4 .Polyamine als Wachstumsmodulatoren- in vitro Untersuchungen
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HELA ROTHE, AXEL WILLIG, PETER P. JAROS<br />
<strong>Polyam<strong>in</strong>e</strong> <strong>als</strong> <strong>Wachstumsmodulatoren</strong> - <strong>in</strong> <strong>vitro</strong> <strong>Untersuchungen</strong><br />
Kapitel 1<br />
Das Polyam<strong>in</strong> Sperm<strong>in</strong> wurde erstm<strong>als</strong> 1678 von Lewenhoeck<br />
beschrieben. Er erwähnte die Existenz von Kristallen <strong>in</strong> der<br />
Samen- und anderen Körperflüssigkeiten des Menschen.<br />
Schre<strong>in</strong>er (1878) erkannte die beschriebenen Kristalle <strong>als</strong><br />
Phosphat e<strong>in</strong>er organischen Base, das Sperm<strong>in</strong>phosphat. Das<br />
Vorkommen von Sperm<strong>in</strong> <strong>in</strong> hohen Konzentrationen <strong>in</strong> der<br />
Samenflüssigkeit und se<strong>in</strong>e erste Isolierung aus dieser gaben<br />
ihm se<strong>in</strong>en Namen (Ladenburg und Abel, 1888). Zwischen<br />
1923 und 1927 wurde von Dudley, Rosenheim, Rosenheim<br />
und Wrede die chemische Struktur von Sperm<strong>in</strong> aufgeklärt.<br />
Gleichzeitig wurde es möglich die Substanz zu synthesieren.<br />
Spermid<strong>in</strong> wurde erstm<strong>als</strong> aus Ochsenpankreas isoliert und<br />
se<strong>in</strong>e postulierte Struktur durch Vergleich mit der bereits<br />
vorhandenen synthetischen Substanz bestätigt (Dudley et al.,<br />
1927). Die zwei anderen <strong>Polyam<strong>in</strong>e</strong> Putresc<strong>in</strong> und Cadaver<strong>in</strong><br />
fanden <strong>als</strong> Abbauprodukte von Bakterien <strong>in</strong> sich zersetzenden<br />
organischen Materialien Erwähnung. Ihre Struktur wurde wie<br />
beim Spermid<strong>in</strong> durch den Vergleich mit den synthetischen<br />
Diam<strong>in</strong>en etabliert (Ladenburg, 1886; Udransky und<br />
Baumann, 1888).<br />
Ausgangssubstanz für die Biosynthese der <strong>Polyam<strong>in</strong>e</strong> ist die<br />
Am<strong>in</strong>osäure Arg<strong>in</strong><strong>in</strong>. Mit Hilfe der Arg<strong>in</strong>ase wird aus dieser<br />
Substanz die Am<strong>in</strong>osäure Ornith<strong>in</strong> gebildet. Unter Katalyse<br />
der Ornith<strong>in</strong>-Decarboxylase (ODC) entsteht <strong>als</strong> erstes Polyam<strong>in</strong><br />
Putresc<strong>in</strong>. Die Synthese von Spermid<strong>in</strong> und Sperm<strong>in</strong><br />
erfolgt durch die Anlagerung weiterer Am<strong>in</strong>ogruppen (Ami-
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nopropyltransfer) unter Beteiligung e<strong>in</strong>er Synthase. Als Am<strong>in</strong>opropyldonor<br />
fungiert decarboxyliertes S-Adenosyl-methion<strong>in</strong>.<br />
Den Enzymen S-Adenosyl-methion<strong>in</strong>-Decarboxylase<br />
(SAMDC) und der ODC kommen somit die Funktionen von<br />
Schlüsselenzymen <strong>in</strong> der Biosynthese zu ( Abb.1).<br />
Abb.1<br />
Der Abbau der <strong>Polyam<strong>in</strong>e</strong> Sperm<strong>in</strong>, Spermid<strong>in</strong> und Putresc<strong>in</strong><br />
erfolgt entweder katabolisch oder via Interkonversion, d.h.<br />
durch feed-back Regulation der Enzyme ist e<strong>in</strong>e erneute Synthese<br />
der Substanzen aus ihren Abbauprodukten möglich<br />
(Abb.2: katabolischer Abbau; Abb.3: Interkonversionswege).<br />
Die gebildeten Endprodukte s<strong>in</strong>d im Falle des katabolischen<br />
Abbaus N8-(2-carboxyethyl)-sperm<strong>in</strong>, Sperm<strong>in</strong>säure, Putrean<strong>in</strong>,<br />
Alan<strong>in</strong>, N1-acetyliertes Spermid<strong>in</strong> und Putresc<strong>in</strong> sowie<br />
gamma-Am<strong>in</strong>obuttersäure (GABA). Durch Interkonversion<br />
entstehen Sperm<strong>in</strong>säure, Putrean<strong>in</strong>, Isoputrean<strong>in</strong>, CO 2 und<br />
Succ<strong>in</strong>ylsemialdehyd. Die acetylierten <strong>Polyam<strong>in</strong>e</strong>, Sperm<strong>in</strong>säure<br />
und Putrean<strong>in</strong> werden über das Blutgefäßsystem <strong>in</strong> die<br />
Nieren transportiert und mit dem Ur<strong>in</strong> ausgeschieden (Seiler<br />
et al. , 1981).
