Stickstoffmonoxid

iNOS, eNOS, nNOS

Medizin & Gehirn

Isoformen: iNOS, eNOS, nNOS

In der Molekularbiologie spricht man Isoformen, wenn ein Gen, eine RNA oder ein Protein mit leichten bis größeren Unterschieden auftritt.
Eine Isoform ist also eine von mehreren verschiedenen Formen desselben Proteins. Verschiedene Isoformen eines Protein sind im Verlauf der Evolution entstanden. Sie können ihre molekularbiologische Grundlage in verschiedenen Genen haben oder können aus dem gleichen Gen durch alternatives Spleißen entstehen.

Stickstoffmonoxid Synthasen: Lokalisation und Funktion

Es sind drei Klassen von Stickstoffmonoxid-Synthasen (NOS = Nitric Oxide Synthase) identifiziert (Übersicht 1), v on denen die endotheliale NOS (eNOS) und die neuronale NOS (nNOS) konstitutiv exprimiert werden, während die induzierbare NOS-Isoform (iNOS) auf transkriptioneller Ebene induzierbar ist.

NOS-Isoformen: nNOS, iNOS, eNOS
Übersicht 1: Schematische Darstellung der NOS-Isoformen

Endotheliale Stickstoffmonoxid Synthase

Die Funktion der eNOS liegt vor allem in der Relaxation der glatten Gefäßmuskulatur und darüber in der bedarfsabhängigen Regulation der Mikrozirkulation sowohl im Gehirn als auch in allen anderen Organen. Acetylcholin, Histamin, Bradykinin aber auch Scherstreß aktivieren Calcium-vermittelt die eNOS. Das produzierte Stickstoffmonoxid diffundiert in die benachbarte glatte Muskulatur, wo es durch Bindung an die lösliche Guanylatcyclase zu einem erhöhten cGMP-Spiegel führt, der letztlich eine Vasodilatation bewirkt.

Neuronale Stickstoffmonoxid Synthase

Das von der nNOS in den Nervenzellen des Gehirns (ZNS) und peripheren Nervensystems (PNS) produzierte Stickstoffmonoxid (NO) wirkt unter anderem als Neurotransmitter und Neuromodulator. Eine Anzahl von Publikationen belegt die Rolle des Stickstoffmonoxids (NO) im ZNS bei dem zellulären Korrelat des Gedächtnisses (Bohme, Bon et al. 1991; Schuman & Madison 1994; Faber, Zuschratter, Seidenbecher et al. 1996) und im PNS als Neurotransmitter (Hoyle & Burnstock 1995).
Zu beachten dabei ist die heterogene Verteilung der nNOS in unterschiedlichen Arealen des Gehirns. Während die nNOS in den Körnerzellen des Kleinhirns (Cerebellum) ubiquitär vertreten ist, beschränkt sich ihr Vorkommen im Neocortex sowie in den Basalganglien, bis auf wenige Ausnahmen, auf 1 – 2 % der Neurone. Ebenso schwankt die Zahl der NOS-positiven Neurone in den zum PNS zählenden Ganglien des autonomen Nervensystems beträchtlich.

Induzierbare Stickstoffmonoxid Synthase

Die iNOS wurde zuerst aus Makrophagen der Maus nach Stimulation mit bakteriellem Lipopolysaccharid (LPS) isoliert (Stuehr, Cho et al. 1991). Etliche weitere Zelltypen des Immunsystems, wie Kupferzellen, Mesangiumzellen, Mikrogliazellen und natürliche Killerzellen exprimieren die iNOS nach Induktion.
Überraschend war die Entdeckung, daß auch Zellen, die nicht zum Immunsystem zu rechnen sind, die iNOS exprimieren können. Dazu zählen Astrocyten, Endothelzellen, Hepatocyten, Fibroblasten, beta-Zellen des Pankreas sowie Tumorzellen (Lincoln, Hoyle et al. 1997; Vincent, Tilders et al. 1998). Die iNOS wird höchstwahrscheinlich sowohl in Zellkultur als auch In-vivo nur nach Stimulation exprimiert (Gebicke-Haerter, Van Calker et al. 1996). Zu den Induktoren gehören neben LPS vor allem Cytokine (Interferon-gamma (IFN), Tumornekrosisfaktor, Interleukine), aber auch bestimmte Pathogene, wie HIV-Proteine oder das beta-Amyloidprotein, sowie Hitzeschock und Hypoxie (Lincoln, Hoyle et al. 1997). Viele Studien haben synergistische Effekte bei der Kombination mehrerer Induktoren belegt (z. B. LPS + Interferon-gamma und zusätzlich Interleukin 1-beta oder Tumornekrosisfaktor alpha). Sicher scheint nur zu sein, daß der, sowohl durch Cytokine als auch durch oxidativen Stress, aktivierbare Transkriptionsfaktor NF-kB eine wesentliche Rolle spielt.

Immunsystem

Die Bedeutung von Stickstoffmonoxid in der Immunabwehr konnte eindrucksvoll an iNOS-‚Knockout‘-Mäusen gezeigt werden, die nicht mehr, oder nur in geringem Ausmaß, in der Lage waren, parasitären und bakteriellen Infektionen zu widerstehen (MacMicking, Nathan et al. 1995; Wei, Charles et al. 1995). Die immunrelevanten Wirkungen des Stickstoffmonoxids beruhen entweder auf einem cytostatischen Effekt durch Inhibition von Schlüsselenzymen der DNA-Synthese, oder aber einem toxischen Effekt, der über Nekrose bzw. Apoptose zum Zelltod führt. Toxisch wirkt Stickstoffmonoxid einerseits über eine Energiedepletion, Freisetzung von Zink aus DNA-Reperaturenzymen, Proteinmodifikation durch Nitrosylierung von SH-Gruppen und andererseits durch die Kombination mit Superoxid zu Peroxynitrit. Die Energiedepletion wird über eine direkte Inhibition der Mitochondrien (Richter, Gogvadze et al. 1994; Brorson, Schumacker et al. 1999) oder über die Aktivierung der PolyADP-Ribose-Polymerase (PARP oder auch PolyADP-Ribose-Synthethase (PARS)) bewirkt. Dieses Enzym verbraucht große Mengen an NAD+ und kann darüber einen Energiemangel erzeugen, der schließlich zum Zelltod führt (Brüne, Dimmeler et al. 1994; Szabo, Zingarelli et al. 1996).