Regulation of RAS-GTPase Activity by Oncofetal Chondroitin Sulfate (Chondroitin 4-Sulfate) and Arylsulfatase B

Krebs beginnt oft mit einem einzigen defekten Schalters innerhalb einer Zelle. Dieser Schalter ist ein Protein namens RAS, das wie ein Torwächter für das Zellwachstum fungiert. Wenn das Tor geschlossen ist, bleibt die Zelle ruhig; wenn es offen ist, erhält die Zelle das Signal zur Teilung. In vielen aggressiven Tumoren bleibt dieses Tor in der offenen Position stecken, was dazu führt, dass sich Zellen unkontrolliert vermehren. Seit Jahrzehnten versuchen Wissenschaftler, diesen defekten Schalter zu reparieren, aber die Form des Proteins macht es nahezu unmöglich, dass Standardmedikamente fest an ihm Halt finden. Während neuere Medikamente gelernt haben, spezifische defekte Versionen dieses Schalters ins Visier zu nehmen, funktionieren sie nicht für jeden Patienten, und der Krebs findet oft einen Weg, sie zu umgehen. Dies hat Forscher dazu veranlasst, nach einer anderen Strategie zu suchen: Anstatt zu versuchen, den defekten Schalter direkt zu flicken, suchen sie nach Wegen, das Signal auszuschalten, das den Schalter überhaupt erst in der offenen Position hält.

Eine neue Studie von Forschern des Jesse Brown VA Medical Center untersucht einen überraschenden Weg zur Lösung dieses Problems. Sie entdeckten, dass die Aktivität des RAS-Schalters eng mit einem Zuckermolekül verbunden ist, das sich auf der Oberfläche von Zellen befindet, bekannt als Chondroitin-4-Sulfat. Dieser Zucker ist Teil einer größeren Familie von Molekülen, die unsere Zellen überzieht und dabei ähnlich wie eine schützende Decke oder ein Kommunikationsnetz wirkt. Die Forscher konzentrierten sich auf ein Enzym namens Arylsulfatase B, das wie eine molekulare Schere fungiert. Seine Aufgabe ist es, ein spezifisches chemisches Etikett, eine Sulfatgruppe, von dem Chondroitin-4-Sulfat-Zucker abzuschneiden. Wenn dieses Enzym normal arbeitet, hält es den Zucker in einem bestimmten Zustand. Wenn das Enzym jedoch fehlt oder stummgeschaltet wird, reichert sich der Zucker mit zu vielen Sulfat-Etiketten an.

Das Team wollte untersuchen, was mit dem RAS-Schalter passiert, wenn dieses Zuckergleichgewicht gestört wird. Sie arbeiteten mit menschlichen Melanomzellen, einer Art Hautkrebs, sowie mit normalen Hautzellen und Zellen aus dem Darm. Im Labor verwendeten sie eine präzise Methode, um das Gen auszuschalten, das das Arylsulfatase-Enzym herstellt. Wie erwartet, führte das Ausschalten des Enzyms dazu, dass sich der Chondroitin-4-Sulfat-Zucker anreicherte. Was sie als Nächstes feststellten, war bemerkenswert: Der RAS-Schalter, der eigentlich ruhig sein sollte, sprang plötzlich in seinen aktiven Zustand. Die Aktivität dieses Schalters stieg dramatisch an und erhöhte sich in einigen Fällen um bis zu 222 Prozent. Umgekehrt wurde, als die Forscher eine künstliche Version des Enzyms zurück in die Zellen gaben, die Zuckerwerte gesenkt und die RAS-Schalteraktivität halbierte sich um mehr als die Hälfte. Dieses Muster zeigte sich nicht nur in einer Zellkulturschale, sondern auch bei Mäusen mit Melanomtumoren, bei denen die Behandlung der Tiere mit dem Enzym die RAS-Schalteraktivität in ihren Lungen- und Hauttumoren reduzierte.

