden Eigenschaften zeigten in verschiedenen Experimenten zum einen gedächtnissteigerndes Potential und zum anderen darüber hinaus neuroprotektive Eigenschaften (1, 2). Trotz der Heterogenität der experimentellen Bedingungen und der Vielfalt der eingesetzten Systeme, die zu diesen Ergebnissen führten, besteht das zentrale Dogma, dass PREP auf extrazellulärer und synaptischer Ebene der relevanten Neuropeptide in Gedächtnis- und Lernprozessen, sowie anti-apoptotische und wachstumsfördernde zelluläre Prozesse steuert. So konnte nachgewiesen werden, dass die PREP-Expression bei Alterungsprozessen und Neurodegeneration erhöht und bei Prozessen des Wachstums und der Regeneration erniedrigt ist (13, 14). Weitere Experimente zeigten, dass Inhibitoren der PREP einem altersbedingten Gedächtnisverlust vorbeugen können. Allerdings sind die zugrunde liegenden molekularen Mechanismen dieser Effekte noch weitestgehend unklar. Nichts desto trotz betreiben mehrere Pharmaunternehmen klinische Studien mit PREP hemmenden Verbindungen um diese potentiell als Antidementiva einzusetzen (15).

Bisherige Ergebnisse anderer Projekte

 

Im Zuge des 7. Rahmenprogramms der Europäischen Kommission konnte eine erfolgreiche Zusammenarbeit mit einer estnischen Arbeitsgruppe um Prof. Dr. Aleksander Žarkovski an der Universität Tartu zur Bedeutung der PREP für die Realisierung physiologischer Prozesse im Gehirn und eine mögliche Beteiligung der PREP an neurodegenerativen Prozessen etabliert werden. In diesem EU-geförderten Konsortium wurden grundlegende neue physiologische Funktionen der PREP für die Neurogenese, Zellteilung und -differenzierung, und bei der Aktivierung intrazellulärer Signalkaskaden entdeckt. Andere bisher der PREP zugeschriebene Funktionen, wie die Spaltung von Substanz P im Extrazellulärraum, wurden widerlegt. Zudem wurde eine Beteiligung der PREP an der Ausprägung pathologischer Proteinaggregate bei der Alzheimerschen und der Parkinsonschen Erkrankung und bei Entzündungsgeschehen nachgewiesen.

Gegen Ende der Förderphase gelang die bahnbrechende Entdeckung, dass bei Überexpression von PREP die Konzentration einer bestimmten Variante des neural cell adhesion molecules (NCAM) deutlich reduziert ist. Ob allerdings NCAM selbst ein Substrat der PREP ist, oder ob PREP die Aktivität anderer NCAM-spaltender Proteasen reguliert, ist bislang nicht geklärt.Basierend auf sterischen Limitationen der PREP verfolgen wir die Arbeitshypothese, dass PREP nicht NCAM spalten kann, sondern an der Regulation von NCAM-spaltenden Enzymen beteiligt ist. Bei erhöhter Expression von PREP im Gehirn, z.B. bei Entzündungsprozessen, ist dieser Regelkreis gestört, NCAM-spaltende Enzyme werden übermäßig aktiviert und somit sinkt die Konzentration von NCAM. NCAM selber besitzt lebenswichtige Funktionen für die Neurogenese und die Integration neuer Neurone in hippocampale Netzwerke, für neuronale Plastizität und ist an der Realisierung von Lern- und Gedächtnis-Prozessen beteiligt. Interessanterweise ist von der NCAM-Familie, der Proteine mit einem Molekulargewicht von 120, 140 und 180 kDa angehören, nur das NCAM180 von PREP beeinflusst.

 

 

Referenzen

1.       Toide K, Iwamoto Y, Fujiwara T, Abe H (1995) JTP-4819: a novel prolyl endopeptidase inhibitor with potential as a cognitive enhancer J Pharmacol Exp Ther. 27:1370-8.

2.       Odaka C, Mizuochi T, Shirasawa T, Morain P, Checler F (2002) Murine T cells expressing high activity of prolyl endopeptidase are susceptible to activation-induced cell death. FEBS Lett. 512:163-7.

3.       Welzl H, Stork O (2003) Cell adhesion molecules: key players in memory consolidation? News Physiol Sci. 18:147-50.

4.       Brennaman LH, Maness PF (2010) NCAM in neuropsychiatric and neurodegenerative disorders. Adv Exp Med Biol. 2010;663:299-317.

5.       Bloom FE (1985) Neurotransmitter diversity and its functional significance. J R Soc Med. 78:189-92.

6.       Gould E, Tanapat P (1999) Stress and hippocampal neurogenesis. Biol Psychiatry. 46:1472-9

7.       Deng W, Aimone JB, Gage FH (2010) New neurons and new memories: how does adult hippocampal neurogenesis affect learning and memory? Nat Rev Neurosci. 11:339-50.

8.       Cremer H, Chazal G, Carleton A, Goridis C, Vincent JD, Lledo PM (1998) Long-term but not short-term plasticity at mossy fiber synapses is impaired in neural cell adhesion molecule-deficient mice. Proc Natl Acad Sci U S A. 95:13242-7

9.       Amoureux MC, Cunningham BA, Edelman GM, Crossin KL (2000) N-CAM binding inhibits the proliferation of hippocampal progenitor cells and promotes their differentiation to a neuronal phenotype. J Neurosci. 20:3631-40.

10.   Kiss JZ, Muller D (2001) Contribution of the neural cell adhesion molecule to neuronal and synaptic plasticity.Rev Neurosci. 12:297-310

11.   Yamada S, Nelson WJ (2007)Synapses: sites of cell recognition, adhesion, and functional specification. Annu Rev Biochem. 76:267-94.

12.   García-Horsman JA, Männistö PT, Venäläinen JI (2007) On the role of prolyl oligopeptidase in health and disease. Neuropeptides. 41:1-24.

13.   Morawski M, Nuytens K, Juhasz T, Zeitschel U, Seeger G, Waelkens E, Regal L, Schulz I, Arendt T, Szeltner Z, Creemers J, Roßner S (2013) Cellular and ultra structural evidence for cytoskeletal localization of prolyl endopeptidase-like protein in neurons. Neuroscience. 2013 Feb 25. doi:pii: S0306-4522(13)00172-3.

14.   Yamakawa N, Shimeno H, Soeda S, Nagamatsu A (1994) Regulation of prolyl oligopeptidase activity in regenerating rat liver. Biochim Biophys Acta. 1199:279-84.

15.   Bachovchin DA, Cravatt BF (2012) The pharmacological landscape and therapeutic potential of serine hydrolases. Nat Rev Drug Discov. 11:52-68.