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Solange Lebewesen Proteine auf der Grundlage des von Boten-RNA-Molekülen übertragenen Codes aufbauen, gibt es Aminoacyl-tRNA-Synthetasen. Diese Enzyme, kurz AARS genannt, verknüpfen Transfer-RNAs (tRNAs) mit den entsprechenden Aminosäuren. Das scheint eine ausreichend große Aufgabe für eine Klasse von Enzymen zu sein – und als das Leben auf Proteinbasis begann, war es das auch. Aber als die Organismen komplexer wurden, bekamen die AARS zusätzliche Domänen, die es ihnen ermöglichten, viel mehr zu tun.

„Wenn man beim Menschen ankommt, ist die Synthetase mit diesen zusätzlichen Domänen hoch dekoriert“, sagt Paul Schimmel, ein Biochemiker am Scripps Research Institute, der diese zusätzlichen Aufgaben untersucht.

Lebewesen besitzen mindestens einen Typ von AARS-Molekülen für jede der 20 proteinogenen Aminosäuren. Für einige Aminosäuren gibt es zwei Varianten, mit einem separaten Enzym für die Verwendung bei der Proteinübersetzung, die im Mitochondrium stattfindet. Alle diese Synthetasen haben ein Kernsegment, das an der Verknüpfung von tRNAs und Aminosäuren beteiligt ist, und alle bis auf eine weisen eine oder mehrere zusätzliche akzessorische Domänen auf. Außerdem können Zellen durch alternatives Spleißen ihrer mRNAs oder durch posttranslationale Fragmentierung der Proteine mehr als 300 verschiedene Proteinvarianten aus AARS-Genen herstellen. Einige dieser Varianten fungieren als entzündliche Zytokine. Andere steuern die Bildung von Blutgefäßen. Die AARS für Glutaminsäure und Prolin sind zu einem zweiteiligen Protein verschmolzen; der Linker zwischen ihnen scheint die Immunaktivität und den Fettstoffwechsel zu steuern und kann sogar die Lebenserwartung beeinflussen. Viele AARS werden mit menschlichen Krankheiten in Verbindung gebracht, die nicht durch Defekte beim Zusammenbau von Proteinen, sondern durch diese anderen, nicht-kanonischen Funktionen verursacht werden.

Ich habe gehört, wie skeptisch die Fachwelt diesen Entdeckungen gegenüberstand. Ich mache ihnen keinen Vorwurf. Ich wäre auch verwirrt.

-Xiang-Lei Yang, Scripps Research Institute

Einige Forscher sehen die Enzyme jetzt als Ziel für Medikamente gegen Krebs, Immunkrankheiten und andere Krankheiten. Das von Schimmel mitgegründete Unternehmen aTyr Pharma in San Diego sieht die AARS-Proteine selbst als eine völlig neue Klasse von Medikamenten an, die sich von kleinen Molekülen oder anderen biologischen Wirkstoffen unterscheidet. Das Unternehmen führt derzeit eine klinische Studie durch, in der ein Teil des Histidin-Enzyms, HisRS, zur Behandlung entzündlicher Lungenerkrankungen getestet wird.

Alternative AARS-Funktionen sind in niederen Organismen wie Bakterien seit den 80er Jahren bekannt, aber ihre Aktivitäten sind nicht sehr umfangreich, sagt Schimmel. In den 90er Jahren begannen Schimmel und andere, nicht-kanonische Funktionen in höheren Eukaryonten aufzudecken, angefangen mit unerwarteten Funktionen in der Angiogenese. Die Entdeckung neuer Funktionen für diese alten Proteine war „eine große Überraschung“, sagt David Dignam, Biochemiker an der Universität von Toledo. Aber angesichts der vielfältigen Funktionen, die Forscher bei der Untersuchung von AARS entdeckt haben und von denen viele wichtige Krankheitswege berühren, hält Dignam den Ansatz von aTyr für sinnvoll. „Die Behauptung, dass man auf dieser Grundlage Medikamente herstellen kann, ist meiner Meinung nach sehr logisch.“

Während andere Proteine sekundäre Funktionen übernommen haben, ist die Anzahl und Vielfalt der in den AARSs gefundenen Nebeneffekte bemerkenswert, sagt Schimmel. Und er glaubt nicht, dass das ein Zufall ist. Diese speziellen Synthetasen sind vorhanden und stehen der Evolution zur Verfügung, um sie zu verändern, seit es proteinbasiertes Leben gibt. Da sie eine wesentliche Rolle bei der Proteinsynthese spielen, werden sie ständig produziert und es ist unwahrscheinlich, dass sie aus einem lebensfähigen Genom verschwinden. Das macht sie zu einem stabilen Substrat für neue Funktionsdomänen. Darüber hinaus verfügen sie über spezifische Aminosäure-Bindungsstellen, die für die Interaktion mit anderen Proteinen bereit sind.