Um zu verstehen, wie ein Zuckermolekül einen Protein-Schalter kontrollieren kann, verfolgten die Forscher die Zwischenschritte. Sie fanden heraus, dass die Anhäufung des sulfatierten Zuckers beeinflusst, wie andere Moleküle in der Zelle miteinander interagieren. Speziell ein Protein namens Galectin-3, das normalerweise an den Zucker bindet, findet es schwieriger, sich zu binden, wenn der Zucker mit Sulfat-Etiketten überladen ist. Dies lässt Galectin-3 frei in der Zelle schwimmen. Dieses frei schwimmende Protein löst dann eine Kettenreaktion aus, die die Produktion eines anderen Proteins namens EGFR erhöht. EGFR ist ein Rezeptor auf der Zelloberfläche, der wie eine Antenne fungiert und nach Wachstumssignalen lauscht. Wenn es mehr dieser Antennen gibt, wird die Zelle hypersensibel für Wachstumssignale, was wiederum den RAS-Schalter dazu zwingt, offen zu bleiben. Die Forscher bestätigten dies, indem sie zeigten, dass, wenn sie die Produktion von EGFR blockierten oder die Signalschritte stoppten, die zu ihm führen, der Anstieg der RAS-Aktivität verschwand, selbst wenn die Zuckerwerte hoch waren.

Die Studie untersuchte auch, wie die Zelle diese Sulfat-Etiketten überhaupt herstellt. Die Etiketten werden durch Enzyme namens Sulfotransferasen hinzugefügt, die sich auf eine universelle Brennstoffquelle namens PAPS verlassen. Als die Forscher die Menge dieser Brennstoffquelle reduzierten, sank die gesamte RAS-Schalteraktivität leicht, was darauf hindeutet, dass die Fähigkeit der Zelle zur Sulfatierung ihrer Zucker direkt mit der Intensität der Arbeit des RAS-Schalters verknüpft ist. Interessanterweise stellten sie fest, dass nicht alle zuckermodifizierenden Enzyme den gleichen Effekt hatten. Das Entfernen der Fähigkeit, ein anderes Typ von Etikett, eine Sechs-Sulfat-Gruppe, hinzuzufügen, veränderte den RAS-Schalter überhaupt nicht. Dies bestätigte, dass das spezifische Vier-Sulfat-Etikett am Chondroitin-Zucker der entscheidende Faktor ist, der die Veränderung vorantreibt.

Die Verbindung zwischen dem Zucker und dem Schalter ist so stark, dass die Forscher eine nahezu perfekte Übereinstimmung zwischen der Menge an Chondroitin-4-Sulfat in den Zellen und der Aktivität des RAS-Schalters fanden. Mit steigenden Zuckerwerten stieg die Schalteraktivität im Gleichschritt an. Sie testeten auch ein Protein namens VAR2CSA, das dafür bekannt ist, fest an diese spezifische Art von Zucker zu binden. Sie fanden heraus, dass VAR2CSA bei hohen Zuckerwerten, die durch den Mangel an dem Enzym entstanden waren, viel stärker an diesen band, was die Bestätigung lieferte, dass sich die Zuckerstruktur so verändert hatte, dass ihre Interaktionen mit anderen Proteinen beeinflusst wurden.

Diese Arbeit legt eine neue Art nahe, über die Kontrolle des Krebswachstums nachzudenken. Anstatt zu versuchen, den defekten RAS-Schalter gewaltsam zu schließen, könnte es möglich sein, die Mengen des spezifischen Zuckers zu senken, der ihn offen hält. Indem man die Aktivität des Arylsulfatase-Enzyms wiederherstellt oder die Produktion des sulfatierten Zuckers blockiert, könnte es möglich sein, die Lautstärke der Wachstumssignale, die Tumore antreiben, herunterzuregeln. Die Forscher merken an, dass zwar neue Medikamente entwickelt werden, um spezifische Mutationen im RAS-Protein ins Visier zu nehmen, dieser Ansatz jedoch einen anderen Winkel bietet, der bei vielen verschiedenen Krebsarten funktionieren könnte, unabhängig von der spezifischen Mutation. Die Ergebnisse weisen auf einen biologischen Pfad hin, auf dem die Chemie der Zuckermoleküle auf der Zelloberfläche das Verhalten der berühmtesten Treiber des Krebs diktieren kann, was ein frisches Ziel für zukünftige Therapien bietet.