Zur Topochemie der Hormonwirkung P. Karlson* Physiologisch-Chemisches Institut der UniversitXt Marburg/Lahn The site of hormone action is the cells of target tissues. Now that ultrastructural research has revealed the complexity of eukaryotic cells, we must ask which cellular structures are involved. Some hormones act at the cell membrane, mainly via adenylate cyclase and the "second messenger" cAMP. The cytosol and the mitochondria, the main sites of intermediate metabolism and enzyme activity, are apparently not involved, although in the past interaction of hormones with enzymes has been postulated. Most of the steroid hormones act at the level of the cell nucleus, regulating transcription of specific genes and inducing enzymes or other proteins. The mechanisms by means of which this regulation is achieved are not fully understood, but it is likely that derepression is involved. The active agent seems to be a complex of the hormone with a receptor protein.

Problemstellu~r Nach einer von Starling um die Jahrhundertwende gegebenen Definition sind Hormone chemische Substanzen, die yon Drtisen innerer Sekretion in den Blutstrom abgegeben werden und an den Erfolgsorganen eine physiologische Antwort ausl/Ssen. Die Prim~irwirkung einer chemischen Substanz mug eine chemische Reaktion oder zumindest die chemische Wechselwirkung mit einem anderen Molektil sein. Die allgemeine physiologische Wirkung im Erfolgsorgan mug dieser Prim~irwirkung unmittelbar folgen, sie mug von dieser Primarwirkung sehr welt entfernt sein, abet es muff immer eine Kausalkette von Folgereaktionen geben, die die physiologischen Wirkungen im herk/Smmlichen Sinne zu erkl~tren vermag. Kausales Denken in der Naturwissenschaft verlangt eine m6glichst liickenlose Kenntnis der Kausalkette, in unserem Fall des Wirkungsmechanismus der Hormone. Unsere Fragestellung ist somit so alt wie die Hormonforschung selbst, und es hat schon friiher nicht an Versucheu gefehlt, eine Antwort darauf zu geben. In jeder wissenschaftlichen Epoche gibt es Denkweisen, die EinfluB auf die Problemstellungen und L6sungsversuche haben, auch auf Spezialgebieten. Ich will in diesem Aufsatz auch der Frage nachgehen, wie friihere Hypothesen tiber den Wirkungsmechanismus durch die allgemeine Denkweise der Zeit beeinfluBt wurden. Indessen soll die historische Betrachtung nicht Leitlinie dieses Aufsatzes sein. Wit fragen vielmehr nach dem Ort der Hormonwirkung in der Zelle des reagieDieser Aufsatz e n t s t a n d aus der Feldberg-Vorlesung, gehalten a m 20. F e b r u a r t974 in Cambridge, England, u n d ist dem A n d e n k e n an Ulrich Clever gewidmet, der a m t6. J u n i t973 im 44. L e b e n s j a h r in L a f a y e t t e (Indiana) g e s t o r b e n ist. 126

renden Gewebes. Durch die Ergebnisse der Ultrastrukturforschung der letzten Jahrzehnte wissen wir, dab die Zellen sehr kompliziert aufgebaut sind. Jedes Schema der Ultrastruktur einer Zelle zeigt zahlreiche Komponenten oder Kompartimente. Wir k6nnen deshalb fragen, in welchem Kompartiment der Zelle das Hormon seine Prim~rwirkung entfaltet, und auf diese Weise dem Problem zu Leibe riicken. Wir werden uns vor allem mit der Zellmembran, dem Cytosol und dem Zellkern zu beschiiftigen haben.

Hormonwirkung au/ die Zellmembran Die erste M6glichkeit besteht darin, dab das Hormon an der Zellmembran angreift, die das Zellinnere vom 8ugeren Medium, dem extrazellul~iren Raum, abgrenzt. Vide spezialisierte Transportsysteme sind in der Zellmembran lokalisiert, sie hubert die Aufgabe, N~ihrstoffe nach innen, Endprodukte des Stoffwechsels nach augen zu bef6rdern und ein konstantes ,,Milieu interne" aufrechtzuerhalten, das for viele physiologische Abl~iufe wichtig ist. Die Zellpermeabilit~it wird deshalb sehr genau reguliert. Die Vorstellung, dal3 Hormone die Permeabilitgt der Zellmembran kontrollieren, ist reeht alt. Vor etwa 60 Jahren spekulierte H6ber [tl fiber diese M6glichkeit : , , D a n n wS,re es denkbar, dab pathologisehe Verhaltnisse aus A b g n d e r u n g e n der n o r m a l e n Durchlgssigkeit der P l a s m a h a u t resultieren. Es liegt besonders nahe, bier an die IKrankheiten des Kohlenhydratstoffwechsels, insbesondere den Diabetes zu denken . . . . . rechnet mail m i t dieser M6glichkeit, so diirfte an die Stelle der heutigen Theorien des Diabetes, die auf der A n n a h m e a b n o r m e r f e r m e n t a t i v e r Fghigkeiten a u f g e b a u t sind, eine ,Membrantheorie des Diabetes' gesetzt w e r d e n . . . "

N a t u r w i s s e n s c h a f t e n 62, t 2 6 - - t 3 2 (1975)

9 b y Springer-Verlag t975

Hormon

k~(z.B, Adrenalin)

~}J ~

~' ~"^u~ ffhosph~ 5

'

-

~ Inaktivierung Aktivierung yon Enzymsysternen (z.B. Phosphorytas%Lipase)

AMP

Fig. 1. Zur \Virkung yon Hormonen iiber die Adenylat-Cyclase und Bildung des ,,zweiten Messenger" cye]o-AiViP. Weitere ErklS~rung im Text (nach 1,2arlson, P. : Kurzes Lehrbuch der Biochemie. Stuttgart: G. Thieme, t974)

Diese Zeilen wurden zu einer Zeit geschrieben, a]s das Insulin noch nicht isoliert war. Der experimentelle Beweis kam sehr viel sp~tter E2], und es ist heute allgemein akzeptiert, dab ein erheblicher Teil der Insutinwirkungen darauf zurfickzuffihren ist, dab Glucose vermehrt in die Zelle aufgenommen wird. Allerdings ist der eigentliche Mechanismus des Zuckertransports durch Zellmembranen immer noch unbekannt, und infolgedessen wissen wir auch nicht, auf welche Weise das Insulin diesen Prozess beeinflugt; wir kennen nur das Ergebnis dieses Einflusses, n~imlieh eine gesteigerte Permeabilit~tt der Glucose. Insulin ist nicht das einzige Hormon, welches Transportvorg~tnge kontrolliert. An der hormonalen Regulation der Nierenfunktion sind sogar mehrere Hormone beteiligt. Indessen kann hierbei der Wirkungsmechanismus durchaus verschieden sein. So ist bekannt, daf3 Adiuretin (Vasopressin) die Adenytat-eyclase (s.u.) stimuliert, wihrend Aldosteron die Induktion bestimmter Proteine bewirkt, die Itir den Transportvorgang n/Stig sind. Die Zellmembran ist auch der Wirkungsort yon Hormonen, die nicht prim~tr die Zellpermeabilit~it beeinflussen: Das Adenylat-Cyclase-System ist in der ~lembran lokalisiert. Es wurde von Sutherland u. Mitarb. beim systematischen Studium des Wirkungsmechanismus yon Adrenalin und Glucagon auI die Stimulierung der Glykogenolyse in der Leber entdeckt. Im Gegensatz zu den Vorstellungen yon H6ber war diese Entdeckung die Frucht des Experiments, nicht der Spekulation (vgl. hierzu [3]); sie ffihrte im weiteren VerlauI zu der Theorie des ,,second messengers", die in Fig. t sehematisch dargestellt ist. Wie Fig. t zeigt, wird das Hormon zun~ichst an die Zellmembran gebunden. Diese Wechselwirkung {tihrt zu einer Stimulierung der Adenylat-Cyclase, es wird cyclisches Adenosinmonophosphat (cyclo-AMP) produziert. Diese Substanz ist der ,,zweite Messenger", er wirkt anf bestimmte Systeme im Cytosol. Im Falle der Adrenalin-stimulierten Glykogenolyse aktiviert er durch Mlosterische Wechselwirkung eine Proteinkinase, die dann fiber die Beeinflussung eines weiteren Enzylns (derPhosphorylase-Kinase) die Phosphorylierung der inaktiven Phorphorylase b und damit ihre Konversion in die Phosphorylase a stimuliert. Die Phosphorylase a katalysiert den Glykogen-Abbau. Es konnte inzwischen gezeigt werden, dab viele Hormone - - insbesondere Peptidhormone - - ihre Wirkung tiber das Adenylat-Cyclase-System und den ,,second Naturwissenschaften 62, 126--132 (t975)