„Das ist wie ein Schloss und ein Schlüssel“, sagt Schimmel. „Jedes Protein, das eine nette Seitenkette hat, die zu einer Synthetase passt, könnte ein Partner werden.“

Bau und Blockierung von Blutgefäßen

Schimmel sagt, er sei schon lange von der ursprünglichen Funktion der AARSs fasziniert: der Interpretation des genetischen Codes. In den 90er Jahren sequenzierte Schimmels Labor, damals am MIT, die AARS-Gene. „Wir waren daran interessiert, kleine Moleküle zu entwickeln, die auf diese Gene abzielen und ihre Aktivitäten auf bestimmte Weise beenden“, sagt er. Wenn sich zum Beispiel das AARS eines Krankheitserregers stark von dem des Menschen unterscheidet, so seine Überlegung, könnte man ein Antibiotikum entwickeln, das die Proteinsynthese im Infektionserreger ausschaltet.

Schimmels damaliger Postdoktorand Keisuke Wakasugi interessierte sich für die Sequenz des Gens, das für TyrRS, das AARS für Tyrosin, kodiert. Beim Menschen enthält TyrRS ein zusätzliches Segment am Carboxylende des Enzyms, ein Merkmal, das bei Prokaryoten oder niederen Eukaryoten nicht vorhanden ist. Die Aminosäuresequenz für diesen Teil des Proteins ähnelte der eines menschlichen Zytokins, EMAP II, das zirkulierende Immunzellen in Gewebe rekrutiert, um Entzündungen zu fördern. Wakasugi beschloss, diese Carboxyl-Domäne auf cytokinähnliche Aktivität zu testen.

„Das ist eine dumme Idee“, erinnert sich Schimmel. Aber Wakasugi machte weiter, und tatsächlich wirkte die TyrRS-Carboxyl-Domäne genau wie EMAP II und veranlasste kultivierte Phagozyten und Leukozyten zur Migration und zur Freisetzung von Entzündungssignalen. Die TyrRS-Domäne in voller Länge hingegen beeinflusste das Verhalten der Zellen nicht. Das deutete auf die Möglichkeit hin, dass die Carboxyl-Domäne vom TyrRS für Immunfunktionen abgebrochen werden könnte. Niemand im Labor wollte die Entdeckung zunächst glauben, also wiederholte Wakasugi die Experimente mit denselben Ergebnissen.

Obwohl es mehr als ein Jahrzehnt dauern sollte, um zu zeigen, dass solche AARS-Fragmente tatsächlich in einem lebenden Tier vorhanden und relevant waren, wusste Wakasugi, dass er etwas auf dem Kasten hatte. „Paul und ich waren sehr aufgeregt, als wir eine neue und unerwartete Funktion des menschlichen TyrRS entdeckten“, erinnert sich Wakasugi, der heute als Biochemiker an der Universität von Tokio tätig ist. „Während dieses Projekts hatte ich das Gefühl, dass wir die Tür zu einem ganz neuen Forschungsgebiet geöffnet haben.“

Im Rahmen derselben Studie untersuchte Wakasugi auch die aminoterminale, katalytische Domäne von TyrRS, um herauszufinden, ob sie auch die Zellmigration beeinflussen könnte. Sie verhielt sich in einer Weise, die an das Zytokin Interleukin-8 (IL-8) erinnerte. Sowohl das aminoterminale Fragment von TyrRS als auch IL-8 binden an den IL-8-Rezeptor auf bestimmten Leukozyten und veranlassen sie, in der Kultur zu wandern.