POLYAMINE 69<br />
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Abb. 2
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Abb. 3<br />
<strong>Polyam<strong>in</strong>e</strong> s<strong>in</strong>d ubiquitär <strong>in</strong> Bakterien, Bakteriophagen, Pflanzen<br />
und tierischen Geweben unter anderem <strong>als</strong> Wachstumsfaktoren<br />
vorhanden. Als Nachweismethoden f<strong>in</strong>den hier die<br />
Dünnschichtchromatographie, die Hochdruck-Flüssigkeitschromatographie<br />
(HPLC) mit Vor- und Nachsäulenderivatisierungen<br />
mit bekannten Am<strong>in</strong>osäure-Derivatisierungsmethoden,<br />
die Gaschromatographie und Enzymassays Anwendung.<br />
Für Bakterien gilt, daß grampositive Organismen<br />
<strong>Polyam<strong>in</strong>e</strong> <strong>in</strong> niedrigen Konzentrationen enthalten, gram-
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negative Organismen <strong>in</strong> hohen Konzentrationen. Der <strong>in</strong>trazelluläre<br />
Gehalt ist von den Kulturbed<strong>in</strong>gungen und dem<br />
zellulären Status abhängig (Tabor und Tabor, 1964). Es werden<br />
sowohl wachstumshemmende <strong>als</strong> auch wachstumsstimulierende<br />
Effekte der <strong>Polyam<strong>in</strong>e</strong> auf Bakterienkulturen<br />
beschrieben (Grossowicz et al., 1955; Raz<strong>in</strong> et al., 1958;<br />
Tabor und Tabor, 1976; Tabor und Tabor, 1984). Diese antagonistische<br />
Wirkung beruht auf den unterschiedlichen stoffwechselphysiologischen<br />
Leistungen der <strong>Polyam<strong>in</strong>e</strong> <strong>in</strong> verschiedenen<br />
zellzyklischen Situationen. Tabor und Tabor<br />
(1964) erwähnen e<strong>in</strong>e starke Proliferationshemmung <strong>in</strong> Bakterienkulturen,<br />
die unter Verwendung von 1,4-Diam<strong>in</strong>obutan,<br />
<strong>in</strong>organischen Kationen, Nucle<strong>in</strong>säuren, Mononucleotiden,<br />
Lecith<strong>in</strong> und basischen Am<strong>in</strong>osäuren aufzuheben ist.<br />
Auch für Vertebraten und somit für den Menschen s<strong>in</strong>d <strong>Polyam<strong>in</strong>e</strong><br />
für das Zellwachstum und die Zelldifferenzierung<br />
essentiell. Russell (1983) zeigte an Herzmuskelzellen nach<br />
getrennter Stimulation der DNA- und RNA-Synthese, daß die<br />
Polyam<strong>in</strong>synthese mit der RNA-Synthese korreliert. Gleichzeitig<br />
wird die Prote<strong>in</strong>biosynthese stimuliert. Der hierbei<br />
zugrunde liegende Wirkmechanismus ist noch ungeklärt.<br />
Es zeigt sich e<strong>in</strong> mit dem Lebensverlauf abnehmender Gehalt,<br />
der auf e<strong>in</strong>er verm<strong>in</strong>derten Zellteilung und Zelldifferenzierung<br />
beruht. Die Polyam<strong>in</strong>gehalte verschiedener humaner<br />
und tierischer Gewebe s<strong>in</strong>d <strong>in</strong> den Tabellen 1 und 2 angegeben.<br />
Die humanen Plasmawerte liegen bei 0,30 nmol/ml<br />
Blut, die Serumwerte bei 0,60 nmol/ml Blut (Russell, 1983).<br />
Von den zahlreichen Funktionen der <strong>Polyam<strong>in</strong>e</strong> im Blut sei<br />
ihre Wirkung auf die Ger<strong>in</strong>nung hepar<strong>in</strong>isierten Blutes<br />
hervorzuheben : a.) Sperm<strong>in</strong> verkürzt die Koagulationszeit<br />
von hepar<strong>in</strong>isiertem Blut; b.) Sperm<strong>in</strong> verlängert die Koagulationszeit<br />
von nicht hepar<strong>in</strong>isiertem Blut. Die biochemischen<br />
Wechselwirkungen zwischen <strong>Polyam<strong>in</strong>e</strong>n und Hepar<strong>in</strong><br />
s<strong>in</strong>d bisher noch ungeklärt (Tabor und Rosenthal, 1956).
