Wir alle haben die Auswirkungen eines Adrenalinstoßes gespürt. Angesichts realer oder vermeintlicher Gefahren schlägt das Herz schneller, die Atmung beschleunigt sich und die Muskeln spannen sich an, während sich der Körper darauf vorbereitet, eine Bedrohung zu bekämpfen oder vor ihr zu fliehen.
Die Rolle von Adrenalin bei der Auslösung der Kampf-oder-Flucht-Reaktion ist eines der am besten untersuchten Phänomene in der Biologie. Die genauen molekularen Mechanismen, wie das Hormon die Herzfunktion stimuliert, blieben jedoch unklar.
Jetzt haben Forscher der Harvard Medical School und der Columbia University das langjährige Rätsel gelöst, wie Adrenalin eine Schlüsselklasse von Membranproteinen reguliert – spannungsgesteuerte Kalziumkanäle – die für die Auslösung der Kontraktion von Herzzellen verantwortlich sind.
Mit einer als Proximity Proteomics bekannten Technik entdeckte das Team, dass unter normalen Bedingungen ein Protein namens Rad die Aktivität von Kalziumkanälen dämpft. Wenn Herzzellen einem Medikament ausgesetzt werden, das Adrenalin nachahmt, wird Rad aus dem Kanal freigesetzt, was zu größerer Aktivität und stärkerem Herzschlag führt.
Die Ergebnisse, die am 22. Januar in Nature veröffentlicht wurden, liefern eine mechanistische Beschreibung, wie Adrenalin das Herz stimuliert, und stellen neue Angriffspunkte für die Entdeckung von Herz-Kreislauf-Medikamenten dar.
Insbesondere, sagen die Autoren, könnten die Ergebnisse neue Wege für die Entwicklung von Medikamenten eröffnen, die so wirksam wie, aber potenziell sicherer als Betablocker sind – eine häufig verschriebene Klasse von Medikamenten, die die Wirkung von Adrenalin blockieren, um sie anzugehen Herz-Kreislauf-Probleme wie Bluthochdruck.
"Unter normalen Umständen arbeiten Kalziumkanäle im Herzen effizient, aber sie haben in Form des Proteins Rad eine Handbremse angezogen", sagte Marian Kalocsay, Dozentin für Systembiologie und Direktorin für Proteomik am Laboratory of Systems Pharmakologie an der Harvard Medical School und Co-korrespondierender Autor mit Steven Marx, Professor für Medizin am Vagelos College of Physicians and Surgeons der Columbia University.
"Wenn wir volle Kraft brauchen, löst Adrenalin diese Handbremse, sodass sich diese Kanäle schneller öffnen und den nötigen Schub geben, um zu kämpfen oder vor Gefahren zu fliehen", sagte Kalocsay.
Die Ergebnisse, stellten die Autoren fest, liefern Erkenntnisse, die für Forscher in anderen Bereichen, insbesondere in den Neurowissenschaften, von Interesse sein könnten, da spannungsgesteuerte Kalziumkanäle eine zentrale Rolle bei der neuronalen Erregung spielen.
Als primärer Treiber der Herzfunktion sind spannungsgesteuerte Kalziumkanäle in die Membranen von Kardiomyozyten eingebettet – den Zellen, die den Herzmuskel bilden. Diese Kanäle öffnen und schließen sich, um den Fluss von Calciumionen in die Zelle zu steuern. Im geöffneten Zustand löst der Calciumeinstrom die Herzkontraktion aus.
Adrenalin stimuliert spannungsgesteuerte Kalziumkanäle, indem es ein Protein namens PKA aktiviert, das wiederum den Kanal aktiviert. Es wurde jahrzehntelang angenommen, dass PKA dies tut, indem es bestimmte Regionen auf dem Kanal verändert, die als PKA-Phosphorylierungsstellen bekannt sind, aber eine wachsende Zahl von Beweisen deutete darauf hin, dass diese Hypothese falsch war.