Schimmel rekrutierte Xiang-Lei Yang, einen Postdoktoranden mit Fachkenntnissen in Strukturbiologie, für sein Labor bei Scripps in La Jolla, Kalifornien, um zu untersuchen, wie TyrRS alternative Funktionen verwalten könnte. Yang konzentrierte sich auf eine bestimmte Aminosäuresequenz, Glutaminsäure-Leucin-Arginin, die für die Zytokinaktivität des Synthetasefragments erforderlich ist. Die gleiche Sequenz wurde auch in IL-8 und verwandten Zytokinen gefunden. In Kristallstrukturen stellte sie fest, dass TyrRS in voller Länge dieses Motiv verbarg, während es im cytokinähnlichen Fragment freilag.

IL-8 ist dafür bekannt, dass es die Bildung und das Wachstum von Blutgefäßen fördert, also testete Wakasugi sein aminoterminales TyrRS-Fragment auch auf seine angiogene Aktivität. Als er Mäusen ein Stück Gel injizierte, das das Fragment enthielt, wuchsen Blutgefäße und durchzogen das Gel. Um diese Wirkung weiter zu erforschen, rief Schimmel seinen Scripps-Kollegen Martin Friedlander an, einen Augenarzt und Zell- und Entwicklungsbiologen, und bat ihn, das TyrRS-Fragment in seinen Mausmodellen für die Gefäßbildung im Auge zu testen. Friedlander stimmte zu, bat aber auch um eine Kontrollgruppe. So stellte Wakasugi neben dem menschlichen TyrRS-Fragment eine natürliche Spleißvariante des Tryptophan-Enzyms, TrpRS, zur Verfügung, bei der das Glutaminsäure-Leucin-Arginin-Motiv fehlt.

Die Ergebnisse, erinnert sich Friedlander, waren nicht genau das, was er erwartet hatte. TrpRS, die vermeintliche Kontrolle, „hatte eine viel stärkere Wirkung“, sagt Friedlander, der auch Präsident des Lowy Medical Research Institute in La Jolla ist. Diese Wirkung war jedoch das Gegenteil der TyrRS-Wirkung: Anstatt die Angiogenese zu fördern, wie Wakasugi im Gel gesehen hatte, blockierte das TrpRS-Fragment die Angiogenese in Säugetierzellkulturen, Hühnerembryonen und Mausaugen. „TyrRS und TrpRS haben sich möglicherweise als gegensätzliche Regulatoren der Angiogenese entwickelt“, sagt Wakasugi.

Wissenschaftler waren zunächst gegen die Idee, dass ein AARS Funktionen haben könnte, die über die Proteinsynthese hinausgehen. Yang erinnert sich, dass sie kurz nach der Veröffentlichung von Wakasugis Arbeit zur Angiogenese an einer Konferenz teilnahm, auf der die anderen nicht wussten, dass sie eine Schimmel-Anhängerin war. Inkognito hörte ich, wie skeptisch die Fachwelt gegenüber diesen Entdeckungen war“, erinnert sie sich. „Ich kann es ihnen nicht verdenken. Ich wäre auch verwirrt.“