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In <strong>vitro</strong> zeigen <strong>Polyam<strong>in</strong>e</strong> stabilisierende Effekte auf verschiedene<br />
zelluläre und subzelluläre Komponenten und auf Nucle<strong>in</strong>säuren.<br />
Diese Tatsache läßt sich durch die kationische Natur<br />
der Substanzen und durch ihre hohe Aff<strong>in</strong>ität für zelluläre<br />
Anionen erklären. E<strong>in</strong>ige Effekte der <strong>Polyam<strong>in</strong>e</strong> können mit<br />
denen erhöhter Ca- und Mg-Werte verglichen werden.<br />
Magnesium und <strong>Polyam<strong>in</strong>e</strong> bewirken an der Mitochondrienmembran<br />
e<strong>in</strong>e Stabilisierung durch Neutralisierung der<br />
Mitochondrienoberfläche durch B<strong>in</strong>dung der <strong>Polyam<strong>in</strong>e</strong> mit<br />
den Phospholipiden. Die Membran wird impermeabel und<br />
widerstandsfähiger gegen erhöhte mechanische Beanspruchung<br />
(Tabor und Tabor, 1964). Die Stabilisierung von<br />
Nucle<strong>in</strong>säuren basiert auf e<strong>in</strong>er Komplexbildung zwischen<br />
den basischen Am<strong>in</strong>ogruppen der <strong>Polyam<strong>in</strong>e</strong> und den sauren<br />
Phosphatgruppen der Nucle<strong>in</strong>säuren. Die damit e<strong>in</strong>hergehende<br />
Neutralisierung der Phosphatpen bewirkt e<strong>in</strong>en Nettoanstieg<br />
der Anziehungskräfte (van der Wa<strong>als</strong>, Wasserstoffbrückenb<strong>in</strong>dungen)<br />
und so e<strong>in</strong>e Verstärkung der Sekundärstrukturen<br />
wie z.B. DNA-Doppelhelix. Diese Effekte s<strong>in</strong>d denen von<br />
Histonen, Protam<strong>in</strong>en und Polylys<strong>in</strong>en ähnlich (Tabor und<br />
Tabor, 1964).<br />
Neben den stabilisierenden Effekten auf zelluläre Komponenten<br />
fungieren die <strong>Polyam<strong>in</strong>e</strong> Sperm<strong>in</strong>, Spermid<strong>in</strong> und Putresc<strong>in</strong><br />
<strong>als</strong> Wachstumsfaktoren <strong>in</strong> verschiedenen Eukaryoten-<br />
Zellkulturen. Bei e<strong>in</strong>er Zell<strong>in</strong>ie von ch<strong>in</strong>esischen Hamstern <strong>in</strong><br />
def<strong>in</strong>iertem Medium können sie Fetu<strong>in</strong> , L<strong>in</strong>olsäure und<br />
Serumalbum<strong>in</strong> ersetzen (Ham, 1964). Ausser <strong>in</strong> ihrer Funktion<br />
<strong>als</strong> Wachstumsfaktoren bee<strong>in</strong>flussen <strong>Polyam<strong>in</strong>e</strong> auch andere<br />
biochemische Stoffwechselprozesse. So können sie <strong>in</strong> <strong>vitro</strong><br />
e<strong>in</strong>erseits e<strong>in</strong>en Antihistam<strong>in</strong>-Effekt hervorrufen (Adams und<br />
Newberry, 1961; Jadassohn et al., 1944; Kovacs und Juhasz,<br />
1952) andererseits auch <strong>als</strong> Histam<strong>in</strong>-Releaser auftreten<br />
(Amann und Werle, 1956) oder die Effekte von exogem<br />
Histam<strong>in</strong> verstärken (Parot, 1948).
POLYAMINE 73<br />
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Von besonderem Interesse ersche<strong>in</strong>t die Tatsache, daß embryonales<br />
Gewebe e<strong>in</strong>en höheren Polyam<strong>in</strong>gehalt <strong>als</strong> adultes<br />
Gewebe aufweist. Russell (1983) fand, daß embryonale Gewebe<br />
e<strong>in</strong>en erhöhten Polyam<strong>in</strong>level haben. Es zeigt sich, da<br />
auch proliferierende Gewebe <strong>in</strong> adulten Organismen und<br />
Tumorgeweben erhöhte Polyam<strong>in</strong>gehalte und e<strong>in</strong>e erhöhte<br />
ODC-Aktivität aufweisen (Pegg und McCann, 1988). Den<br />
<strong>Polyam<strong>in</strong>e</strong>n kommt <strong>als</strong>o auch <strong>in</strong> der Tumorbiologie e<strong>in</strong>e besondere<br />
Bedeutung zu. So zeigen sich bei Tumorpatienten im<br />
Blut erhöhte Polyam<strong>in</strong>werte (Tab.3) und sie scheiden vermehrt<br />
<strong>Polyam<strong>in</strong>e</strong> mit dem Ur<strong>in</strong> aus (Tab.4). Dieses wird von
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Abb. 4<br />
