Forschung

C3-Projekt

Aufnahme und Bindung von C3

Das C3(bot) wird als einkettiges Exoenzym (~25 kDa) von dem grampositiven Bakterium Clostridium botulinum produziert. Es ADP-ribosyliert selektiv die kleinen GTPasen RhoA, B, C und inhibiert dadurch deren nachgeschaltete Signalwege. Wegen der hohen Selektivität (nur 3 GTPasen aus der Ras Superfamilie von 150 GTPasen) wird es als pharmakologisches Werkzeug zur Erforschung der zellulären Rho-Funktionen eingesetzt. Anders als klassische clostridiale Toxine besitzt C3 keine Rezeptorbinde- und Translokationsdomäne, um selbstständig in die Zelle zu gelangen. Wir konnten zeigen, dass das Intermediärfilament  Vimentin als Rezeptor für die C3-Bindung essentiell ist (Rohrbeck et al., 2014). Weiterhin konnte eine Beteiligung von Clathrin- und Calveolin-abhängiger Endozytose ausgeschlossen werden. Stattdessen wurde ein Dynamin-abhängiger Endozytose-Mechanismus in den HT22- und J774A.1-Zellen identifiziert (Rohrbeck et al., 2015). Darüber hinaus gibt es Hinweise auf einen weiteren Interaktionspartner bei der C3-Aufnahme. Die Beteiligung eines Arg–Gly–Asp (RGD)-Motifs innerhalb des C3 und die inhibierende Wirkung von β1-Integrin Antikörper deuten auf einen Beteiligung von Integrinen hin.

Das Ziel der Forschung ist es, den grundlegenden Mechanismus der C3-Aufnahme in die Zelle zu verstehen. Neue Erkenntnisse über den Aufnahmemechanismus von C3 können die Therapie akuter neuronaler Verletzungen wie z. B. Rückenmarksverletzungen, periphere Nervenläsionen oder auch neurodegenerative Erkrankungen sinnvoll verändern.

Intrazelluläre Verteilung von C3

Befunde mit selektiven Inhibitoren von Lysosomen- und Proteosomenfunktionen zeigen, dass sowohl der lysosomale als auch der proteasomale Abbau der Hauptinaktivierungsweg von C3 ist (Naunyn-Schmiedeberg's Arch Pharmacol (2019) 392, P177). Zellfraktionierungs- und  immunzytochemische Experimente zeigen, dass C3 in membranären Kompartimente angereichert wird.

C3-vermittelte Effekte

C3 Exoenzym erhöht in primären Hippocampusneuronen sowohl das Wachstum als auch den Verzweigungsgrad der Axone- und der Dendriten. Die enzymdefiziente Mutante C3-E174Q hingegen besitzt lediglich eine axonotrophe Wirkung (Ahnert-Hilger et al., 2004). Der exakte molekulare Wirkmechanismus der neurotrophen Wirkung von C3 ist weiterhin unbekannt (Just et al., 2011). Deshalb untersuchte unsere Arbeitsgruppe Auswirkungen von C3 auf verschiedene Signalwege.

An immortalisierten murinen Hippokampusneuronen bewirkt C3 über eine verringerte Cyclin D1-Expression eine starke Wachstumsinhibition. Die anti-apoptotische Wirkung von C3 an dieser Zelllinie wird über Rho-abhängige Transkriptionsfaktoren moduliert; sowohl die Expression von Procaspase-3 als auch von weiteren pro-apoptotischen Proteinen wird reduziert (Rohrbeck et al., 2012). Weiterführende Analysen zeigten, dass C3 zu einer veränderten Abundanz der Zielproteine führt, die in der Regulation des Zellzykluses und des Zelltods involviert sind (von Elsner et al., 2016). Die Analyse von verschiedenen Mitogen aktivierten Proteinkinase (MAPK)-Signalwegen identifizierte eine C3-vermittelte Rho-abhängige reduzierte Aktivität des MKK3/6-p38- und JNK-c-Jun-Signalwegs, die mit der beobachteten Wachstumshemmung assoziiert ist (von Elsner et al., 2017).

Eine Hemmung der Zellzyklusprogression geht einher mit einer vermehrten Neuroprotektion und Neuroregeneration nach einer Rückenmarksverletzung, so dass die Ergebnisse erste Hinweise auf die Signalwege der C3-vermittelten, axono- und dendritotrophen Wirkung liefern.