MOONLIGHTING ENZYMES Aminoacyl-tRNA-Synthetasen spielen eine grundlegende Rolle bei der Übersetzung von Proteinen, indem sie Transfer-RNAs mit ihren entsprechenden Aminosäuren verbinden. Aber in den Hunderten von Millionen Jahren, die sie existieren, haben diese Synthetasen (AARS) mehrere Nebenaufgaben übernommen. Eine davon ist die Steuerung der Entwicklung des Gefäßsystems der Wirbeltiere. © Thom Graves
	Mehrere AARSs spielen eine Rolle bei der Entwicklung des Kreislaufsystems der Wirbeltiere. Während der Entwicklung regelt das Serin-Enzym SerRS die Expression des vaskulären endothelialen Wachstumsfaktors A (VEGF-A) herunter und verhindert so eine übermäßige Gefäßbildung.
	Außerdem verbindet sich eine Combo-Synthetase für Glutaminsäure und Prolin, GluProRS, mit anderen Proteinen, um den Interferon-γ-aktivierten Translationsinhibitor (GAIT)-Komplex zu bilden, der die Translation von VEGF-A blockiert.
	Ein Teil der Tryptophan-Synthetase TrpRS trägt ebenfalls zur Dämpfung der Angiogenese bei, indem es VE-Cadherin-Rezeptoren auf Endothelzellen bindet und blockiert, so dass sie sich nicht zu einer Blutgefäßauskleidung zusammenschließen können.
	Ein Fragment der Tyrosinsynthetase TyrRS scheint indessen das Wachstum von Blutgefäßen zu fördern, indem es die Migration dieser Endothelzellen stimuliert.
Wann sind diese Funktionen in der Evolution entstanden Die Hinzufügung von akzessorischen Domänen, die solche Aufgaben erfüllen, verläuft nach Ansicht des Biochemikers Paul Schimmel vom Scripps Research Institute parallel zu wichtigen Ereignissen in der Evolution des Kreislaufs. Das erste Blutgefäßsystem, dem das bei modernen Wirbeltieren vorhandene Endothel fehlte, entstand wahrscheinlich bei einem gemeinsamen Vorfahren von Wirbeltieren und Gliederfüßern vor etwa 700 bis 600 Millionen Jahren. Etwa zur gleichen Zeit erhielt TyrRS ein Glutaminsäure-Lysin-Arginin-Motiv, von dem man heute annimmt, dass es die Angiogenese fördert. Dann, vor etwa 540 bis 510 Millionen Jahren, entwickelte ein Ur-Wirbeltier ein geschlossenes Gefäßsystem, bei dem das Blut durch von Endothel ausgekleidete Gefäße gepumpt wird. Irgendwann im gleichen Zeitraum vor einer halben Milliarde Jahren erhielt TrpRS eine WHEP-Domäne, die heute seine Fähigkeit zur Blockierung der Angiogenese steuert. Darüber hinaus erwarb SerRS eine für dieses Enzym einzigartige Domäne, die nun eine übermäßige Gefäßbildung im sich entwickelnden Zebrafisch und wahrscheinlich auch in anderen Wirbeltieren verhindert. Die Rolle von GluproRS bei der Angiogenese scheint dagegen nicht so genau auf die Evolution der Gefäße abgestimmt zu sein. Ein Linkerprotein verband die AARSs für die Glutaminsäure- und Prolin-Enzyme vor etwa 800 Millionen Jahren, also bevor es Kreislaufsysteme gab. © THOM GRAVES
700-600 MYA Ein primitives Kreislaufsystem erscheint beim gemeinsamen Vorfahren der Gliederfüßer und Wirbeltiere. Mit Endothelzellen ausgekleidete Blutgefäße sind noch nicht vorhanden. TyrRS erwirbt eine Domäne, die heute die Angiogenese fördert. 540-510 MYA Das geschlossene Kreislaufsystem mit von Endothelzellen ausgekleideten Blutgefäßen erscheint bei einem Vorfahren der Wirbeltiere. TrpRS erwirbt eine Domäne, die die Angiogenese in modernen Tieren blockiert. SerRS erwirbt eine Domäne, die heute die Gefäßentwicklung im Zebrafisch und wahrscheinlich in anderen Wirbeltieren reguliert.

Gefäße und mehr

Die von Wakasugi und Kollegen entdeckten TyrRS- und TrpRS-Funktionen waren zwar interessant, aber es war nicht klar, dass die Enzymfragmente diese Funktionen tatsächlich in vivo erfüllen. Yang erkannte, dass sie, um sich selbst und anderen Wissenschaftlern Vertrauen in die nicht-kanonischen Funktionen von AARSs zu geben, Beweise dafür finden musste, dass sie in Tieren vorkommen.

Das Team hat dies noch immer nicht für TrpRS oder TyrRS getan, aber Wakasugi fand ihre Gelegenheit mit dem Serin-Enzym, SerRS. In mehreren veröffentlichten genetischen Untersuchungen an Zebrafischen wurden Mängel in der Gefäßentwicklung festgestellt, wenn SerRS mutiert war. Aber Mutationen, die die Fähigkeit des Enzyms, tRNAs und Aminosäuren zu verknüpfen, ausschalteten, verursachten keine derartigen Defekte, was darauf hindeutet, dass etwas anderes vor sich ging.

Um herauszufinden, was, wandte sich Yang einer Sequenz zu, die UNE-S getauft wurde und in SerRS von Wirbeltieren, aber nicht von Wirbellosen vorkommt. Yangs Team – sie ist seit 2005 an der Scripps-Fakultät tätig und teilt sich nun ein Labor mit Schimmel – identifizierte schnell eine Kernlokalisierungssequenz innerhalb von UNE-S und stellte fest, dass Mutationen, die dieses Signal verändern, die Gefäßdefekte in Zebrafischembryonen verursachen. Im Zellkern, so fanden sie heraus, scheint SerRS die Expression des vaskulären endothelialen Wachstumsfaktors A (VEGFA) zu minimieren. Die 2012 veröffentlichte Studie war die erste, die eine essenzielle, natürliche Rolle für eine akzessorische Domäne von AARS in einem lebenden Tier aufzeigte. Kurz darauf berichtete das Team, dass die nukleäre SerRS VEGFA blockiert, indem sie mit c-Myc, einem Transkriptionsfaktor, der normalerweise die Expression des Gens fördert, konkurriert und ihn stört.