Die zentrale Rolle der Milz im immunbiologischen Geschehen<br />
(siehe Beitrag P.P.Jaros und W. Dittrich <strong>in</strong> diesem Band)<br />
und die Tatsache, da die Milz e<strong>in</strong>en relativ hohen Gehalt an<br />
<strong>Polyam<strong>in</strong>e</strong>n aufweist, läßt es <strong>als</strong> notwendig ersche<strong>in</strong>en, die<br />
Wechselwirkung von Zellwachstum und Polyam<strong>in</strong>konzentrationen<br />
<strong>in</strong> Milzextrakten <strong>in</strong> <strong>vitro</strong> zu untersuchen. Im<br />
Milzextrakt M1 (Herstellung siehe Beitrag Dittrich et al. <strong>in</strong><br />
diesem Band; FPLC-Profil siehe Abb. 5) wurde der Gehalt der<br />
<strong>Polyam<strong>in</strong>e</strong> quantifiziert. Mittels Vorsäulenderivatisierung mit<br />
Dansylchlorid ließen sich Sperm<strong>in</strong>, Spermid<strong>in</strong>, N1-Acetylsperm<strong>in</strong>,<br />
N1-Acetylspermid<strong>in</strong>, N8-Acetylspermid <strong>in</strong> und N1-<br />
Acetylputresc<strong>in</strong> nachweisen (Tabelle 5). Ihre Identifizierung<br />
erfolgte über die Bestimmung der Elutionszeiten <strong>in</strong>terner<br />
Standards (Abb.6). Der Gesamtanteil von <strong>Polyam<strong>in</strong>e</strong>n im M1-<br />
Extrakt beläuft sich auf ca. 16 %. Diese relativ hohe
POLYAMINE 75<br />
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Konzentration bewirkt <strong>in</strong> <strong>vitro</strong> unter Verwendung von<br />
foetalem Kälberserum (FCS) e<strong>in</strong>en cytotoxischen Effekt, der<br />
auf die Anwesenheit von Am<strong>in</strong>oxidasen zurückzuführen ist.<br />
Diese Enzyme oxidieren <strong>Polyam<strong>in</strong>e</strong>, wobei H 2 O 2 entsteht<br />
(Seiler et al., 1981; Casero et al., 1989). Das Peroxid ist der<br />
Träger des cytotoxischen Effekts. Wird statt FCS das<br />
Am<strong>in</strong>oxidase-freie Pferdeserum verwendet, ist ebensowenig<br />
e<strong>in</strong>e Proliferationhemmung zu beobachten wie bei<br />
Verwendung des Am<strong>in</strong>oxidase-Inhibitors Am<strong>in</strong>oguanid<strong>in</strong><br />
(Abb.7). Der H 2 O 2 generierende cytotoxische Prozeß kommt<br />
bei den relativ ger<strong>in</strong>gen Polyam<strong>in</strong>konzentrationen, die sich im<br />
FCS bef<strong>in</strong>den bzw. essentieller Bestandteil herkömmlicher<br />
Zellkulturmedien (z.B. RPMI 1640, DMEM) s<strong>in</strong>d (G<strong>in</strong>ty und<br />
Seidel, 1989), nicht zum Tragen. E<strong>in</strong>e Erklärung wäre, daß<br />
die Anwesenheit von polyam<strong>in</strong>b<strong>in</strong>denden Anionen im FCS<br />
und/oder die hohe Pyruvatkonzentration der Kulturmedien <strong>als</strong><br />
H 2 O 2 -Puffer e<strong>in</strong>e "neutralisierende" Wirkung haben oder daß<br />
die <strong>Polyam<strong>in</strong>e</strong> im Serum bereits oxidiert s<strong>in</strong>d und das H 2 O 2<br />
durch Peroxidasen entschärft wurde.
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Abb. 5
POLYAMINE 77<br />
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Abb. 6
78 HELA ROTHE, AXEL WILLIG, PETER P. JAROS<br />
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Abb. 7
POLYAMINE 79<br />
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Kapitel 2<br />
Um festzustellen, ob und <strong>in</strong> welchem Ausmaß Sperm<strong>in</strong> unter<br />
verschiedenen Bed<strong>in</strong>gungen von Yac-1-Zellen aufgenommen<br />
wird, wurde 14 C-Sperm<strong>in</strong> den Zellen <strong>in</strong> Anwesenheit von FCS<br />
und Pferdeserum im Inkubationsmedium angeboten. Innerhalb<br />
von 60 M<strong>in</strong>uten nehmen die Zellen <strong>in</strong> Anwesenheit von<br />
foetalem Kälberserum und Pferdeserum ca. 0,2 attomol (= 2 x<br />
10 -19 mol) pro Zelle auf. E<strong>in</strong>e Prä<strong>in</strong>kubation mit <strong>Polyam<strong>in</strong>e</strong>n<br />
<strong>in</strong> derselben Zusammensetzung wie <strong>in</strong> M1 verh<strong>in</strong>dert die<br />
Aufnahme von 14 C-Sperm<strong>in</strong> <strong>in</strong> die Zellen fast vollständig.<br />
Diese Wirkung könnte dadurch erklärt werden, daß durch die<br />
