P21

Wie wurde P21 entwickelt?

P21 ist ein kleines Peptidderivat von CNTF. P21 wurde durch ein Verfahren namens Epitop-Mapping entwickelt, bei dem Antikörper zur Erkennung der Zielbindungsstelle eingesetzt werden. Für P21 werden zunächst gegen die aktive Stelle des CNTF-Rezeptors gerichtete Antikörper verwendet, um die CNTF-Bindungsstelle zu erkennen. Anschließend wurde ermittelt, welche kleinen synthetischen Peptide die CNTF-Bindung nachahmen und somit die Antikörperbindung stören. Das Ergebnis ist P21, das nicht nur an den CNTF-Rezeptor bindet, sondern auch die Blut-Hirn-Schranke und die Plazenta-/Laktationsschranke überwindet.P21 ist ein Tetrapeptid, das von der aktivsten Region des CNTF (Aminosäurereste 148-151) abgeleitet ist.Am C-terminalen Ende von P21 wurde ein adamantyliertes Glycin angefügt, um die Durchlässigkeit der Blut-Hirn-Schranke zu erhöhen und den Abbau durch Exopeptidasen zu verringern.

Natürliches CNTF ist zu groß, um die Blut-Hirn-Schranke zu überwinden, hat eine schlechte Plasmastabilität, ein ungünstiges pharmakologisches Profil und fördert bei systemischer Verabreichung sogar die Bildung von Anti-CNTF-Antikörpern. Die direkte Injektion in die Zerebrospinalflüssigkeit ist zwar eine Option, wird aber wegen der Schmerzen, des Infektionsrisikos und anderer unerwünschter Wirkungen normalerweise vermieden. Im Gegensatz zu intaktem CNTF ist P21 in künstlicher Magenflüssigkeit mehr als 30 Minuten lang stabil, was in den meisten Fällen ausreicht, um es durch den Magen passieren zu lassen. Im Darm ist es ungefähr 100% zwei Stunden lang stabil, was ausreicht, um absorbiert zu werden. Im Plasma ist es mehr als 3 Stunden lang stabil.

Wie funktioniert P21?

P21 hat mehrere Funktionen im ZNS, aber seine Hauptrolle liegt im Gyrus dentatus, wo es die Neurogenese und die neuronale Reifung in der Körnerzellenschicht und der subgranulären Zone fördert. Der Gyrus dentatus ist Teil der Hippocampus-Struktur im Schläfenlappen des Gehirns und trägt vermutlich zur Bildung neuer situativer Erinnerungen sowie zum spontanen Erkunden/Lernen in einer neuen Umgebung bei. Der Gyrus dentatus spielt auch eine wichtige Rolle bei der Vorverarbeitung von Informationen und der Mustertrennung. Im Wesentlichen ermöglicht die Mustertrennung Säugetieren, eine Erinnerung von einer anderen zu unterscheiden. Der Gyrus dentatus ist für Neurowissenschaftler auch deshalb von großem Interesse, weil er eine der wenigen Hirnregionen ist, die bei Erwachsenen eine signifikante Neurogenese aufweisen.

Modellstudien an Mäusen haben gezeigt, dass P21 nicht an CNTF-Rezeptoren bindet, was darauf hindeutet, dass P21 trotz der Behauptung, es sei ein Analogon, kein CNTF-Analogon ist. Es scheint, dass P21 Antikörper oder andere Moleküle, die CNTF neutralisieren, hemmt. P21 ahmt also nicht direkt die Wirkung von P21 nach, sondern erhöht die Konzentration dieses stärksten Neurogenese-Enhancers und ahmt damit effektiv seine Wirkung nach.

Studien an Mäusen haben gezeigt, dass P21 die Anzahl der BrdU-positiven Zellen im Gyrus dentatus erhöht. Dabei handelt es sich um ein synthetisches Nukleosid (Thymidin-Analogon), das zum Nachweis proliferierender Zellen in lebendem Gewebe verwendet wird. In diesem Experiment wurde festgestellt, dass es im Gyrus dentatus von Mäusen, denen P21 verabreicht wurde, konzentriert war, aber nicht im DG von Kontrollmäusen, was darauf hindeutet, dass P21 die Zellproliferation in dieser Region fördert. Um festzustellen, ob es sich bei den Zellen um Neuronen handelt, kann die NeuN-Expression gemessen werden, da sie ein Marker für reife Neuronen ist. Sie ist bei Mäusen, denen P21 verabreicht wurde, und in Regionen, in denen die BrdU-Konzentration erhöht ist, ebenfalls signifikant erhöht, was die Idee unterstützt, dass die erhöhte Proliferation tatsächlich eine erhöhte Neurogenese ist.

Eine weitere Komponente der P21-Aktivität scheint durch die Hemmung der LIF-STAT-Signalisierung hervorgerufen zu werden, ein Akronym für Leukemia Inhibitory Factor, ein Zytokin ähnlich dem Interleukin 6, das eine wichtige Rolle bei der Embryogenese spielt. Es ist für die Hemmung der Differenzierung und damit für die kontrollierte Beendigung der Zellproliferation verantwortlich, ein Prozess, der für die Verbesserung der Gewebereifung wichtig ist, auch wenn er auf Kosten einer reduzierten Proliferation geht. Durch die Hemmung von LIF beseitigt P21 eines der Hindernisse für die Neurogenese und ermöglicht es so dem Gehirn, in einen embryonalen Zustand einzutreten, der für das Wachstum von Neuronen günstiger ist.