In der Zwischenzeit versuchten die Gruppen von Schimmel und Yang weiterhin, die nicht-kanonischen Funktionen von TrpRS und TyrRS zu erklären, auch wenn sie weitere Nebenaufgaben für diese Enzyme fanden. Yang leitete Studien über die Struktur und den Mechanismus des TrpRS-Fragments. Sie entdeckte, dass TrpRS in voller Länge keinen Einfluss auf die Angiogenese hat, weil es von einer WHEP-Domäne gekappt wird – so genannt, weil diese Domäne in Aminoacyl-tRNA-Synthetasen für Tryptophan (W), Histidin (H), Glutaminsäure (E) und Prolin (P) sowie in den Glycin- und Methionin-Enzymen vorkommt. Das Team von Yang fand heraus, dass TrpRS an einen zellulären Rezeptor namens VE-Cadherin bindet, wenn es durch Proteasen im Extrazellulärraum entkappt wird. Insbesondere Tryptophane im Rezeptor scheinen in das aktive Zentrum von TrpRS einzudringen, um die Bindung herzustellen. Deshalb stellte Wakasugi fest, dass nur das Fragment, nicht aber das vollständige TrpRS, die Angiogenese blockierte.

In jüngster Zeit hat sich Schimmel auch für Aminosäure-ähnliche Verbindungen auf pflanzlicher Basis interessiert, wie z. B. Resveratrol, das in Rotwein enthalten ist und gegen oxidativen Stress wirken soll. Resveratrol und Tyrosin ähneln sich insofern, als beide einen Phenolring enthalten, der für die Fähigkeit von Resveratrol, die Expression von pro- und antioxidativen Genen zu beeinflussen, wichtig ist. Im Jahr 2015 berichtete Schimmels Team, dass sich TyrRS unter Stressbedingungen in den Zellkern menschlicher kultivierter Zellen oder lebender Mäuse bewegt, wo das vorhandene Resveratrol genau in das aktive Zentrum von TyrRS passt. Dadurch wird die normale katalytische Aktivität von TyrRS zur Verbindung von Tyrosinmolekülen mit den entsprechenden tRNAs ausgeschaltet. Stattdessen stimuliert TyrRS die Aktivierung von PARP-1, einem Enzym, das an der DNA-Reparatur beteiligt ist.

Einige Jahre später fand das Team heraus, dass eine alternativ gespleißte Version von TyrRS die Thrombozytenproliferation in Mäusen und kultivierten Zellen stimuliert und möglicherweise zur Behandlung von Menschen mit niedriger Thrombozytenzahl eingesetzt werden könnte.

Schimmel erwartet, dass nicht-kanonische AARS-Funktionen die Gruppe noch lange beschäftigen werden. „Wir kratzen gerade mal an der Oberfläche dessen, was es zu lernen gibt“, sagt er. „Ich bin von diesen Enzymen genauso begeistert oder sogar noch begeisterter, als ich vor Jahrzehnten damit angefangen habe.“

Management von Entzündung und Stoffwechsel

Als die Beweise für nicht-kanonische Funktionen von AARSs aus Schimmels Labor durchsickerten, untersuchte Paul Fox, ein Biochemiker am Lerner Research Institute der Cleveland Clinic, die Kontrolle von Entzündungen in Makrophagen. Konkret untersuchte sein Team einen Komplex, der entsteht, wenn die Zellen dem Zytokin Interferon-γ ausgesetzt sind. Ein Proteinkomplex namens GAIT (für Interferon-γ-aktivierter Translationsinhibitor), der in Makrophagen gebildet wird, bindet an entzündungsrelevante mRNAs und blockiert sie. Innerhalb des Komplexes fanden die Forscher GluProRS, ein Enzym, das die AARSs für Glutaminsäure und Prolin enthält.