Vor<strong>in</strong>kubation mit dem Polyam<strong>in</strong>gemisch die Zellen bereits<br />
ihre Kapazität für die Aufnahme exogener <strong>Polyam<strong>in</strong>e</strong><br />
erschöpft haben und deshalb das markierte Sperm<strong>in</strong> nicht<br />
mehr aufnehmen können. Dieser Hemmeffekt tritt bei der<br />
Zugabe von M1 zum Inkubationsmedium trotz des hohen<br />
Polyam<strong>in</strong>gehaltes nicht auf (Abb.8). In dem Milzextrakt<br />
liegen die <strong>Polyam<strong>in</strong>e</strong> vermutlich an Prote<strong>in</strong>e oder andere<br />
Bestandteile des Extraktes gebunden vor. Dadurch s<strong>in</strong>d sie für<br />
die Zellen nicht frei verfügbar. Es ist wahrsche<strong>in</strong>lich, daß die<br />
"geblockten" <strong>Polyam<strong>in</strong>e</strong> <strong>in</strong> M1 zunächst durch im Medium<br />
vorhandene Substanzen verfügbar gemacht werden müssen.<br />
Erst dann können sie von den Zellen aufgenommen werden.<br />
Dieser Prozeß sche<strong>in</strong>t e<strong>in</strong>en längeren Zeitraum <strong>als</strong> 60 M<strong>in</strong>uten<br />
<strong>in</strong> Anspruch zu nehmen. Yac-1-Zellen, die mit M1<br />
prä<strong>in</strong>kubiert wurden, nehmen <strong>Polyam<strong>in</strong>e</strong> unverm<strong>in</strong>dert auf.<br />
Diese Versuchsergebnisse lassen sich mit den Befunden von<br />
Ton<strong>in</strong>ello et al. (1988) und Marsh et al. (1988) vergleichen.<br />
Rattenlebermitochondrien zeigen e<strong>in</strong>e l<strong>in</strong>eare Aufnahme von<br />
bis zu 50-60 nmol 14 C-Spermid<strong>in</strong> pro mg Zellprote<strong>in</strong><br />
<strong>in</strong>nerhalb von 20-30 m<strong>in</strong>. Exogenes Acetat (20 mM)<br />
verlangsamt und m<strong>in</strong>imiert die Aufnahme von 14 C-Spermid<strong>in</strong><br />
(Ton<strong>in</strong>ello et al., 1988), Lipopolysaccharide (LPS) h<strong>in</strong>gegen<br />
stimulieren die Aufnahme exogener <strong>Polyam<strong>in</strong>e</strong> (Marsh et al.,<br />
1988). In humanen Milzzellkulturen wird die Aufnahme
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exogener <strong>Polyam<strong>in</strong>e</strong> durch Hexamethylenbisacetamid<br />
(HMBA), e<strong>in</strong>en spezifischen Inhibitor der B-Lymphocyten-<br />
Aktivierung, gehemmt (Marsh et al., 1988).<br />
Abb. 8<br />
Trotz des Vorliegens zahlreicher Befunde und e<strong>in</strong>er zunehmend<br />
<strong>in</strong>tensiveren Forschung auf dem Gebiet des Polyam<strong>in</strong>stoffwechsels,<br />
stehen doch viele Ergebnisse noch isoliert und<br />
lassen sich nicht <strong>in</strong> e<strong>in</strong> übergreifendes Konzept <strong>in</strong>tegrieren<br />
(Zappia und Pegg, 1988). Die unbestrittene Bedeutung der<br />
<strong>Polyam<strong>in</strong>e</strong> für die zelluläre Regulation läßt sich unter anderem<br />
an folgenden Sachverhalten zeigen. Calmodul<strong>in</strong> und<br />
andere Ca-b<strong>in</strong>dende Prote<strong>in</strong>e steuern das Zellwachstum und<br />
die Zelldifferenzierung (siehe Beitrag R. Michael <strong>in</strong> diesem<br />
Band). Sperm<strong>in</strong>, Spermid<strong>in</strong> und Putresc<strong>in</strong> <strong>in</strong>hibieren <strong>in</strong> <strong>vitro</strong><br />
die Ca-Pumpe durch Stimulation der Phospholipase und Calmodul<strong>in</strong><br />
(Missiaen et al., 1989) und modulieren die Ca-Auf-
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nahme <strong>in</strong> Mitochondrien (Khan et al., 1989a; Khan et al.,<br />
1989b) sowie den Calmodul<strong>in</strong>stoffwechsel (Jensen et al.,<br />
1989a; Jensen et al., 1989b).<br />
<strong>Polyam<strong>in</strong>e</strong> regulieren <strong>in</strong> verschiedener Art und Weise die<br />
Enzyme ODC und SAMDC. 0,1 mM Sperm<strong>in</strong> hemmt <strong>in</strong><br />
Tumorzellen die SAMDC (Stoschek et al., 1982) über e<strong>in</strong>e<br />
Inhibition der DNA-Transkription zu SAMDC-mRNA und<br />
über e<strong>in</strong>e Hemmung der Translation der SAMDC-mRNA<br />
(Persson et al., 1988). Spermid<strong>in</strong> <strong>in</strong>hibiert ebenfalls die Translation<br />