In der aktuellen Studie veränderte das Team Mäuse mit Kardiomyozyten, denen PKA-Phosphorylierungsstellen fehlen. Sie fanden heraus, dass modifizierte Zellen weiterhin reagierten, wenn sie durch ein adrenalinähnliches Medikament stimuliert wurden, was auf das Vorhandensein eines unbekannten Faktors hindeutet.
Die Forscher wandten sich der Proximity-Proteomik zu, einer Technik, die es ihnen ermöglichte, fast jedes Protein zu identifizieren, das sich in der Nähe von spannungsgesteuerten Kalziumkanälen in einem Abstand von etwa 20 Nanometern oder der 10-fachen Breite eines DNA-Strangs befindet. Sie profilierten Proteine sowohl in Maus-Kardiomyozyten als auch in intakten, funktionsfähigen Mausherzen vor und nach der Exposition gegenüber einem adrenalinähnlichen Medikament.
Die Analysen ergaben, dass nur ein Protein, Rad, nach Adrenalineinwirkung durchweg eine große Veränderung der Spiegel aufwies, die in der Nähe der Kanäle um etwa 30 bis 50 Prozent abnahm.
Zur weiteren Untersuchung stellten die Forscher dieses Signalsystem außerhalb von Herzzellen nach, indem sie sowohl Rad- als auch spannungsgesteuerte Kalziumkanäle in menschlichen Nierenzellen exprimierten, die normalerweise beides nicht enth alten. Wenn Zellen mit sowohl Rad- als auch Calciumkanälen einem adrenalinähnlichen Medikament ausgesetzt wurden, stieg die Kanalaktivität dramatisch an. Zellen ohne Rad hatten wenig bis gar keine Reaktion. Bisher sei es nicht möglich gewesen, die Modulation von Calciumkanälen auf diese Weise zu reproduzieren, da Rad als entscheidender Inh altsstoff fehlte, so die Autoren.
Zusätzliche Experimente bestätigten, dass Rad dazu dient, die Aktivität von spannungsgesteuerten Kalziumkanälen zu dämpfen. Bei einem adrenalinähnlichen Signal modifiziert PKA Regionen des Rad-Proteins, das sich dann vom Kanal dissoziiert, um seine Aktivität zu erhöhen.
Die Entdeckung eröffnet neue Wege in der Forschung, da spannungsgesteuerte Calciumkanäle eine zentrale Rolle in einer Vielzahl von Organfunktionen spielen.
Darüber hinaus ermöglichen die in der Studie verwendeten Techniken, einschließlich quantitativer Massenspektrometrie und Tandem-Massenmarkierung, die von Steven Gygi, Mitautor der Studie, Professor für Zellbiologie am Blavatnik Institute an der Harvard Medical School, entwickelt wurden, den Forschern Untersuchungen Proteinbiologie und -interaktionen mit beispielloser Präzision, einschließlich des Proteinverh altens in funktionsfähigen, intakten Organen, wie es in dieser Studie der Fall war.
Die Ergebnisse können neue therapeutische Ansätze informieren, sagten die Autoren. Beispielsweise könnte die Unterbrechung der Wechselwirkung zwischen Rad und dem Kalziumkanal die Herzfunktion verbessern, indem der Kalziumfluss in die Zellen erhöht wird. Umgekehrt kann die Blockierung der Modifikation von Rad durch PKA eine alternative, spezifischere Strategie als Betablocker darstellen, um den Kalziumeinstrom in das Herz zu reduzieren.
"Es ist aufregend, endlich zu lösen, wie der kardiale Kalziumkanal bei der Kampf-oder-Flucht-Reaktion stimuliert wird. Dieses Rätsel ist seit über 40 Jahren hartnäckig unlösbar geblieben", sagte Marx. „Am Ende stellte sich heraus, dass der zugrunde liegende Mechanismus einfach und elegant ist. Mit diesen Informationen können wir möglicherweise neuartige Therapeutika entwickeln, die auf diesen Signalweg für die Behandlung von Herzerkrankungen abzielen.“