„Wir sind nur ganz zufällig darauf gestoßen“, erinnert sich Fox. „Ich dachte nicht, dass es ein interessantes Enzym ist.“ Aber er wusste von Schimmels Arbeit, und er griff zum Telefon, um Scripps anzurufen.

Nach einer Minute unterbrach Schimmel das Gespräch, um Fox in dem, wie er es nannte, aufregendsten Bereich der AARS-Forschung willkommen zu heißen: den nicht-kanonischen Funktionen. Schimmel versprach auch seine Unterstützung, so Fox. „Seitdem ist er ein großer Unterstützer und Freund.“ Mit Hilfe von Sunghoon Kim, einem ehemaligen Postdoc des Schimmel-Labors, der jetzt an der Yonsei-Universität in Südkorea tätig ist, entdeckte Fox‘ Team, dass Interferon-γ GluProRS dazu veranlasst, phosphoryliert zu werden, seinen Platz in der Translation zu verlassen und sich mit den anderen GAIT-Mitgliedern zusammenzuschließen, um die Produktion von Entzündungsproteinen zu stoppen.

Es ist nicht klar, warum sich die Glutaminsäure- und Prolinsynthetasen vor etwa 800 Millionen Jahren zusammengetan haben, aber Fox hat eine Hypothese, die er 2018 veröffentlichte. Prolin wird aus Glutaminsäure synthetisiert, und zu diesem Zeitpunkt der Evolution begannen die entstehenden tierischen Proteine mehr Prolin zu enthalten. Dies könnte zu einem Anstieg der Produktion von ProRS geführt haben, der das gesamte verfügbare Prolin aufzehrte, so dass mehr aus Glutaminsäure hergestellt werden musste. Dies könnte zu einem Defizit an Glutaminsäure geführt haben, was die Proteinsynthese beeinträchtigte. „Die Lösung bestand darin, die beiden Synthetasen in ein einziges Gen zu fusionieren, so dass sie in der gleichen Menge hergestellt werden müssen“, sagt Fox. „

Der Linker zwischen den beiden Synthetasen ist entscheidend für die Aktivität des GAIT-Komplexes; er besteht aus drei WHEP-Domänen, die an Ziel-RNAs binden. Fox vermutet, dass die Zelle den Linker irgendwann nach seinem Auftreten zur Regulierung der Entzündung genutzt hat.

Vor kurzem hat sich das Team von Fox gefragt, ob der GAIT-Signalweg auch in anderen Zellen als Makrophagen funktionieren könnte. Als die Forscher Fettzellen untersuchten, stellten sie fest, dass eine Insulinbehandlung dazu führte, dass GluProRS phosphoryliert wurde und die Proteinsynthesemaschinerie verließ. Es schloss sich jedoch nicht den anderen GAIT-Partnern an. Stattdessen verband es sich mit einem normalerweise zytosolischen Protein namens Fettsäure-Transportprotein 1 (FATP1). Gemeinsam ging das molekulare Duo zur Membran der Fettzelle, wo der Transporter Fettsäuren in die Zelle brachte.

Ich bin genauso begeistert oder sogar noch begeisterter von diesen Enzymen, wie ich es war, als ich vor Jahrzehnten damit anfing.

-Paul Schimmel, Scripps Research Institute

Die Forscher konstruierten eine Maus, der die Phosphorylierungsstelle fehlte, die notwendig ist, um GluProRS freizusetzen, um FATP1 zu finden. Da die Mäuse weniger Fettsäuren speichern konnten, waren sie schlank und wogen etwa 15 bis 20 Prozent weniger als die Kontrolltiere. Außerdem lebten sie fast vier Monate länger, so dass sich ihre Lebensspanne um etwa 15 Prozent erhöhte. Ein ähnlicher Zugewinn bei Menschen würde einem Jahrzehnt oder mehr entsprechen. „Wenn wir diese Phosphorylierungsstelle gezielt angreifen könnten, könnten wir vielleicht die Lebensspanne verlängern“, sagt Fox. Sein Labor befindet sich in einem sehr frühen Stadium der Suche nach einem kleinen Molekül, das diesen Phosphorylierungsvorgang hemmt.