der ODC- und der SAMDC-mRNA sowie die Transkription<br />
der SAMDC-mRNA. Gleichzeitig stimuliert es<br />
Antizym, e<strong>in</strong>en Prote<strong>in</strong>modulator der ODC-Synthese. Auch<br />
Putresc<strong>in</strong> regt die Antizym-Aktivität an und hemmt die ODC<br />
Translation. Die SAMDC-Synthese aus e<strong>in</strong>em 37kDa Proenzym<br />
und die Decarboxylierung von S-Adenosylmethion<strong>in</strong><br />
(SAM) wird durch Putresc<strong>in</strong> stimuliert (Persson et al., 1988).<br />
Spermid<strong>in</strong> stellt e<strong>in</strong> Zwischenprodukt <strong>in</strong> der Synthese von<br />
Hypus<strong>in</strong> dar, das <strong>als</strong> posttranslationale Modifikation e<strong>in</strong>es<br />
Eucaryoten-Translations<strong>in</strong>itiationsfaktors gebildet wird (Pegg<br />
und McCann, 1988). Exogenes Putresc<strong>in</strong> bee<strong>in</strong>flußt <strong>in</strong> <strong>vitro</strong> <strong>in</strong><br />
Epithelialzellen (IEC-6) die DNA-, RNA- und<br />
Prote<strong>in</strong>biosynthese. Die Putresc<strong>in</strong> Synthese und/oder Transport<br />
während der Proliferation der Zellen stimuliert die o.g.<br />
Prozesse (G<strong>in</strong>ty et al., 1989). In vivo <strong>in</strong>hibieren Histam<strong>in</strong> und<br />
Seroton<strong>in</strong> bei Ehrlich-Ascites-Tumoren die ODC-Induktion<br />
bis zu 91 % (Mates et a l., 1989). Auch zwischen der<br />
Induktion neoplastischen Wachstums durch den epidermalen<br />
Wachstumsfaktor (EGF) und der ODC-Aktivität besteht e<strong>in</strong>
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wurde die DNA-Synthese e<strong>in</strong>geleitet und <strong>als</strong> Folge die<br />
Mitose. Durch die Vorbehandlung mit DFMO wurde die Aufnahmekapazität<br />
der Zellen für Putresc<strong>in</strong> gesteigert. Die Putresc<strong>in</strong>-Aufnahme<br />
über Na-abhängige und -unabhängige Transportmechanismen<br />
wurde durch MBGB, Sperm<strong>in</strong> und Spermid<strong>in</strong><br />
gehemmt (DeSmet et al., 1989). E<strong>in</strong>e Induktion von<br />
cytotoxischen T-Lymphocyten durch DFMO <strong>in</strong> vivo und <strong>in</strong><br />
<strong>vitro</strong> ist möglich, wodurch auch die Bee<strong>in</strong>flussung des<br />
Immunsystems durch <strong>Polyam<strong>in</strong>e</strong> und/oder ihre Synthesehemmer<br />
an Bedeutung gew<strong>in</strong>nt (Bowl<strong>in</strong> et al., 1989). Das Methylglyoxal-bis-(cyclopentylamid<strong>in</strong>ohydrazon)<br />
(MGBCP) hemmt<br />
die SAMDC und die Spermid<strong>in</strong>-Synthase. Dadurch wird <strong>in</strong><br />
<strong>vitro</strong> das Wachstum von Humanleukämie-Zellen <strong>in</strong>hibiert.<br />
Dabei zu beobachtende Veränderungen s<strong>in</strong>d abgesenkte<br />
<strong>in</strong>trazelluläre Spermid<strong>in</strong>- und Sperm<strong>in</strong>-Level, sowie e<strong>in</strong>e<br />
unterdrückte Prote<strong>in</strong>biosynthese. Die DNA- und RNA-Synthese<br />
wurde nicht bee<strong>in</strong>flußt. In vivo wurden bei Mäusen mit<br />
implantierten P388-Leukämie-Ascites-Zellen durch MGBCP-<br />
Adm<strong>in</strong>istration das <strong>in</strong>trazelluläre Sperm<strong>in</strong> und Spermid<strong>in</strong><br />
m<strong>in</strong>imiert und die Überlebenszeit verlängert (Hibasami et al.,<br />
1989). Der Spermid<strong>in</strong>-Synthase-Inhibitor S-Adenosyl-1,8-<br />
diam<strong>in</strong>o-3-thio-octan (SADATO) bewirkt bei Ehrlich-Ascites-<br />
Tumorzellen <strong>in</strong> <strong>vitro</strong> e<strong>in</strong>en Abfall des <strong>in</strong>trazellulären<br />
Spermid<strong>in</strong>-Gehaltes und e<strong>in</strong>e Akkumulation von Sperm<strong>in</strong> und<br />
Putresc<strong>in</strong>. Das Enzym hat ke<strong>in</strong>en Effekt auf die SAMDC und<br />
auf die ODC. E<strong>in</strong> Abfall des <strong>in</strong>trazellulären Sperm<strong>in</strong>-Gehaltes<br />
und e<strong>in</strong>e Akkumulation von Spermid<strong>in</strong> wird durch e<strong>in</strong>en Sperm<strong>in</strong>-Synthase-Inhibitor<br />
erzielt. Wiederum bleibt die ODC-<br />