messenger" ausfiben. Die Effekte des cyclo-AMP k6nnen in verschiedenen Erfo!gsorganen durchaus verschieden sein; im Fettgewebe wird z.B. eine Lipase aktiviert, in der Nebennierenrinde sind die Enzyme des Steroidstoffwechsels betroffen. - - Da das cycloAMP durch eine Phospho-Diesterase rasch zu AMP hydrolysiert wird, ist die Wirkung des ,,second messenger" nut eine vortiberg-ehende. Das Konzept des ,,second messenger" soll hier nicht ausffihrlich diskutiert werden. Es gibt darfiber eine sehr umfangreiche Literatur sowie eine Reihe guter Zusammenfassungen [4]. Es seien jedoch einige Worte fiber die Spezifit~it der Hormonwirkung im Zusammenhang mit dem ,,second messenger" angeffigt: Wenn zwei oder mehrere Hormone auf dieselbe Zelle wirken und die Synthese yon cAMP stimulieren, dann muB ihre Wirkung auf der Stufe des ,,second messengers" identisch sein. Die Hormonspezifit~tt geht an dieser Stelle verloren. Andererseits ist leicht einzusehen, dab antagonistische Effekte verschiedener Hormone dadurch zustandekommen k6nnen, dab ein Hormon stimulierend, das andere inhibitierend auf das Adenylat-Cyclase-System wirkt. Der Antagonismus zwischen Insulin und Glucagon kann zum Teil auf diese Weise erkl~irt werden. Die Spezifit~it des Hormons fiir Zellen der Erfolgsorgane beruht darauf, dab nur diese Zellen den entsprechenden Hormonrezeptor in der Zellmembran enthalten. Wie in Fig. t dargestellt, wird das Hormon nicht an die Adenylat-Cyclase selbst gebunden, sondern an ein anderes Protein in der Membran, eben den Hormonrezeptor, der dann, vermutlich durch allosterische Effekte, die AdenylatCyclase aktiviert. Die Vorstellung, dab es Hormonrezeptoren geben muB, ist gleichfalls verh~ltnism/if3ig alt. Heehter hat darauf hingewiesert, dab sie eng verwandt ist mit den Vorstellungen yon ,,Rezeptoren" i[lr bestimmte Pharmaka, die bestimmte Gewebe beeinflussea. Solche Vorstellungen wurden zuerst yon Ehrlich im ersten Jahrzehnt dieses Jahrhunderts entwickelt. In neuester Zeit ist es tats~chlich gelungen [5], Proteirtfraktionen aus Zellmembranen zu isolieren, die Hormone in speziIiseher "Weise binden, die also die Eigenschait yon Rezepkoren besitzen; damit haben sich die altert Vorstellungen yon Ehrlich bestS, tigt. Aueh die ]?rage, welehe Reaktionen auf die Wechselwirkung des Hormons rnit dem Rezeptor erfolgen, ist dureh die Entdeckung der Adenylat-Cyclase zum Teil beantwortet. - - Uber Steroidhormon-Rezeptoren s.u.

Hor~uouwirkung au/ das Cytosol Wir wollen zur Zelle zurfickkehren und uns fragen, ob es irgendwelche Prim~ireffekte yon Hormonen anf die Bestandteile des Cytosols oder die im Cytosol vor]iegenden Organellen gibt. Das Cytosol ist zusammen mit den Mitochondrien der wichtigste 0 r t ffir den Intermedi~rstoffwechsel, der yon zahlreichen Enzymen katalysiert wird. Unsere Frage l~il3t sich deshalb so pr~tzisieren: Gibt es Wechselwirkungen yon Hormonen mit Enzymen ? Es ist historisch sehr interessant zu sehen, dab die Vorstellung einer Wechsehvirkung yon Hormonen mit Enzymen in den Jahren yon 1935 bis t955 weit verbreitet war, ohne dab es irgendwelche experimentellen Beweise daffir gab - - lediglich auf der Basis vorherrschender Denkweise. Die Enzymologie hat in jener Zeit ihre ersten grof3en Erfolge erzielt; die Biochemie der zwanziger und dreif3iger Jahre war im tibrigen yon tier Suehe nach Vitaminen und Hormonen beherrscht. Viele dieser Verbindungen wurden isoliert und

9 by Springer-Verlag t975

1 27

ihre S t r u k t u r e n aufgeklgrt, die V i t a m i n e der B - G r u p p e , T h y r o x i n , die S e x u a l h o r m o n e u . a . m . U n d in die Mitre der dreil3iger J a h r e fgllt die wichtige E n t d e c k u n g , dab einige V i t a m i n e Teile y o n C o e n z y m e n oder p r o s t h e t i s c h e n G r u p p e n y o n E n z y m e n stud. Der Analogieschlul3, d a b H o r m o n e eine ghnliche F u n k t i o n h a b e n kOnnten, lag n a h e . W i r sind h e u t e g e w o h n t , V i t a m i n e u n d H o r m o n e als ganz verschiedene K l a s s e n y o n biologisch w i c h t i g e n V e r b i n d u n g e n a n zusehen. H o r m o n e sind r e g u l a t o r i s c h e S u b s t a n z e n , deren Sek r e t i o n u n d A u s s c h e i d u n g sorgfgltig kontrollieri wird. Vitam i n e s i n d akzessorische N{ihrstoffe, d e r e n A u f n a h m e n i c h t kontroIliert w e r d e n k a n n ; sie h a b e n keine r e g u l a t o r i s c h e F u n k t i o n , n u r ihr Mange1 b e w i r k t m e h r oder w e n i g e r (racist weniger) spezifische S y m p t o m e . E i n echtes Verst~tndnis fiir d a s P h g n o m e n der akzessorischen N i h r s t o f f e - - V i t a m i n e ebenso win essentielle A m i n o s g u r e n u . a . m . - - h a t erst die biochemische G e n e t i k erm6glicht. V i d e niedere O r g a n i s m e n sind in der Lage, alle diese k o m p l i z i e r t e n Stoffe selbst zu s y n t h e t i s i e r e n . 13ei dell h 6 h e r e n Tieren u n d b e i m M e n s c h e n sind v e r s c h i e d e n e S y n t h e s e w e g e u n t e r b r o c h e n , v e r m u t l i c h infolge der M u t a t i o n einiger wichtiger Gene. Solange die V e r s o r g u n g m i t d e n e n t s p r e c h e n d e n E n d p r o d u k t e n dieser S t o f f w e c h s e l k e t t e n d u r c h die N a h r u n g gew~hrleistet ist, h a t die M u t a t i o n keine schiidlichen W i r k u n g e n , die Mut a n t e n h a b e n k e i n e n Selektionsnachteil, u n d d a s m u t i e r t e G e n wird y o n Genera/toil zu G e n e r a t i o n weitergegeben.