Arzneimittelentwicklung

In den verschiedenen Aufgaben, die AARS über ihre traditionelle Rolle hinaus übernommen haben, sehen Schimmel und Kollegen ein Thema: Sie halten Zellen und Körper stabil. „Sie scheinen eine modulierende Rolle zu spielen, indem sie eine Art Homöostase wiederherstellen“, sagt Leslie Nangle, eine ehemalige Studentin im Labor von Schimmel, die jetzt Senior Director für Forschung bei aTyr Pharma ist. Viele Forscher halten es für riskant, sich mit solch essenziellen Enzymen anzulegen, sagt Kim, aber er und Schimmel sehen ein Potenzial für die Behandlung von Krankheiten durch gezielte Eingriffe in AARSs. Schimmels Unternehmen aTyr, das Kim und Yang ebenfalls mitbegründet haben, hofft, die Enzyme selbst in biologische Therapeutika umzuwandeln. Darüber hinaus leitet Kim in Seoul die gemeinnützige Arzneimittelforschungsorganisation Biocon, wo Forscher mehrere kleine Moleküle entwickeln, die mit AARS interagieren, sowie Biologika, die auf natürlichen AARS-Varianten basieren.

Biocon testet derzeit Moleküle zur Behandlung von Herzfibrose, Alopecia areata (eine Autoimmunkrankheit, die Haarausfall verursacht) und Entzündungen. Eine Fibrosebehandlung, die sich derzeit in einer Phase-1-Studie befindet, zielt auf die Stelle der Prolinsynthetase, die die Aminosäure mit ihrer tRNA verbindet. Fibrose entsteht durch eine Anhäufung von Kollagen, das zu zwei Dritteln aus Prolin besteht. Die Forscher von Biocon haben herausgefunden, dass ein Medikament diese aktive Stelle angreift und die kanonische Funktion in gesunden kultivierten Zellen um mehr als 90 Prozent ausschaltet, ohne die Synthese anderer Proteine oder die Zellproliferation stark zu beeinträchtigen, sagt Kim. Zunächst glaubten er und seine Kollegen nicht an ihre Ergebnisse, aber inzwischen sieht er einen Sinn darin. „Eine normale Zelle führt nicht notwendigerweise die ganze Zeit eine hohe Proteinsynthese durch“, sagt er. „Solange ein gewisses Maß an Restaktivität vorhanden ist, kann eine normale Zelle vollkommen zufrieden sein.“

Für Krebs und andere Erkrankungen entwickelt Biocon kleine Moleküle, die die tRNA-Aminosäure-Verknüpfungsstelle umgehen oder auf die extrazellulären Aktivitäten der sekretierten AARSs abzielen, so dass die Proteinsynthese nicht beeinträchtigt werden sollte. In ähnlicher Weise erwarten die Forscher von aTyr, dass die Therapeutika des Unternehmens, die auf den AARS-Derivaten selbst basieren, relativ sicher sind. „Wenn man aus der Welt der natürlichen Physiologie kommt, hat man ein besseres Gefühl“, sagt Sanjay Shukla, CEO von aTyr.

In der sich entwickelnden Mäusenetzhaut verhindern Fragmente der Tryptophansynthetase TrpRS, denen eine restriktive Proteinkappe fehlt (B, C), die Gefäßbildung einer sekundären Gewebeschicht (rechts). (Die rechten Bilder enthalten die Schatten der angrenzenden primären Schichten, die links dargestellt sind.)

PNAS, 99:178-83, 2002, © 2002 NATIONAL ACADEMY OF SCIENCES

Nangle und Kollegen haben zusammen mit der aTyr-Tochtergesellschaft Pangu Biopharma in Hongkong damit begonnen, natürliche AARS-Spleißvarianten zu katalogisieren und sie dann in einer Reihe von auf menschlichen Zellen basierenden Assays auf interessante biologische Aktivitäten zu untersuchen. Sie untersuchten die Auswirkungen auf die Zellproliferation und den Zellschutz, die Immunmodulation und Entzündung, die Zelldifferenzierung, die Transkriptionsregulierung und den Cholesterintransport. „Wir dachten uns, dass es hier einen therapeutischen Nutzen geben muss“, sagt Schimmel.

