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Der zelluläre Sauerstoffsensor
Dafür gibt es den Medizin-Nobelpreis
Antwort kam aus der Krebsforschung
Die Antwort kam unerwarteterweise aus der Krebsforschung. Zur selben Zeit, als Semenza und Ratcliffe sich mit der sauerstoffabhängigen EPO-Regulation befassten, untersuchte William Kaelin eine seltene, autosomal-dominant vererbte Tumorerkrankung namens Von-Hippel-Lindau-Syndrom (VHLS), bei der Erkrankte ein genetisch stark erhöhtes Risiko für Tumore auf der Netzhaut, in Kleinhirn und Rückenmark sowie in der Niere, Nebenniere und der Bauchspeicheldrüse haben. Kaelin konnte zeigen, dass das VHL-Gen für ein Protein codiert, das Krebsentstehung verhindert. Ebenso zeigte er, dass Krebszellen ohne intaktes VHL-Gen hypoxieregulierte Gene extrem überexprimieren. Bringt man ein intaktes VHL-Gen in Krebszellen ein, normalisiert sich die Expression. VHL scheint also in die Anpassungsmechanismen der Zellen bei Hypoxie involviert zu sein – ein wichtiger Hinweis in Bezug auf die Frage, wie Ubiquitin sauerstoffabhängig an HIF-1α bindet. Weitere Hinweise kamen dann von verschiedenen Gruppen, die zeigen konnten, dass VHL Teil des Komplexes ist, der Proteine mit Ubiquitin markiert und sie so für das Proteasom als „Müll“ markiert. Ratcliffe und seine Gruppe machten dann eine entscheidende Entdeckung: VHL kann mit HIF-1α interagieren und ist für den Abbau von HIF-1α bei normalem Sauerstoffgehalt erforderlich.
Auf der Suche nach dem Schlüssel für den „Sauerstoff-Sensor“
Was man aber immer noch nicht wusste, war, wie der Sauerstoffgehalt die Interaktion zwischen zwischen VHL und HIF-1α steuert. Man konzentrierte sich bei der Suche auf einen bestimmten Abschnitt des HIF-1α-Proteins, von dem man wusste, dass es für die VHL-abhängige Degradation wichtig ist. Kaelin und Ratcliffe vermuteten den Schlüssel für den „Sauerstoff-Sensor“ irgendwo in diesem Bereich des Proteins. 2001 publizierten sie zeitgleich einen Artikel, in dem sie beschreiben, dass HIF-1α bei normalem Sauerstoffgehalt an zwei spezifischen Positionen hydroxyliert wird. Diese sogenannte Prolyl-Hydroxylierung erlaubt VHL HIF-1α zu erkennen und daran zu binden. Zudem ist sie die Erklärung dafür, wie normaler Sauerstoffgehalt mit Hilfe sauerstoffsensitiver Enzyme, den Prolyl-Hydroxylasen, den schnellen HIF-1α-Abbau triggert. Später konnte unter anderem Ratcliffe die verantwortlichen Prolyl-Hydroxylasen auch identifizieren. Außerdem konnte nachgewiesen werden, dass die genaktivierende Funktion von HIF-1α ebenfalls durch sauerstoffabhängige Hydroxylierung gesteuert wird. Somit hatten die Nobel-Preisträger den Mechanismus des zellulären Sauerstoffsensors entschlüsselt.
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