Diese Zusammenh/inge waren um 1935 natfirlich noch nicht bekannt. Vitamine und Hormone hatten nines gemeinsam: Schon sehr geringe Mengen entfalteten grof3e physiologische Wirkungen. Im deutschen Schrifttum war der Ausdruck ,,Wirkstoffe" Ms Oberbegriff gel~tufig, u n d e s herrschte nine gewisse Tendenz, Vitamine und Hormone als biologisch sehr nahe verwandt zu betraehten. Diese Vorstellung wurde von D. E. Green 1941 in folgende Worte gekleidet [6] : " T h e t h e s i s w h i c h we shall develop in t h i s article is t h a t a n y s u b s t a n c e w h i c h occurs in traces in. t h e cell a n d w h i c h is nece s s a r y in t r a c e s in t h e diet or m e d i u m m u s t either be a n essential p a r t of s o m e e n z y m e or a n e n z y m e i t s e l f . . . " " W e m a y t h e r e f o r e i n a c c o r d a n c e w i t h t h e trace substance~ e n z y m e thesis consider h o r m o n e s either as p o t e n t i a l e n z y m e s or as p r o s t h e t i c g r o u p s . "

Green stellte dann Spekulationen fiber die m6gliche Rolle des Insulins als Untereinheit eines Enzyms an: " U n l e s s we a s s u m e 'action a t a d i s t a n c e ' it fotlows t h a t insulin is a c t i n g c a t a l y t i c a l l y a t s o m e s t a g e in t h e s y n t h e s i s or b r e a k d o w n of glycogen. Insulin, b e i n g a protein, c a n h a r d l y be c o m p a r e d to a p r o s t h e t i c group. However, t h e possibility t h a t insulin is t h e essential p r o t e i n p a r t of s o m e e n z y m e c a n n o t as y e t be e x c l u d e d . "

In den darauf folgenden Jahren wurden in zahlreichen Laboratorien in der ganzen Welt grol3e Anstrengungen gemacht, die Wirkung von Hormonen als Enzyme oder Coenzyme nachzuweisen. Das Ergebnis der zahlreichen Bemfihungen war mager [7]. Es gab einige Effekte yon Hormonen - - Aktivierungen oder Hemmungen in der GrSgenordnung yon einigen Prozent, vielleicht auch einmal 20% - - , aber alle diese Effekte waren klein, die meisten unspezifisch (nahe verwandte, hormonal inaktive Stoffe konnten gleiche Effekte aus16sen), und keiner dieser Effekte konnte die klassischen ,,physiologischen Wirkungen" der Hormone in kausaler Weise erkl~iren. So lnugte diese Vorstellung verlassen werden. Die ursprihngliche Idee einer Coenzym-/ihnlichen Wirkung von Steroidhormonen wurde noch einmal wiederbelebt durch die Arbeiten von Villee [8] und Tatalay [9] aber die Transhydrogenasen und ihre Stimulierung dureh Ostradiol und andere Steroidhormone. Diese Vorstellung ist heute nahezu vergessen, obwohl sie seinerzeit groBes Aufsehen erregte. t28

A u s g a n g s p u n k t w a r die E n t d e c k u n g y o n E n z y m e n , die die O x i d o r e d u k t i o n y o n t 7 - H y d r o x y - S t e r o i d e n wie 0 s t r a d i o l oder T e s t o s t e r o n k a t a l y s i e r e n , wobei e n t w e d e r N A D + oder N A D P + als W a s s e r s t o f f a c c e p t o r wirkt. "vYenn solch ein E n z y m , welches beide N i c o t i n a m i d - C o e n z y m e v e r w e n d e n k a n n , m i t d e m S t e r o i d - S u b s t r a t z u s a m m e n t r i f f t , d a n n k a n n es zur T r a n s h y d r o g e n i e r u n g k o m m e n ; o h n e d a s Steroid erfolgt keine T r a n s h y d r o g e n i e r u n g . - - D a s gleiche R e s u l t a t k a n n m i t zwei E n z y m e n erreieht werden, v o n d e n e n nines spezifisch fflr N A D +, d a s a n d e r e fiir N A D P + ist; es h a n d e l t sich u m die folg e n d e n 1Reaktionen: 0s%radiol + N A D + -+0stron + N A D H + li+ Ostron + N A D P K + H + -->0stradiol + N A D P +

Bilanz : N A D +

+ NADPH

--> N A D P +

+ NADH

E s ist n i c h t d a r a n zu zweifeln, dab solche S t e r o i d d e h y d r o g e n a s e n existieren. A b e r die I n t e r p r e t a t i o n e n , die d a r a n gekniip.f.t w u r d e n , u n d die Versuche, die physiologische W i r k u n g des Ostradiols d u t c h die T r a n s h y d r o g e n a s e r e a k t i o n zn erklgren, e r s c h e i n e n u n s h e u t e s e h r weft hergeholt. E s m u g j e d o c h d a r a n e r i n n e r t w e r d e n , d a b zu j e n e r Zeit d e m Verh g l t n i s N A D + : N A D H eine v i m gr6Bere physiologische ]Bed e u t u n g z u g e m e s s e n w u r d e als heute. M a n s a h d a r i n eine wesentliche Or6Be z u r XontrolIe y o n Stoffwechselprozessen (allosterische E f f e k t e w a r e n n o c h t n i c h t e n t d e c k t ) .

Die Hypothesen von Villee und TNalay erwiesen sich schon einige Jahre sp~ter als falsch, da Jensen u. Mitarb. [10] zeigen konnten, dab zumindest bet der Ratte keine Umwandlung von OstradioI in Ostron im Verlaufe der Wirkung dieser Hormone im Erfolgsorgan stattfand. Die Formulierungen, die Green t941 far die enzymologische Hypothese der Hormonwirkung gew/ihlt hat, beruhten auf den Erkenntnissen der geit, vor allem dem d a m n s neu entdeckten Zusalmuenhang zwischen Vitaminen und Coenzymen. Die Vorstellung, dab die Menge an Coenzym (oder an ether prosthetischen Grnppe, z.B, Ftavin) die Enzymaktivitgt regulieren und auf diese Weise bioehemische Stoffwechselwege kontrollieren k6nne, schien 194t logisch; sic hat sich nicht bestfitigt. Wir wissen heute, dab die Stoffwechselregulation mit subtileren Methoden arbeitet, vor Nlem durch allosterische Kontrolle der Enzymaktivit/it. Die Antwort, die ein heutiger Enzymologe auf die Frage nach Wechselwirkungen zwischen Hormonen und Enzymen geben wfirde, wtirde wohl lauten : ,,Wahrscheinlich handelt es sich um nine allosterische Kontrolle." Ein Beispiel hierfiir ist der Mechanismus der Adrenalinwirkung, obwohl in diesem FNle nicht das Adrenalin selbst diese Wirkung ausfibt, sondern der ,,second messenger" cyclo-AMP. Win oben ausgeffihrt, wirkt cyclo-AMP Ns allosteriseher Aktivator ffir die Proteinkinase. In diesem Falle ist die allosterische Wirkung also mittelbar. Eine unmittelbare allosterische Kontrolle eines Schlfisselenzyms in einem Stoffweehselweg durch ein Hormon ist meines Wissens noeh nicht beschrieben worden. Einige S t e r o i d h o r m o n e haben e i n e n allosterischen EinfluB a u f die G l u t a m a t d e h y d r o g e n a s e , wie T o m k i n s u m t960 entdeckt und untersucht hat [ll]. Auch Tomkins hat umfangreiche S p e k u l a t i o n e n fiber die biologische B e d e u t u n g dieser E f f e k t e a n g e s t e l l t , es stellte sich j e d o c h b a l d d a r a u f h e r a u s , d a b sic n i c h t spezilisch fiir d a s v e r w e n d e t e Steroid w a r e n u n d d a b die allosterischen E f f e k t e , die i n vitro b e o b a c h t e t w u r d e n , f~r die m e t a b o l i s c h e K o n t r o l l e i s vivo i r r e l e v a n t stud.