Zurzeit arbeitet aTyr an einem Immunmodulator auf der Grundlage der WHEP-Domäne des Histidin-Enzyms HisRS. In menschlichen T-Zell-Kulturen brachte HisRS in voller Länge aktivierte Zellen zur Ruhe und verringerte die Zytokinproduktion. In weiteren Experimenten fanden die aTyr-Forscher heraus, dass die WHEP-Domäne an Rezeptoren auf diesen Immunzellen ankoppelt, um die Aktivität zu dämpfen. Das Unternehmen hofft, dass seine modifizierte Version des HisRS-WHEP-Peptids, die mit einem Antikörper verbunden ist, damit sie länger im Blutkreislauf verbleibt, die gleiche beruhigende Wirkung bei einer entzündlichen Krankheit namens Sarkoidose haben wird. Diese Krankheit befällt eine Vielzahl von Organen, am häufigsten die Lunge, und kann manchmal eine lebenslange Behandlung mit immunsuppressiven Steroiden erfordern. Diese Medikamente haben eine Reihe von elenden und gefährlichen Nebenwirkungen, die von Schlaflosigkeit über Glaukom bis hin zu Infektionen reichen.

aTyr hat auf der Tagung der American Thoracic Society in den Jahren 2017, 2018 und 2019 Ergebnisse aus mehreren Tiermodellen für entzündliche Lungenerkrankungen vorgestellt, die darauf hindeuten, dass der Kandidat 1923 des Unternehmens vielversprechend aussieht. Zum Beispiel kann das Krebsmedikament Bleomycin Lungenschäden verursachen, aber HisRS oder seine WHEP-Domäne reduzierten Entzündung und Fibrose.19 Ratten, die mit Bleomycin behandelt wurden, atmen schnell, um ihre geschädigten Lungen zu kompensieren, aber diejenigen, die mit 1923 behandelt wurden, erreichten wieder normale Atmungsraten.

aTyrs 1923 hat bereits eine Phase-1-Studie zur Sicherheit bei gesunden Menschen durchlaufen, ohne dass es zu roten Fahnen kam. Jetzt führt das Unternehmen eine Phase-1/2-Studie bei Menschen mit Sarkoidose durch, um die Sicherheit zu bestätigen, die richtige Dosierung zu finden und vielleicht sogar Anzeichen für eine Wirksamkeit zu erkennen. Die Patienten nehmen an der Studie teil, während sie Steroide einnehmen, und das Ziel ist es, die Steroiddosis während der Studie zu verringern. Man hofft, dass die Symptome bei denjenigen, die 1923 erhalten, gleich bleiben oder sich verbessern, während sie sich bei denjenigen, die ein Placebo erhalten, mit der Verringerung der Steroiddosis verschlechtern dürften.

Es zeugt von der Notwendigkeit einer neuen Behandlung, dass die Probanden bereit sind, das Risiko einzugehen, dass sich ihre Symptome verschlimmern, wenn sie im Placebo-Arm landen, sagt der teilnehmende Arzt Daniel Culver, ein Lungenfacharzt an der Cleveland Clinic. „Er merkt an, dass einer seiner Patienten sein Steroidrezept als „Teufelsdroge“ bezeichnet, weil es fast genauso viel schadet wie nützt. „Die Menschen sind sehr, sehr motiviert, etwas anderes zu finden.“

Die Studie sollte 36 Teilnehmer aufnehmen, wurde aber durch die COVID-19-Krise verzögert. Bei einer so kleinen Stichprobengröße erwartet Culver keinen „Volltreffer“, aber er hofft, dass die Daten gut genug sind, um eine größere Phase-3-Studie in Angriff zu nehmen. aTyr plant auch eine Phase-2-Studie mit 30 Teilnehmern für 1923 zur Behandlung von Atemwegskomplikationen im Zusammenhang mit COVID-19.

Wenn aTyr Erfolg hat, wäre dies der erste Fall eines Therapeutikums, das auf einem AARS basiert – aber wahrscheinlich nicht der letzte. Nach Kims Ansicht sind AARS bereit, auf alles zu reagieren, was die Homöostase in Frage stellt, von Krebs bis hin zu neuartigen Coronaviren. „Ich nenne die Synthetasen ‚Molecular 911‘.“

Korrektur (2. Juni 2020): In der ursprünglichen Version einer Tabelle in diesem Artikel hieß es, dass während der HIV-Infektion die Synthetase für Lysin (LysRS) in neue Viruspartikel verpackt wird, die ihre UUU-Sequenz verwenden, um die reverse Transkription in neu infizierten Zellen zu starten. Vielmehr verwenden die Viruspartikel LysRS, um die zugehörige tRNA zu liefern, die als Promotor für die reverse Transkription verwendet wird. The Scientist bedauert den Fehler.