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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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_________________________________________________<br />

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 />

_________________________________________________<br />

Abb. 2


70 HELA ROTHE, AXEL WILLIG, PETER P. JAROS<br />

_________________________________________________<br />

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-


POLYAMINE 71<br />

_________________________________________________<br />

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).


72 HELA ROTHE, AXEL WILLIG, PETER P. JAROS<br />

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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 />

_________________________________________________<br />

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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_________________________________________________<br />

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 />

_________________________________________________<br />

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.


76 HELA ROTHE, AXEL WILLIG, PETER P. JAROS<br />

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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


80 HELA ROTHE, AXEL WILLIG, PETER P. JAROS<br />

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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-


POLYAMINE 81<br />

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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>


82 HELA ROTHE, AXEL WILLIG, PETER P. JAROS<br />

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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 />

_________________________________________________<br />

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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