Neben den Enzymen des Cytosols sind auch die Stoffwechselprozesse in den Mitochondrien Ns Wirkungsort von Hormonen diskutiert worden. Die Beobaehtung yon Martius, dab Thyroxin die oxydative Phos-

N a t u r w i s s e n s c h a f t e n 62, 1 2 6 - - t 3 2 (1975)

9 b y Springer-Verlag 1975

phorylierung entkoppelt, schien zun~chst bedeutsam, da bei einer solchen Entkopplung mehr N/ihrstoffe verbrannt werden miissen, um die gleiche Menge ATP zu erzeugen; das M t t e den bekannten Anstieg des Grundumsatzes nach Thyroxingaben gut erkl~ren k6nnen. Wir mtissen heute die Entkopplerwirkung des Thyroxins unter die pharmakologischen Wirkungen dieses Hormons einreihen, die m6glicherweise in Beziehung stehen zu der Thyreotoxikose, die aber mit den eigentlichen physiologischen Wirkungen des Hormons nichts zu tun haben.

Vofstufen

oNsJ~

", ~o /i,~e r

h

//

ONS-,.:., * ~ * ' ~ RNSc"

Hormonwirkung au/ den Zellkern u-

Ahnlich wie das Konzept vom ,,second messenger" haben sich unsere eigenen Hypothesen, die durch das Schlagwort .Hormonwirkung durch Gen-Aktivierung" gekennzeichnet werden k6nnen, aus experimentellen Befunden entwickelt. Am Anfang stand die Beobachtung, dab das Insektenhormon Ecdyson an Riesenchromosomen bestimmte ,,puffs" induzieren konnte. Riesenchromosomen kommen vor allem in einer Gruppe yon insekten vor, den Dipteren (Fliegen und Mficken). Sie zeigen das bekanrtte Muster yon dichten, intensiv fgrbbaren Querscheiben, die dutch hellere Zwischenbanden getrennt sind. Manchmal erscheinen einige dieser Querscheiben geschwollen, die Fgrbbarkeitseigenschaften sind ver/~nder~, die gesamte Struktur erscheint aufgeblght. Von daher s t a m m t der englische Ausdruck ,,puffing" ffir die Strukturgnderung, und die vergnderten Strukturen werden auch ,,puffs" genannt. Dr. Ulrich Clever, damals am Max-Planck-Institut ffir Biologie in Tfibingen in der Abteilung Beermann t~tig, war an Puffmustern und ihren Vergnderungen interessiert; wir hatten viel Erfahrung mit Ecdyson, dem Metamorphosehormon der Insekten. In einer Diskussion fiber die M6glichkeiten, Puffmuster experimenteI1 zu vergndern, schlug ich vor, eine Injektion yon Ecdyson zu versuchen. Da bestimmte Vergnderungen im Puffmuster gerade nach Eintritt der Larve in das Vorpuppenstadium eintraten, erschien es m6glich, dab Ecdyson, welches die Umwandlung yon der Larve zur Vorpuppe und spgter zur Puppe stimuliert, auch auf das Puffmuster EinfluB nehmen k6nnte. Das Experiment verlief positiv. Es zeigten sich sehr spezifische Vergnderungen im Puffmuster.

Kurz zuvor war in Beermanns Arbeitskreis gezeigt worden, dab die Puffs der Riesenchromosomen als sichtbare Korrelate der Gen-Aktivitat anzusehen sind [~3]- Wir kamen daher in unserer ersten Publikation [t4~ zu folgendem Schlug: ,,...Deshalb erscheint die Hypothese gerechtfertigt, dab die pyimiim

Wirkung des Hormons in der Beein/lussu~g der A ktivitgt eines oder mehrerer spezi/ischer Ge~loci besteht.'q Diese Aussage war zun~tchst nur die Interpretation eines vielleicht wichtigen Experiments; sie traf aber in hervorragender Weise zusammen mit der Denkweise der Zeit. Durch die grogartigen Ergebnisse der MoIekularbiologie in den ftinfziger Jahren war bekannt, auf welche Weise genetische Information in der DNA versehltisselt ist, und dab diese Information durch die Synthese yon Messenger-RNA abgerufen und zum Aufbau spezifischer Proteine verwendet wird. In der Entwicklungsphysiolog{e real3 man der Regulation der Gen-Aktivit~t eine groBe Bedeutung zu, nnd es wurde far m6glich gehalten, dab Hormone, die Entwicldungsprozesse beeinflussen, hier angreifen ~t5]. Die Regulation der Gen-Aktivit/it war auch Gegenstand der nun schon klassischen Arbeiten yon Jacob und Monod; ihre grundlegende Ver~Sffentlichung Et6] fiber den Represser erschien allerdings erst t Sperrung im Original Naturwissenschaften 62, 126--132 (1975)

Protein (Enzym) AktivotorEnzym

Prolyrosinose

h, o- Diphenol

[yrosinqse L )o-Chinon

$

SMerotisierung der Cuticulo Fig. 2. Hormonwirkung dutch Gen-Aktivierung. Das aktivierte Gen produziert eine mRNA, die im Cytoplasma in Protein fibersetz~ wird. Unten ist die Akt/vierung der Tyrosinase dargestellt, die zur Bildung der Sklerotisierungs-Chinone ffihrt (nach [I 71).