Aktivität unbee<strong>in</strong>flußt, woraus zu schließen wäre, daß die<br />
Regulation der ODC und der SAMDC nicht <strong>als</strong> e<strong>in</strong>e Funktion<br />
der Polyam<strong>in</strong>struktur zu sehen ist, sondern vielmehr die Biosynthese<br />
der <strong>Polyam<strong>in</strong>e</strong> e<strong>in</strong> Feedback-regulierter Prozeß auf<br />
verschiedenen Ebenen ist (Holm et al., 1989) Die 14 C-Sperm<strong>in</strong>-Inkorporation<br />
<strong>in</strong> humane Lymphocyten ist e<strong>in</strong> pH-Wert-,<br />
Zeit- und Konzentrationsabhängiger Prozeß (Fasulo et al.,<br />
1988). Des weiteren werden die Lactatbildungsrate und der
POLYAMINE 83<br />
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Glucose-Metabolismus durch exogene <strong>Polyam<strong>in</strong>e</strong> gehemmt.<br />
Die <strong>Polyam<strong>in</strong>e</strong> vermitteln <strong>in</strong> Fettzellen e<strong>in</strong>en <strong>in</strong>sul<strong>in</strong>-ähnlichen<br />
Effekt durch das bei der Oxidation gebildete H 2 O 2 .<br />
Katalase hebt diesen Effekt auf (Fasulo et al., 1988). Auch <strong>in</strong><br />
Ratten-Enterocyten ist die Spermid<strong>in</strong>-Aufnahme <strong>in</strong> <strong>vitro</strong> e<strong>in</strong><br />
sättigungs- und temperatur-abhängiger Prozeß, der durch 1<br />
mM KCN und durch 1 mM Ouaba<strong>in</strong> <strong>in</strong>hibiert werden kann.<br />
Weitere <strong>Untersuchungen</strong> ergaben, daß für die Spermid<strong>in</strong> und<br />
für die Putresc<strong>in</strong>-Aufnahme unterschiedliche Carrier vorhanden<br />
s<strong>in</strong>d. Im Gegensatz zu der Putresc<strong>in</strong>-Aufnahme ist die<br />
Spermid<strong>in</strong>-Aufnahme nicht abhän-gig von e<strong>in</strong>em Na-Cotransport,<br />
sondern von dem elektrophysiologischen Gradienten,<br />
bee<strong>in</strong>flußt durch die Na-K-ATPase (Kumagai et al., 1989).<br />
Die Acetylierung von <strong>Polyam<strong>in</strong>e</strong>n ist <strong>in</strong> der Synthese und der<br />
Degradation der Stoffe der limitierende Schritt. E<strong>in</strong> Überschuß<br />
an <strong>Polyam<strong>in</strong>e</strong>n und e<strong>in</strong>er Vielzahl zellzerstörender Substanzen<br />
<strong>in</strong>duzieren die Aktivität der Polyam<strong>in</strong>acetylase. Sie<br />
stimulieren das Enzym, das den Abbau der <strong>Polyam<strong>in</strong>e</strong> e<strong>in</strong>leitet<br />
(Pegg und McCann, 1988). Acetylierte <strong>Polyam<strong>in</strong>e</strong> treten<br />
<strong>in</strong> normalen Zellen <strong>in</strong> niedrigen, oftm<strong>als</strong> nicht detektierbaren<br />
Konzentrationen auf (Wallace et al., 1988) . In malignen<br />
Zellen wurden jedoch hohe Konzentrationen beobachtet, wie<br />
zum Beispiel bei Mammakarz<strong>in</strong>omen (K<strong>in</strong>gsnorth und<br />
Wallace, 1985) oder colorectalen Karz<strong>in</strong>omen (Takenoshita et<br />
al., 1984). Es gibt andererseits auch H<strong>in</strong>weise darauf, daß<br />
acetylierte <strong>Polyam<strong>in</strong>e</strong> die ODC <strong>in</strong> e<strong>in</strong>em negativen feed-back-<br />
Mechanismus hemmen (Marsh et al., 1988). Die<br />
Differenzierung von Fibroblasten zu Adipocyten wird durch<br />
e<strong>in</strong>en erhöhten Polyam<strong>in</strong>level gestartet, woh<strong>in</strong>gegen bei<br />
Maus-Embryonalcarc<strong>in</strong>om-Zellen e<strong>in</strong> reduzierter Polyam<strong>in</strong>level<br />
die Differenzierung e<strong>in</strong>leitet (Pegg und McCann,<br />
1988).<br />
Die Vielzahl der o.g. Effekte der <strong>Polyam<strong>in</strong>e</strong> auf zellbiologische<br />
Prozesse stellt sich mitunter <strong>als</strong> widersprüchlich dar und
84 HELA ROTHE, AXEL WILLIG, PETER P. JAROS<br />
_________________________________________________<br />
ist aufgrund der Unvollständigkeit der gesamten durch <strong>Polyam<strong>in</strong>e</strong><br />
bee<strong>in</strong>fußten Zellprozesse nicht geklärt.<br />
Die Arbeit wurde unterstützt durch das Bundesm<strong>in</strong>isterium für<br />
Forschung und Technologie, Nr. 0317056A.
