NADK

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Einführung

Hochproliferierende Krebszellen benötigen ausreichende Mengen an NADH und NADPH als Reduktionsmittel für die reduktive Synthese von Proteinen, Nukleinsäuren und Lipiden (Abbildung 1A). Der Mangel an diesen Substanzen führt dazu, dass das Zellwachstum stoppt und schließlich zum Zelltod führt. NADPH spielt auch eine wichtige Rolle bei der Aufrechterhaltung eines gesunden Redoxzustands in Zellen, da es an der Neutralisierung reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) beteiligt ist, die mit schnellem Wachstum assoziiert sind.

Abbildung 1. Die Rolle der NAD⁺ Kinase (NADK) und Dehydrogenasen (G6PD) sowie der malischen Enzyme, M1 und M2, bei der Erzeugung von NADPH (Tedeschi, P.M.; et al. 2016.)

Die Verringerung der NADPH-Spiegel wird voraussichtlich zwei Auswirkungen auf das Überleben von Tumoren haben: die Hemmung wichtiger biosynthetischer Wege und die Verringerung der Fähigkeit von Krebszellen, hohe ROS-Spiegel zu neutralisieren. Eine Schlüsselrolle im Prozess der NADPH-Regulation spielt die NAD⁺ Kinase (NADK), die NADP produziert, das dann unter der Wirkung von Dehydrogenasen in NADPH umgewandelt wird. NADK wurde bereits 1950 aus Saccharomyces cerevisiae isoliert und identifiziert und seitdem aus verschiedenen Organismen gereinigt.

Die menschliche zytoplasmatische NADK (cNADK) ist ein obligater Dimer mit einer Monomere Größe von etwa 50 kDa. Die menschliche cNADK kann kein anorganisches Phosphat verwenden. Die aktive Stelle des Enzyms besteht aus Teilen von zwei Monomeren, was ein charakteristisches Merkmal des Enzyms ist (Abbildung 1B). Die Struktur und Funktion der menschlichen cNADK sind seit mehr als zehn Jahren bekannt. Kürzlich wurde entdeckt, dass die mitochondriale NADK (mNADK) eine wichtige Rolle bei der Kontrolle der in Mitochondrien produzierten ROS spielen könnte. Bisher haben sich die meisten Bemühungen zur Untersuchung von NADK-Inhibitoren auf pathogene Bakterien konzentriert, aufgrund der Unterschiede in der Struktur und dem Substrat zwischen prokaryotischen und mammalischen NADK-aktiven Stellen. Derzeit wurden viele Anstrengungen unternommen, um NADK-Inhibitoren für multiresistente Malaria und Tuberkulose zu erforschen. Die Hemmung der menschlichen NADK zur Behandlung von Krankheiten wie Entzündungen und Krebs wurde erst kürzlich vorgeschlagen.

Abbildung 2. Modell von NAD⁺ (Raumfüllmodell), das an die menschliche NADK gebunden ist, wobei jedes Monomer grün und cyan gefärbt ist, erstellt mit PyMOL (Tedeschi, P.M.; et al. 2016.)

Mitochondrial lokalisierte NADK

Obwohl NADPH und NADK eine entscheidende Rolle bei der Regulierung von zellulären ROS spielen, haben jüngste Studien gezeigt, dass der Knockdown von cNADK nur einen moderaten Einfluss auf die ROS-Spiegel hat. Andere Studien haben gezeigt, dass cNADK (zytoplasmatische NADK) nur zu einem minimalen Schutz vor ROS führt. Pollak und Kollegen glauben, dass menschliche Zellen möglicherweise mehr auf NADP⁺-abhängige Dehydrogenasen angewiesen sind, um NADP⁺ zu reduzieren, als auf NADP⁺ Spiegel für die oxidative Abwehr. Die kürzlich identifizierte mitochondriale NADK (mNADK) kann auch verwendet werden, um dieses Ergebnis zu erklären. Da NADP nicht durch die Membran permeabel ist, wurde lange vermutet, dass mitochondriale NADK existiert, und sie wurde erst kürzlich charakterisiert. Mitochondriales NADH und NADPH sind notwendig, um vor oxidativem Stress und der Biosynthese von Makromolekülen zu schützen. mNADK könnte eine unverzichtbare Rolle bei der Produktion von NADH und NADPH spielen, um Mitochondrien vor ROS zu schützen. Aufgrund der erhöhten ROS-Spiegel in Tumorzellen scheint die Hemmung von mNADK eine Strategie zur Krebsbehandlung zu sein. Da dieses Enzym jedoch eine Schlüsselrolle beim Schutz von Herz und Gehirn vor ROS spielen könnte, könnte diese Methode zu toxisch für die klinische Anwendung sein und muss sorgfältig getestet werden.

Zytoplasmatische NADK-Expression bei Krebs

Ein neuer cNADK-Mutant NADK-I90F wurde aus den Mutanten bei Patienten mit duktalem Adenokarzinom der Bauchspeicheldrüse isoliert, und seine molekulare Struktur und Enzymaktivität wurden anschließend charakterisiert. Im Vergleich zum Wildtyp-Enzym hat cNADK-I90F eine höhere Vmax und niedrigeren Km für NAD⁺ und ATP, was darauf hinweist, dass seine Aktivität erhöht ist. Konsistent mit diesem Ergebnis haben Zellen, die diesen Mutanten exprimieren, erhöhte NADPH-Spiegel und niedrige ROS-Spiegel. Bei der Untersuchung der Auswirkungen von NADK-I90F auf Zellen in vitro und in vivo wurde festgestellt, dass seine erhöhte Enzymaktivität es ihm ermöglicht, die Transformation normaler Pankreasgangzellen voranzutreiben. Dies unterstützt weiter die Ansicht, dass Wildtyp- und bestimmte Mutantenformen von cNADK klinisch relevante Enzymziele für die Krebstherapie sind.