1963, w/ihrend wir unser erstes Schema zum Mechanismus der Hormonwirkung durch Gen-Aktivierung schon 1961 entworfen haben [t71. Das Schema (Fig. 2) soil die Kausalkette yon Vorg~tngen erkl~tren, die schliet31ich zur Sklerotisierung der Larvenkutikula bei Schmeigfliegen ftitlrt; dieser Prozel3 wird bekanntlich von Ecdyson ausgel6st, er liegt dem biologischen Test ftir Ecdyson zugrunde. Friihere Arbeiten in unserem Laboratorium ~t8J hatten gezeigt, dal3 die Sklerotisierung mit Ver~tnderungen im Tyrosin-Stoffwechsel einhergeht, die schliel3lich zur Prodnktion von N-Acetyl-dopamin, der Sklerotisierungssubstanz, fiihren. Das Schema (Fig. 2) gestattete einige Voraussagen, die mit biochemischen Methoden experimentell geprtift werden konnten. Der vorgeschlageneWirkungsmechanismus verlangte die Anwesenheit des Hormons im Zellkern. Ferner war eine Stimulierung der RNASynthese zu erwarten, und diese RNA sollte vorzugsweise Messenger-RNA (mRNA) sein. Und schlieBlich sotlte im Gefolge der Hormonwirkung ein spezifisches Protein indnziert werden, welches eine physiologische Funktion erfiillt, die im Zusammenhang mit der ,,physiologischen Wirkung" im klassischen Sinne steht. Dies konnte ein Enzymprotein oder ein anderes Protein sein. In den darauf folgenden Jahren konnten die meisten dieser Voraussagen bestgtigt werden, nicht nur far Ecdyson, sondern auch fiir verschiedene andere Steroidhormone. Zusammenfassungen hierfiber sind an verschiedener Stelle erschienen [t9]. Wir wollen deshalb bier nur ganz kurz die wichtigsten Fakten anffihren. Die Anwesenheit von Steroidhormonen im Zellkern wurde von Roth und Stumpf [20] mit hoch markier-

9 by Springer-Verlag 1975

129

ten Ostrogenen und einer speziell ffir diesen Zweck ausgearbeiteten radioautographischen Technik untersucht. Auf diese Weise war es m6glich, die Anhfinfung yon Hormon in den Zellkernen von Erfolgsorganen nachzuweisen. Ahnliche Studien mit Ecdyson wurden yon Emmerich [21] publiziert. Diese Untersuchungen haben neuerdings eine sehr interessante Wende genommen durch den Naehweis yon hormonbindenden Proteinen - - sogenannten Rezeptorproteinen - - im Zellkern. Wit werden darauf unten noch einzugehen haben. Die Stimulierung der RNA-Biosynthese durch Hormone konnte gleichfalls experimentell bewiesen werden. Bereits 1958 hatten G. Muelier eta[. [22] gezeigt, dab nach Ostradiolgaben der RNA-Stoffwechsel im Rattenuterus erh6ht ist. Wir konnten /ihnliche Befunde bet CaE@hora im Verlauf der Ecdysonwirkung erheben. Es konnte Ierner gezeigt werden, dab diese RNA eine verh~iltnism~iBig hohe Matritzenaktivit~t ftir die Proteinbiosynthese hat, dies wurde an geeigneten Proteinsynthese-Systemen gepriift, wobei die RNA der Insekten auch in einem Proteinsynthese-System aus Rattenleber voll wirksam war [23]. Ein weiterer Hinweis auf die Rolle der RNA-Synthese bet der Hormonwirkung ergab sich aus dem Befund, dab Hemmstoffe der Transkription, z.B. Actinomycin, vielfach die Hormonwirkung unterdrticken (vgl. hierzu [24]). E t w a s b e u n r u h i g e n d w a r zunEcl~st, d ~ 6 der E f f e k t a u f die RNA-~Biosynthese sehr grog war. W e n n die H o r m o n w i r k u n g tatsiiehlieh in der A k t i v i e r u n g v o n e i n e m oder zwei oder zum i n d e s t doeh w e n i g e n spezifischen G e n e n b e r u h t , die zur i n d u z i e r t e n S y n t h e s e y o n einigen w e n i g e n m l R N A - A r t e n fi~hrt, d a r m k o n n t e m a n eigentlicl~ keine mel3baren V e r i i n d e r u n g e n in der g e s a m t e n I R N A - S y n t h e s e r a t e e r w a r t e m ]3el d e n oben geschilder~cen E x p e r i m e n t e n b e o b a c h t e t e m a n alierdings e i n e n A n s t i e g der I R N A - S y n t h e s e u m 50 bis t 0 0 % gegeniiber d e m Kontrollwert. E s stellte sich spiiter h e r a u s , d a b ein groBer Teil dieser R N A r i b o s o m a l e 1RNA war. A u s diesem G r u n d e ist die u r s p r ~ n g l i c h e H y p o t h e s e ether I n d u k t i o n y o n m R N A y o n v e r s c h i e d e n e n Arb e i t s g r u p p e n 5 e s t r i t t e n worden. W i r h a b e n s t e t s die Auff a s s u n g v e r t r e t e n , d a b z u s a m m e n m i t der r i b o s o m a l e n R N A a u e h M e s s e n g e r - R N A i ~ d u z i e r t wird; z u s a m m e n m i t d e m i n f o r m a t i o n s t r a g e n d e n Moleki~l, der m R N A , stellt der Zellkern a u c h die Maschinerie zur Verffigung, u m diese I n f o r m a t i o n zn ~bersetzen. Die e r h 6 h t e , , t e m p l a t e a c t i v i t y " der n e u s y n t h e t i s i e r t e n R N A s p r a c h ~ihr eine solche A u f f a s s u n g .

Die Induktion von spezifischer Messenger-RNA durch Hormone ist sp~iter durch verschiedene Gruppen, vor allem durch O'Malley et al. [25] am Beispiel der Messenger ftir Ovalbumin und Avidin beim Hiihnchen, roll best~ttigt worden. Vorl~iufige Versuche in unserem Laboratorium zeigen, dab auch das Uteroglobin im Kaninchenuterus durch Progesteron tiber die Synt1~ese des spezifischen Messengers kontrolliert wird [26]. Mit d!esen Ausfiihrungen haben wir schon das Gebiet der Induktion spezifischer Proteine bertihrt. Neben den oben genannten Beispielen ist besonders die Induktion einiger Schlfisselenzyme des Aminostturenstoffwechsels und der Gluconeogenese durch Cortisol untersucht worden [27]. Bet Call@horn ist die Induktion der DOPA-Decarboxylase nachgewiesen worden [28].

Rezeptorprotei~e .far S~eroidhormom Unabh~ngig yon unseren Untersuehungen tiber den Wirkungsmechanismus batten Jensen und Jacobsen das Sebicksal des Ostradiols in den Erfolgsorganen 130

B[utstrom

Cytop[~sma ,,,.-

Hormon-bindendes ~)H Gl~

CytosoL-

~R~=~ts, "~ ......

~

Nukleus )

I

\

/ Rezeptor -R e- 4 , ~ - ~ / ~ ~ presser~H/~

Dki^

( (K....

"~

/ .

\ ~ kk

~Xx~

operon

._2

.

.

.