POLYAMINE 85<br />
_________________________________________________<br />
Tabelle 1: Polyam<strong>in</strong>gehalt <strong>in</strong> verschiedenen humanen<br />
Geweben.<br />
Organ<br />
Sperm<strong>in</strong>gehalt <strong>in</strong> µg/g ww<br />
__________________________________________________<br />
Prostata 2,40<br />
Knochenmark 0,73<br />
Pankreas 0,55<br />
Thymus 0,30<br />
Leber 0,28<br />
Milz 0,22<br />
Speicheldrüse 0,16<br />
Hoden 0,16<br />
Niere 0,15<br />
Magen 0,14<br />
Hirn 0,13<br />
Blut 0,10<br />
Herz 0,08<br />
Lunge 0,08<br />
Schilddrüse 0,08<br />
Uterus 0,08<br />
Muskel 0,07<br />
Ovar 0,06<br />
modifiziert nach : Tabor und Tabor, 1964
86 HELA ROTHE, AXEL WILLIG, PETER P. JAROS<br />
_________________________________________________<br />
Tabelle 2:<br />
Polyam<strong>in</strong>gehalte <strong>in</strong> verschiedenen tierischen<br />
Geweben<br />
Organ Maus Ratte Schwe<strong>in</strong><br />
Spd Spm Spd Spm Spd Spm<br />
__________________________________________________<br />
Pankreas 1,00 2,80 1,00 8,60 1,40 2,10<br />
Prostata n.d. n.d. 7,70 5,70 n.d. n.d.<br />
Leber 1,40 1,10 1,60 1,20 0,20 0,40<br />
Niere 0,50 0,70 n.d. n.d. 0,30 0,50<br />
Hoden n.d. n.d. 0,40 0,50 n.d. n.d.<br />
Hirn n.d. n.d. 0,70 0,20 n.d. n.d.<br />
Muskel 0,10 0,20 n.d. n.d. n.d. n.d.<br />
Milz n.d. n.d. 1,15 0,57 n.d. n.d.<br />
n.d. = Daten liegen nicht vor<br />
Spd = Spermid<strong>in</strong><br />
Spm = Sperm<strong>in</strong><br />
modifiziert nach : Tabor und Tabor, 1964<br />
Abe und Samejima, 1975<br />
Tabelle 3:<br />
Polyam<strong>in</strong>gehalte im Ur<strong>in</strong> von Tumorpatienten<br />
Tumor Putresc<strong>in</strong> Spermid<strong>in</strong> Sperm<strong>in</strong><br />
(µg/ml Ur<strong>in</strong>)<br />
__________________________________________________<br />
ohne 0,11 0,12 1,54<br />
Lungenkarz<strong>in</strong>om 2,90 1,92 2,71<br />
hämatol. Karz<strong>in</strong>om 4,40 3,70 0,80<br />
solides Karz<strong>in</strong>om 3,70 2,70 0,60<br />
modifiziert nach : Pigulla und Röder, 1978
POLYAMINE 87<br />
_________________________________________________<br />
Tabelle 4:<br />
Polyam<strong>in</strong>gehalte im Blut von Tumorpatienten<br />
Tumor Putresc<strong>in</strong> Spermid<strong>in</strong> Sperm<strong>in</strong><br />
(nmol/ml Blut)<br />
__________________________________________________<br />
ohne Plasma 0,10 0,13 0,03<br />
Serum 0,23 0,33 0,04<br />
multiples Plasma 0,70 0,91 n.d.<br />
Myelom Serum 0,72 0,89 n.d.<br />
solides Plasma 0,14 0,18 0,05<br />
Karz<strong>in</strong>om Serum n.d. n.d. n.d.<br />
n.d. = Daten liegen nicht vor<br />
modifiziert nach : Russell, 1983<br />
Tabelle 5:<br />
Quantifizierung der <strong>Polyam<strong>in</strong>e</strong> im Milzextrakt<br />
M1<br />
Polyam<strong>in</strong><br />
µg/mg Trockengewicht<br />
__________________________________________________<br />
Sperm<strong>in</strong> 4,84<br />
Spermid<strong>in</strong> 23,12<br />
N1-Acetylsperm<strong>in</strong> 16,54<br />
N1-Acetylspermid<strong>in</strong> 0,00<br />
N8-Acetylspermid<strong>in</strong> 110,89<br />
N1-Acetylputresc<strong>in</strong> 6,19
88 HELA ROTHE, AXEL WILLIG, PETER P. JAROS<br />
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