Bei der Alzheimer-Krankheit (AD) besteht die natürliche Reaktion des Gehirns auf die Schädigung (d. h. den Verlust von Neuronen und Synapsen) darin, die Aktivität im Gyrus dentatus zu erhöhen. Leider sind viele alternde Gehirne nicht in der Lage, die Neurogenese zu unterstützen, so dass alternative Bemühungen scheitern.P21 Eine verstärkte Aktivität des Gyrus dentatus reicht aus, um diese Einschränkung zu überwinden und das Gleichgewicht der neurotrophen Faktoren zugunsten der Neurogenese zu verschieben. Die Begrenzung der Amyloidablagerungen im Gehirn ist also möglicherweise nicht die einzige Möglichkeit, die Auswirkungen der Alzheimer-Krankheit zu bekämpfen. Dies könnte erklären, warum die Plaque-Ablagerung bei Alzheimer zwar früh beginnt, die Auswirkungen der Ablagerung aber erst im späteren Leben sichtbar werden, wenn die Homöostase der neurotrophen Faktoren von der Neurogenese weg verschoben ist. Es hat sich gezeigt, dass die neurotrophe Unterstützung mit P21 die Spiegel des hirnabgeleiteten neurotrophen Faktors und des neurotrophen Proteins 4 erhöht, während die mitogenen Wirkungen des Fibroblasten-Wachstumsfaktors 2 abnehmen. Interessanterweise konnte in einem Mausmodell der Alzheimer-Krankheit durch die Verabreichung von P21 vor dem Ausbruch der Alzheimer-Krankheit der normalerweise auftretende kognitive Abbau verhindert werden. Dies deutet darauf hin, dass P21 als Präventivmaßnahme wichtiger sein könnte als als mögliche Behandlung.

Wichtig ist auch, dass BDNF nicht nur mit einer verstärkten Neurogenese in Verbindung gebracht wird, sondern auch mit der Herunterregulierung bestimmter Enzyme, die für die Bildung von Tau-Proteinen und Amyloid-Plaques im AD-Gehirn verantwortlich sind. Insbesondere verringert BDNF die Aktivität des GSK3-β-Proteins, das die Bildung von Amyloid-β aus Amyloid-Vorläuferproteinen sowie die Phosphorylierung von Tau-Proteinen katalysiert, was Schritte in der Entwicklung von Alzheimer sind, die zu Entzündungen und schließlich zur Neurodegeneration führen.

Es ist erwähnenswert, dass eine Überproduktion von GSK-3beta bei einer Reihe von Krankheitsprozessen festgestellt wurde, darunter Typ-2-Diabetes, verschiedene Krebsarten und bipolare Störungen. p21 und andere GSK-3beta-Inhibitoren werden voraussichtlich eine Rolle bei der Behandlung von Schlaganfall, Krebs und insbesondere bipolaren Störungen spielen.

Insbesondere scheint P21 den Trend der verminderten Expression von MAP2 (microtubule-associated protein 2), einem Marker für das synaptische Wachstum zwischen Neuronen, in den Gehirnen von Alzheimer-Patienten zu retten. Verminderte Werte dieses Proteins weisen auf eine verminderte Synaptogenese/Neurogenese hin und sind ein Marker für das Fortschreiten der Krankheit bei Alzheimer. In ähnlicher Weise wird angenommen, dass P21 den Rückgang der

• - Synaptisches Protein I, ein Schlüsselprotein für die synaptische Kommunikation zwischen Neuronen.
• - GluR1 (AMPA-Rezeptor), ein Rezeptor, der die schnelle synaptische Übertragung vermittelt.
• - NR1, ein Glutamatrezeptor, der mit synaptischer Plastizität und Lernen in Verbindung gebracht wird.

Das vielleicht Interessanteste an der Wirkung von P21 auf die synaptischen Proteine I, GluR1 und NR1 ist, dass es diese Substanzen sowohl in kranken als auch in gesunden Gehirnen auf supraphysiologische Werte anheben kann. Daraus schlossen die Forscher, dass P21 nicht nur zur Wiederherstellung der Funktion in kranken Gehirnen, sondern auch zur Verbesserung der Funktion in normalen Gehirnen beitragen kann. Als solches könnte es als intellektuelles Stimulans und zur Leistungssteigerung bei kognitiven Aufgaben nützlich sein. Die Forschung in diesem Bereich wurde bisher noch nicht in Tiermodellen durchgeführt, geschweige denn in Versuchen am Menschen. Tatsächlich ist P21 bei der Förderung der Neurogenese so wirksam, dass es die Neurogenese in kranken Gehirnen im Vergleich zu gesunden, unbehandelten Gehirnen tatsächlich erhöht.