Oerepression durch Represser-Hormon [-Rezeptor?!-

Rib0somen Fig. 3. K o n t r o l l e der T r a n s k r i p t i o n d u r c h d e n H o r m o n - R e z e p i o r - K o m p l e x . Oeze~gt ist die , , p o s i t i v e " KonLrolle, die z u r D e r e p r e s s i o n u n d zur B i l d u n g y o n m R N A fiihrt.

untersucht. Es stellte sich heraus, dab das Hormon sehr spezifisch an bestimmte Proteine gebunden wird [t 0]. Solche Proteine werden heute ,,Rezeptorproteine" genannt. Die Rezeptorproteine fiir Ostradiol sind am besten untersucht, haupts{ichlich durch die Arbeiten von Jensen, Jungblut, Baulieu und ihre Mitarbeiter [291. Zwei verschiedene Proteine existieren, ein cytoplasmatischer Rezeptor und ein Rezeptor des Zellkerns. Die Dissoziationskonstante des Hormon-Rezeptor-Komplexes ist sehr klein, so dab das Ostradiol in die Zelle aufgenommen nnd zun~ichst im Cytoplasma akkumuliert wird. Der Transport vom Cytosol in den Zellkern geht mit einer Ver~inderung des Proteins einher, deren Einzelheiten noch nicht v611ig aufgeklttrt sind; es sieht so aus, als ob das cytoplasmatisehe Protein in Kombination mit dem Hormon eine Konformations~inderung durchmacht, wodurch gleichzeitig der Komplex beftihigt ist, in den Kernraum einzutreten. Die gesamte Reaktionsfolge ist in Fig. 3 dargestellt. Wie leicht einzusehen ist, ist dies zwar eine sehr effektive Methode, das Hormon im Zellkern zu konzentrieren; es ist aber gleiehzeitig eine ,,Einbahnstraf3e". Der Kernrezeptor binder Ostradiol mit einer Kniss yon 10-1~ M. H~ilt man an der Vorstellung yon Monod fest, dab das Hormon mit einem Repressorprotein auf dem Chromosom reagiert, dann muf3 die Dissoziationskonstante dieses Komplexes mindestens eine Grgl3enordnung kleiner sein. Was geschieht nun, wenn das Hormon seine Wirkung entfaltet hat ? Eine Rtickdiffusion ans der ZeIle scheint unm6glich; auch wenn die Bindungsproteine im Zellkern zerst6rt werden, wtirde das freigesetzte Hormon im Cytoplasma erneut gebunden und wieder in den Zellkern hineintransportiert. Eine Inaktivierung des Hormons durch Stoffwechselvorg~inge wfire eine M6glichkeit; es ist aber bekannt, dab Ostradiol im Erfolgsorgan (z.B. im Rattenuterus) nicht metabolisiert wird. Ebenso ist aber schon seit langem bekannt, dab die Wirkung des Hormons nur eine vortibergehende ist; sie dauert nur einige Stunden. Wie die Inaktivierung oder Ausschleusung des Hormons erfolgt, ist ein noch ungei6stes Problem und eine Aufgabe fiir die weitere Forschung. AbschlieBend set erw~ihnt, dab entsprechende Rezeptorproteine mit ~ihnlichen Eigensehaffen auch fiir die anderen Steroidhormone der Wirbeltiere gefunden wurden [30]. Es ist zu vermuten, dab aueh das Insektenhormon Ecdyson an intrazellul~kre Rezeptorproteine gebunden wird [3 l ].

N a t u r w i s s e n s c h a f t e n 62, 1 2 6 - - 1 3 2 (1975)

@9 b y Springer-Verlag t975

Unters~chungen an isolierten Zellkerne~ Um das in Fig. 2 gezeigte Schema noch weiter zu beweisen, versuchte mein Mitarbeiter Sekeris, Wirkungen der Hormone auf isolierte Zellkerne aufzufinden. Ein solehes in-vitro-System k6nnte sofort den Einwand ausschliel3en, dab der Prim~irprozel3 im Cytoplasma oder an der Zellmembran zu suchen ist und die nachgewiesenen Effekte im Zellkern als sekund~ir anzusehen sind. Selbstverstiindlieh mul3 man in einem solchen in-vitro-System nach den Antworten suchen, die mit der Funktion des Zellkerns in Einklang sind. Das einfachste Vorgehen ist die Messung der RNA-Synthese, da der Zellkern der Ort des RNA-Stoffwechsels ist. Die Inkubation yon isolierten Rattenleberzellkernen mit Cortisol oder yon Zellkernen aus Schmeil3fliegenlarven-Epidermis mit Ecdyson ft~hrt zu einem Anstieg der RNA-Synthese [32]. Der Effekt ist in beiden F~tllen spezifisch fiir die Hormone und die entsprechenden Erfolgsorgane, und er ist - - wie die PuffInduktion - - ein sehr schnell verlaufender Vorgang: Schon nach einigen Minuten kann man eine Steigerung der RNA-Synthese messen. Dies best~itigt die Annahme einer Prim~irwirkung des Hormons auf der Ebene des Zellkerns. Das System Hormon +isolierte Zellkerne ist zwar ein ft~r viele Zwecke brauchbares in-vitro-System, es ist abet vom biochemischen Standpunkt immer noch recht komplex. Wir haben deshalb die Wirkung des Hormons auf isoliertes Chromatin untersucht. Wie Weig et al. [33] gezeigt haben, ist es m6glich, einen Komplex von Chromatin mit RNAPolymerase aus Zellkernen zu isolieren. Zusatz yon Cortisol zu einem solchen Priiparat aus RattenleberZellkernen ftihrt zu einer Stimulierung der RNA-Biosynthese [34]. In Experimenten mit Chromatin und exogener DNAabhiingiger RNA-Polymerase (aus Bakterien oder S~iugetiergewebe gewonnen) kann man die Bedingungen entweder so wiihlen, dab - - bei l~'berschuB yon E n z y m - - alle verffigbaren (nicht blockierten) Abschnitte des Chromatins transkribiert werden, oder dab - - bei lJberschul3 von Chromatin - - die Aktivit~it der Polymerase geschwindigkeitsbestimmend wird. I m ersten Fall beobachtet man eine Stimulierung der RNA-Synthese; im zweiten Fall hat Cortisol keinen Effekt. Auch wenn gereinigte DNA und gereinigte DNA-abh/ingige RNA-Polymerase eingesetzt werden, ist keine Steigerung der RNA-Syntheserate durch Cortisol zu beobachten. Aus diesen Versuchen l~il3t sich ableiten, dab das Hormon oder besser der HormonRezeptor-Komplex die Transkription nicht durch Aktivierung der RNA-Polymerase, sondern dutch Wechselwirkung mit dem Chromatin stimuliert. Wie oben erw~hnt, wird in diesen Versuehen die Synthese yon allen RNA-Klassen durch Cortisol stimuliert. Ist dies darauf zurtickzufiihren, dal3 es mehrere Prim~trorte der Wirkung im Zellkern gibt, einen ftir gesteigerte rRNA-, einen ftir gesteigerte m R N A Synthese, oder darauf, dab eine Reaktionsfolge mit einem prim~ren Angriffsort des Hormons existiert ? Experimente mit a-Amanitin [351 machen die zweite Alternative wahrscheinlicher. ]3ekanntlich k o m m e n in e u k a r y o t e n Zellen zwei R N A P o l y m e r a s e n vor, die P o l y m e r a s e A u n d 13 g e n a n n t werden. D a s A - E n z y m ist v e r a n t w o r t l i c h ffir die S y n t h e s e y o n ribosom a l e r R N A i m N u k l e o l u s ; es wird llicht y o n ~ - A m a n i t i n geN a t u r w i s s e n s c h a f t e n 62, ~ 2 6 - - I 3 2 (t975)

h e m m t . D a g e g e n w i r k t die P o l y m e r a s e B a m C h r o m a t i n , sie ist gegell e - A m a n i t i n empfilldlich (sensitiv). W e n n ~ - A m a n i t i n i n vivo v e r a b f o l g t wird, danll wird n i c h t llur die T r a l l s k r i p t i o n d u r c h P o l y m e r a s e B blockiert, d a s heiBt die S y n t h e s e y o n m R N A oder d e r e n h o c h m o l e k u l a r e r V o r s t u f e , s o n d e r n a u c h die S y n t h e s e y o n r i b o s o m a l e r R N A , d e m P r o d u k t der A m a n i t i l l u n e m p f i n d l i c h e n P o l y m e r a s e A. N a c h diesen ulld a n d e r e n Ergebnissell k a n n m a n v e r m u t e l l , d a b die Stimulierullg der nukleolarell r R N A - S y n t h e s e d u r c h Cortisol a u f ein P r o d u k t der e x t r a n u k l e o l a r e n T r a n s k r i p t i o n zuriickzufi~hren ist.

