Das Inositol-requiring Enzym (IRE) ist eine transmembranäre Endonuklease des endoplasmatischen Retikulums (ER), die als Bestandteil der Unfolded-Protein-Response (UPR) als Reaktion auf ER-Stress aktiviert wird. Eine chronische Aktivierung der UPR steht mit der Pathogenese zahlreicher häufiger Erkrankungen in Zusammenhang, darunter Diabetes, Krebs sowie neuropathologische Erkrankungen wie Morbus Huntington und Morbus Alzheimer. 7‑Hydroxy‑4‑methyl‑2‑oxo‑2H‑chromen‑8‑carbaldehyd (4µ8C) wird широко als spezifischer Inhibitor der Ribonukleaseaktivität von IRE1α eingesetzt (IC50 in kultivierten Zellen: 6,89 µM).

Abbildung 1. Proteinstruktur von IRE.

Korrelation zwischen IRE1α‑Kinase und IRE1α‑Nuklease

Die IRE1α‑Kinase ist eine Kinase, die durch Autophosphorylierung aktiviert wird. Als bifunktionelles Enzym steht IRE1α seit jeher im Fokus hinsichtlich der Beziehung zwischen Kinase- und Nukleasefunktion. Frühere Literatur legte nahe, dass die Phosphorylierung der Kinase für die Aktivierung der Nuklease erforderlich ist. Einige Studien haben diese Auffassung jedoch revidiert: Eine Mutation der ATP‑Bindungsstelle der IRE1α‑Kinase verhindert die normale ATP‑Bindung, wodurch die Kinase ihre Autophosphorylierungsfunktion nicht ausüben kann und somit nicht aktiviert wird. Dies scheint darauf hinzudeuten, dass die Fähigkeit von IRE1α zur Phosphatgruppenübertragung für die Aktivierung der Nuklease nicht zwingend erforderlich ist. Andere Arbeiten deuten darauf hin, dass eine Hemmung der IRE1α‑Kinaseaktivität die Nukleaseaktivität tatsächlich aktivieren kann. In der Folge wurde berichtet, dass ein kompetitiver Inhibitor der IRE1α‑Kinase sowohl die Autophosphorylierung der IRE1α‑Kinase als auch die Spaltung von Nukleasesubstraten hemmt. Daher wurde vorgeschlagen, dass die IRE1α‑Nukleaseaktivität direkt von der Autophosphorylierung ihrer Kinase abhängt.

Funktionen

Das von diesem Gen kodierte Protein ist das ER‑to‑Nucleus Signaling 1‑Protein und ein humanes Homolog des Hefe‑Genprodukts Ire1. Dieses Protein besitzt intrinsische Kinaseaktivität sowie Endoribonukleaseaktivität und ist wesentlich für die Modulation der Genexpression als Antwort auf stressinduzierte Signale aus dem endoplasmatischen Retikulum (insbesondere im Rahmen der Unfolded‑Protein‑Response). Es wurden zwei alternativ gespleißte Transkriptvarianten des Gens identifiziert, die unterschiedliche Isoformen kodieren.

Signalübertragung

IRE1α verfügt über zwei funktionelle Enzymdomänen: eine Endonuklease sowie eine trans‑autophosphorylierte Kinasedomäne. Nach Aktivierung oligomerisiert IRE1α und vermittelt eine unkonventionelle RNA‑Spleißaktivität, entfernt ein Intron aus der mRNA des X‑box‑binding protein 1 (XBP1) und ermöglicht deren Translation zum funktionellen Transkriptionsfaktor XBP1s. XBP1s reguliert ER‑Chaperone und Gene der ER‑assoziierten Degradation (ERAD) hoch und fördert dadurch die Wiederherstellung der ER‑Homöostase unter Stressbedingungen.

Die IRE1α‑Kinase ist ein Schlüsselfaktor für das Tumorwachstum

Die Proliferationskapazität von Tumorzellen ist deutlich höher als die normaler Zellen. Zunehmend zeigen Studien, dass benigne Tumoren eine geringe Angiogenese und ein langsames Gefäßwachstum aufweisen, während die meisten malignen Tumoren durch ausgeprägte Angiogenese und rasches Wachstum gekennzeichnet sind, um die Proliferation der Tumorzellen aufrechtzuerhalten. Die hierfür erforderliche Nährstoff- und Substratversorgung durch den Transport über Blutgefäße schafft die entsprechenden Voraussetzungen. Daher spielt die Angiogenese eine zentrale Rolle beim Tumorwachstum, und eine Hemmung dieses Prozesses kann das Tumorwachstum wirksam begrenzen. Der vaskuläre endotheliale Wachstumsfaktor (VEGF) ist für die Angiogenese in normalen Geweben unverzichtbar und zugleich ein entscheidender Determinant der Tumorangiogenese. Der ischämische Zustand im Tumormikromilieu unter pathologischen Bedingungen führt zu einem Mangel an Sauerstoff, Glukose und Nährstoffen im Tumorgewebe, was eine Hochregulation der VEGF‑Expression und Veränderungen im Tumormikromilieu zur Folge hat.

Referenz:

1. Tirasophon W; et al. A stress response pathway from the endoplasmic reticulum to the nucleus requires a novel bifunctional protein kinase/endoribonuclease (Ire1p) in mammalian cells. Genes Dev. 1998, 12 (12): 1812–24.