NADK

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Einleitung

Hoch proliferierende Krebszellen benötigen ausreichende Mengen an NADH und NADPH als Reduktionsäquivalente für die reduktive Synthese von Proteinen, Nukleinsäuren und Lipiden (Abbildung 1A). Ein Mangel an diesen Substanzen führt zum Stillstand des Zellwachstums und schließlich zum Zelltod. NADPH spielt zudem 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 Malatenzyme M1 und M2 bei der Generierung von NADPH (Tedeschi, P.M.; et al. 2016.)

Eine Absenkung der NADPH-Spiegel dürfte zwei Effekte auf das Tumorüberleben haben: die Hemmung zentraler biosynthetischer Signal- bzw. Stoffwechselwege sowie eine reduzierte Fähigkeit von Krebszellen, erhöhte ROS-Spiegel zu neutralisieren. Eine Schlüsselrolle in der Regulation von NADPH kommt der NAD⁺-Kinase (NADK) zu, die NADP produziert, welches anschließend unter Einwirkung von Dehydrogenasen zu NADPH reduziert wird. NADK wurde bereits 1950 aus Saccharomyces cerevisiae isoliert und identifiziert und seither aus einer Vielzahl von Organismen aufgereinigt.

Die humane zytoplasmatische NADK (cNADK) ist ein obligates Dimer mit einer Monomergröße von etwa 50 kDa. Humane cNADK kann anorganisches Phosphat nicht als Substrat nutzen. Das aktive Zentrum des Enzyms setzt sich aus Anteilen zweier Monomere zusammen, was ein charakteristisches Merkmal dieses Enzyms darstellt (Abbildung 1B). Struktur und Funktion der humanen 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 gebildeten ROS spielen könnte. Bislang konzentrierten sich die meisten Bemühungen zur Untersuchung von NADK-Inhibitoren aufgrund der Unterschiede in Struktur und Substratspezifität zwischen prokaryotischen und mammalischen NADK-Aktivzentren auf pathogene Bakterien. Derzeit werden umfangreiche Forschungsaktivitäten zu NADK-Inhibitoren zur Behandlung multiresistenter Malaria und Tuberkulose durchgeführt. Eine Inhibition der humanen NADK zur Behandlung von Erkrankungen wie Entzündungen und Krebs wurde erst in jüngerer Zeit in Betracht gezogen.

Abbildung 2. Modell von NAD⁺ (raumfüllendes Modell) gebunden an humane NADK, wobei jedes Monomer grün bzw. cyan eingefärbt ist, erstellt mit PyMOL (Tedeschi, P.M.; et al. 2016.)

Mitochondriale Lokalisation von NADK

Obwohl NADPH und NADK eine zentrale Rolle bei der Regulation zellulärer ROS spielen, haben jüngere Studien gezeigt, dass ein Knockdown von cNADK nur einen moderaten Effekt auf die ROS-Spiegel hat. Weitere Untersuchungen zeigten, dass cNADK (zytoplasmatische NADK) nur zu einem minimalen Schutz vor ROS beiträgt. Pollak und Kolleg:innen gehen davon aus, dass humane Zellen für die oxidative Abwehr stärker auf NADP⁺-abhängige Dehydrogenasen zur Reduktion von NADP⁺ angewiesen sein könnten als auf die Höhe der NADP⁺-Spiegel selbst. Die kürzlich identifizierte mitochondriale NADK (mNADK) kann dieses Ergebnis ebenfalls erklären. Da NADP die Membran nicht passieren kann, wurde lange die Existenz einer mitochondrialen NADK postuliert; eine Charakterisierung erfolgte jedoch erst vor Kurzem. Mitochondriales NADH und NADPH sind für den Schutz vor oxidativem Stress sowie für die Biosynthese von Makromolekülen erforderlich. mNADK könnte eine unverzichtbare Rolle bei der Bereitstellung von NADH und NADPH spielen, um Mitochondrien vor ROS zu schützen. Aufgrund erhöhter ROS-Spiegel in Tumorzellen erscheint eine Hemmung von mNADK als potenzielle Strategie zur Krebstherapie. Da dieses Enzym jedoch eine Schlüsselrolle beim Schutz von Herz und Gehirn vor ROS spielen könnte, könnte dieser Ansatz für den klinischen Einsatz zu toxisch sein und müsste einer umfassenden, sorgfältigen Prüfung unterzogen werden.

Expression der zytoplasmatischen NADK bei Krebs

Eine neue cNADK-Mutante, NADK-I90F, wurde aus Mutanten bei Patient:innen mit pankreatischem duktalem Adenokarzinom isoliert; anschließend wurden ihre molekulare Struktur und Enzymaktivität charakterisiert. Im Vergleich zum Wildtyp-Enzym weist cNADK-I90F eine höhere V_max und einen niedrigeren K_m für NAD⁺ und ATP auf, was auf eine gesteigerte Aktivität hinweist. In Übereinstimmung mit diesem Befund zeigen Zellen, die diese Mutante exprimieren, erhöhte NADPH-Spiegel und niedrige ROS-Spiegel. Bei der Untersuchung der Effekte von NADK-I90F auf Zellen in vitro und in vivo wurde festgestellt, dass die erhöhte Enzymaktivität die Transformation normaler pankreatischer Gangzellen vorantreiben kann. Dies stützt weiter die Auffassung, dass der Wildtyp sowie bestimmte mutierte Formen der cNADK klinisch relevante Enzym-Targets für die Krebstherapie darstellen.