Der Mechanismus der Transkriptionskontrolle Aus den oben beschriebenen Experimenten ergibt sich das allgemeine Bild, dab der Hormon-Rezeptor-Komplex auf das Chromatin wirkt und dessen Matrizenaktivit~it erh6ht; das fiihrt zu einer Stimulierung der Transkription, und die Biosynthese der ,,heterogenen nuklearen R N A " (hnRNA), die die Vorstufe der Matrizen-RNA ist, k o m m t in Gang. Wir wollen abschlieBend fragen, durch welehen Mechanismus das geschieht. In der ersten Jahren nach den sehr erfolgreichen Theorien yon Jacob und Monod [16] tiber die Gen-Regulation bei Bakterien war die Tendenz grol3, diese Vorstellungen einfach auf Eukaryoten zu iibertragen. Auch wir haben in frtiheren Zusammenfassungen h~iufig yon diesem Schema Gebrauch gemacht und postuliert, dab die Hormone durch ,,Derepression" wirken, genau wie die Induktoren im Falle des Lac-Operons von E. coli. V o n m a n c h e n A u t o r e n w u r d e d e n H i s t o n e n die Rolle y o n G e n - R e p r e s s o r e n i m Sinlle dieser Theorie zugeschrieben. Diese H y p o t h e s e s c h e i n t n i c h t l~nger h a l t b a r , z u m i n d e s t n i c h t fi~r eine fullktionelle R e g u l a t i o n , die vergleichbar d e n b a k t e riellen R e p r e s s o r e n schnell all- ulld a b g e s c h a l t e t w e r d e n k a n n . Der w i c h t i g s t e G r u n d hierfiir ist, d a b die H i s t o n e i m P f l a n z e n u n d Tierreich vergleichsweise eillheitlich sind. M a n h a t die G e s a m t h i s t o n e in vier t l a u p t f r a k t i o l l e n (vielleicht m i t n o c h eilligen U n t e r g r u p p e n ) zerlegen k S n n e n ; ffir die spezifische R e g u l a t i o n y o n sicher fiber 10000 G e n e n s i n d viel m e h r Proteine erforderlich. V o n eilligen rein dargestellteI1 H i s t o n e n w u r d e a u c h s c h o n die Aminos/Lurensequenz b e s t i m m t ; es w a r sehr i~berraschend zu sehen, d a b diese A m i n o s g u r e l l s e q u e n z sieh i m Verlauf der E v o l u t i o n UllgewShnlich k o n s e r v a t i v v e r h a l t e n h a t [36]. Diese T a t s a c h e weist a u f eine vitale F u n k tion der H i s t o n e h i n ; sie ist k a u m in E i n k l a n g zu b r i n g e n m i t der y o n a n d e r e n A u t o r e n v e r t r e t e n e n A n s i c h t , d a b die Histolle n u r e i n , , V e r p a c k u n g s m a t e r i a l " wi~hrend der Mitose da.rstellen. M a n k/51111te sich fragen, ob die H i s t o n e spezifisch s i n d f a r b e s t i m m t e , , S i g n a l s e q u e n z e n " der D N A , v e r g l e i c h b a r Init P r o m o t o r - R e g i o l l e n , die fiir alle O p e r o n e n (oder z u m i n d e s t eine b e s t i m m t e IKlasse y o n Operollen) idelltisch s i n d u n d regulatorische F u n k t i o n e n erfiillen. Diese Idee ist n o c h sehr r a g e , sie m a g falsch sein, a b e t es ist sicher l o h n e n d , ihr einmal nachzugehen.

Was die Regulation der strukturellen Gene angeht, so ist heute allgemein akzeptiert, dab die sog. ,,NichtHiston-Proteine" des Chromatins dabei eine bedeutende Rolle spielen [37]. Wenn deren Funktion vergleichbar ist den bakteriellen Repressoren, dann kSnnte der Hormon-Rezeptor-Komplex als Induktor wirken, d.h. den Repressor inaktivieren, oder das Hormon kann vom Rezeptor an das regulatorische ,,NichtHiston-Protein" weitergegeben werden, wobei die weiteren Folgereaktionen in ~ihnlicher Weise vorzustellen sind wie bei bakteriellen Systemen. Es ist aber auch denkbar, dab eine positive Kontrolle vorliegt, d.h. dab der Hormon-Rezeptor-Komplex sich an eine spezifische Sequenz der DNA anlagert, damit als Start-Signal fiir die RNA-Polymerase wirkt und so die Transkription eines Operons einleitet. Eine

9 b y Springer-Verlag 1975

t3I

solche positive Kontrolle ist auch bei Bakterien beobachtet worden; es ist bemerkenswert, daB hierbei ein Protein beteiligt ist, welches cAMP binder [38]. Beide Vorstellungen sind im Grunde Varianten der Theorie von Jacob und Monod. IcE h a r e es auch ftir wahrscheinlich, dab im Verlauf der Evolution von Prokaryoten zu Eukaryoten das Grundprinzip der Regulation der Gen-Aktivit~tt erhalten geblieben ist, dab n~imlich der Induktor (in unserem Falle das Hormon) mit einem Protein in Wechselwirkung tritt, welches auger dem Induktor auch spezifische Sequenzen der DNA erkennt. Daraus resultiert dann das Signal ftir die Einleitung oder Beendigung der Transkription. Die Situation wird u.a. dadurch kompliziert, dab ein grol3er Teil der eukaryotischen DNA aus repetitiven Sequenzen besteht, tiber deren Funktion nichts bekannt ist. Britten und Davidson [38] haben tiber eine regulatorische Funktion spekuliert. Das ist eine interessante M6glichkeit, abet eine prtifbare Arbeitshypothese hat sich daraus noch nicht ergeben. Es ist bekannt, dab die repetitiven Sequenzen transkribiert werden; sie bilden einen Teil der hochmolekularen heterogenen nuklearen RNA, die im Zellkern einen ,,Reifungsprozeg" durchmacht. Es ist vorstellbar, dab die redundanten Sequenzen, die bei diesem Reifungsprozel3 freigesetzt werden und nicht als Matrize ftir die Proteinsynthese dienen, ein Signal ftir die Synthese der ribosomalen RNA sind, d.h. dab sie die RNA-Synthese im Nukleolus induzieren. Ein solcher Mechanismus wtirde die Produktion von rRNA und Ribosomen zusammen mit neuem Messenger garantieren und die Effekte des ~-Amanitins (siehe oben) erkl~ren; er wtirde auch die experimentelle Tatsaehe erkl~ren, dab die durch Hormone induzierte RNA verMltnismgBig gut mit DNA hybridisiert und deshalb vermutlich repetitive Sequenzen enth~lt [37]. Wenn wir auch zugeben mtissen, dab wir trotz vieler einzelner Befunde den eigentlichen Kontrollmechanismus ftir die Gen-Aktivit{it bei Eukaryoten noch nicht kennen, so bleibt doch als gesichert festzuhalten, dab manehe Steroidhormone eine Gen-Expression induzieren kSnnen. Damit haben wir ein wichtiges Hilfsmittel in der Hand, um die Gen-Expression jederzeit auszulSsen und den Mechanismus genauer zu untersuchen. Es ist zu hoffen, dab die n~tchsten Jahre auf diesem Gebiet entscheidende Fortsehritte bringen werden. 1. HOber, R.: Biochem. Z. 60, 225 (1914) 2. Levine, R., Goldstein, M. S.: Rec. Progr. Hormone Res. 11, 343 (1955) 3. Sutherland, E. ~r.: Angew. Chem. 84, t l t 7 (1972) 4. Robinson, G.A., Butcher, R . W . , Sutherland, E . W . : Cyclic AMP. Academic Press 1971; Sutherland, E . W . : Science 117, 401 (t972); Sutherland, E . W . , in: 18. Coil. Ges. Physiol. Chemie, p. 1-32. Berlin-Heidelberg-New York : Springer 1967 ; vgl. auch vollst~ndige Bibliographie fiber cyclo-AMP, Squibb, E. R. & Sons, Inc. t973 ,,Cyclic AMP 1972" 5- Cuatre casas, P.: J. Biol. Chem. 247, 1980 (1972); Proc. Nat. Acad. Sci. USA 69, 318 (1972) 6. Green, D. E.: Adv. Enzymol. 1, t 7 7 (1941) 7. Dirscherl, W., in: 5. Coll. Ges. Physiol. Chemie, p. t62. Berlin-G~Sttingen-Heidelberg : Springer 1955

I32

8. Villee, C.A., Hagermann, D. D., Peteranne, B. J.: Rec. Progr. Hormone Res. 16, 49 (1960) 9. Talalay, P., Wflliams-Ashman, H. G.: ibid. 16, I (1960) t0. Jensen, E. V., Jacobson, H. I.: ibid. 18, 387 (t962) 11. Tomkins, G.M., Yielding, K. L., Curvan, J.: proc. Nat. Acad. Sci. (Wash.) 47, 270 (t96t); Talal, N., et al.: J, Mol. Biol. 8, 46 (i964) 12. Martius, C., in: 5. Coll. Ges. Physiol. Chemie, p. t43. Berlin-G6ttingen-Heidelberg : Springer 1955 13. Pelling, C.: Nature 184, 655 (t959) 14. Clever, U., Karlson, P.: Exptl. Cell Res. 20, 623 (t960) 15. Schneiderman, H. A., Gilbert, L. J.: 17th Growth Syrup. (Ed. D. Rudnick). New York: Ronald Press 1959; Wigglesworth, V . B . , in: The Control of Growth and Form. Ithaca: Cornell Univ. Press 1959 16. Jacob, F., Monod, J.: J. Mol. Biol. 3, 318 (t96t) 17. Karlson, P.: Dtsch. med. Wschr. 86, 668 (1961); vgI. auch Xarlson, P.: Perspect. Biol. Med. 6, 203 (1963) 18. Karlson, P., Sekeris, C . E . : Nature 195, 183 (1962); Sekeris, C. E., Karlson, P. : Biochim. Biophys. Acta 62, 103 (t962); Sekeris, C. E., Karlson, P.: Pharmacol. Rev. 18, 89 (1966) 19. Karlson, P., Sekeris, C. E.: Dtsch. med. Wschr. 98, 831 (1973); Karlson, P., Sekeris, C. E.: Ree. Progr. Hormone Res. 22, 473 (t966); Karlson, P.: Humangenetik 6, 99 (1968); I(arlson, P., Sekeris, C. E.: Acta Endocrinol. 53, 505 (1966) 20. Roth, L. J., Stumpf, W. E.: J. Histochem. Cytochem. 14, 274 (1966) 21. Emmerich, H.: Exp. Cell Res. 58, 261 (t969) 22. 3/iueller, G.C., Herranen, M., Jerrell, K. E.: Rec. Progr. Hormone Res. 14, 95 (t958) 23. Sekeris, C.E., Lang, N., Karlson, P.: Hoppe-Seyler's Z. Physiol. Chem. 341, 36 (t965); Sekeris, C. E., Lang, N.: ibid. 342, 16t (1965) 24. Tara, J. R.: Rec. Pro& Nucl. Acid. Res. tool. Biol. 5, t91 (1966) 25. O'Malley, B. W.: Trans. N. Y. Acad. Sci. 31, 478 (t969); O'Malley, B. W., et af.: Nature New Biol. 240, 45 (1972); Means, A. R., et al.: Proc. Nat. Acad. Sci. (Wash.) 61, 160 (t972) 26. Beato, M., Baier, R., Karlson, P. : in Vorbereitung 27. Civen, M . U . , Knox, W. E,: J. Biol. Chem. 234, 1787 (t959); Hiibener, H. J. : Hoppe-Seyler's Z. Physiol. Chem. 322, 135 (t960) ; Feigelson, P., Feigelson, M., Greengard, O. : Rec. Progr. Hormone Res. 18, 491 (1962); Shrago, E., e* al.: J. Biol. Chem, 238, 3188 (t963); vgl. auch Seubert, W.: t8. Coll. Ges. Physiol. Chem., p. 158. Berlin-Heidelberg-New York: Springer t967 28. Karlson, P., Sekeris, C . E . : Biochim. Biophys. Acta 63, 489 (t962) ; Sekeris, C. E., Lang, N. : Life Sci. 3,625 (1964) 29. Jungblut, P. W., et aZ., in: 18. Coll. Ges. Physiol. Chem., p. 58. Berlin-Heidelberg-New York: Springer 1967; A1berga, A., Baulieu, E. E.: J. Mol. Pharm. 4, 311 (1968); Rochefort, EI., Baulieu, E. E. : Endocrinology 84, t08 (1969) 30. Schering Workshop on Steroid Hormone "Receptors" (Advances in the Biosciences, Vol. 7, Ed. G. Rasp@ Oxford-Braunschweig: Pergamon Press-Vieweg t971 3t. Thamer, G., Karlson, P.: Z. Naturforsch. 27b, 1t9 (1972) 32. Dukes, P . P . , Sekeris, C . E . : Hoppe-Seyler's Z. Physiol. Chem. 341, 149; Sekeris, C. E., Dukes, P. P., Schmid, W.: ibid. 341, 152; Beato, M., et el.: ibid 349, 1099 (1968) 33. Weiss, S. B.: Proc. Nat. Acad. Sci. USA 46, 1020 (1960) 34. Beato, M., etod. : Hoppe-Seyler's Z. Chem. 349, 1099 (1968) ; vgl. auch Sekeris, C . E . : 18. Coll. Ges. Physiol. Chem., p. 126. Berlin-Heidelberg-New York: Springer t967 35. Sekeris, C. E., Schmid, "vV.: Biochim. Biophys. Acta 312 549 (t973) 36. Dayhoff, M. O.: Nat. Biomed. Res. Found. 5 (1972) 37. Paul, J., et al.: 24. Coll. Ges. biol. Chem., p. 31 (Eds. E. K . F . Bautz, P. Karlson and H. Kersten). BerlinHeidelberg-New York: Springer 1974 38. Britten, R. J., Davidson, E. H.: Science 165, 349 (t969) Eingegangen a m 4 . Juli 1974

Naturwissenschaften 62, t 2 6 - - 1 3 2 (t975)

9 by Springer-Verlag 1975