CTSC

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Einleitung

Cathepsin C (CTSC, auch als CatC bezeichnet) ist eine lysosomale Cystein-Dipeptidyl-Aminopeptidase mit einer hochkonservierten tetrameren Struktur. Die wichtigste physiologische Funktion von CTSC besteht in der Aktivierung proinflammatorischer, granulaassoziierter Serinproteasen. Diese Proteasen werden als inaktive Zymogene synthetisiert, die ein N‑terminales Pro-Dipeptid enthalten; dessen Funktion ist es, das Zymogen in einer inaktiven Konformation zu stabilisieren und eine vorzeitige Aktivierung zu verhindern, da eine vorzeitige Aktivierung potenziell zelltoxisch ist. Die Aktivierung des Serinprotease-Zymogens erfolgt während der Zellreifung durch Abspaltung des N‑terminalen Dipeptids durch CTSC. Ein pathologischer CTSC-Mangel ist mit dem Papillon‑Lefèvre‑Syndrom assoziiert. Trotz des Fehlens aktiver Serinproteasen in Zellen der Immunabwehr zeigten die Patient:innen jedoch keine ausgeprägte Immundefizienz. Daher könnte eine vorübergehende pharmakologische Blockade der CTSC-Aktivität in Knochenmark-Vorläuferzellen eine potenzielle therapeutische Strategie darstellen, um die Serinprotease-Aktivität unter entzündlichen und immunologischen Bedingungen zu modulieren. Dies hat zahlreiche pharmazeutische Unternehmen und akademische Forschende dazu veranlasst, verschiedene CTSC-Inhibitoren zu konzipieren und zu entwickeln, von denen einige derzeit in präklinischen/klinischen Studien eingesetzt und evaluiert werden.

CTSC-Biosynthese, Prozessierung und Reifung

Bei Säugetieren wird CTSC hauptsächlich in Lunge, Milz, Niere sowie in myeloischen Zelllinien exprimiert, insbesondere in Neutrophilen, Monozyten, Mastzellen, Makrophagen und deren Vorläufern. CTSC wird zunächst als 55‑kDa, einkettiges monomeres Zymogen synthetisiert, das die „Exclusion“-Domäne (Asp1–Gly119), ein Propeptid (Thr120–His206), eine schwere Kette (Leu207–Arg370) und eine leichte Kette (Asp371–Leu439) enthält, wobei schwere und leichte Kette eine papainähnliche Struktur bilden.

Nach der Biosynthese fungiert das 87 Aminosäuren umfassende Propeptid als intramolekulares Chaperon und ist für die Faltung von Pro‑CTSC zu Dimeren verantwortlich. Im Vergleich zu anderen Cystein-Cathepsinen bildet Pro‑CTSC seine reife Struktur nicht durch autokatalytische Prozessierung aus. Studien berichteten, dass in baculovirus-transfizierten Insektenzellen exprimiertes humanes Pro‑CTSC in vitro durch CatL und CatS aktiviert werden kann, indem das Propeptid entfernt wird, wodurch die Proteinaktivierung initiiert wird. Diese Proteasen prozessieren Pro‑CTSC in vitro in zwei Schritten. Der erste Schritt führt zur Freisetzung der Exclusion-Domäne sowie zweier Peptide von 36 kDa und 33 kDa. Der zweite Schritt besteht in der Freisetzung der schweren Kette aus jedem Peptid. Eine hochauflösende Röntgenbeugungsanalyse von humanem CTSC zeigt, dass die leichte Kette, die schwere Kette und die Exclusion-Domäne über nichtkovalente Wechselwirkungen miteinander verbunden sind. Aktuelle Studien zeigen jedoch, dass die Aktivierung von Pro‑CTSC in Mäusen keine Beteiligung von CatL und CatS erfordert.

Abbildung 1. 3D-Struktur des prozessierten CTSC-Monomers (Korkmaz, B.; et al. 2018)

Biologische Funktionen von CTSC

• Reifung neutrophiler Serinproteasen (NSPs)

In frühen Stadien der Neutrophilenreifung werden NSPs als inaktive Zymogene synthetisiert. Diese Struktur kann eine vorzeitige Proteolyse im endoplasmatischen Retikulum verhindern, die zytotoxisch wirken könnte. Die CTSC-vermittelte Aktivierung der NSPs erfolgt während des intrazellulären Transports sowie der Verpackung in sauren primären Granula und umfasst die Entfernung des N‑terminalen Dipeptids, wodurch das aktive Zentrum für das Substrat zugänglich wird. Studien berichteten, dass sämtliche NSP-Aktivitäten in Neutrophilenlysaten von CTSC-defizienten Mäusen stark reduziert sind, was zeigt, dass CTSC eine zentrale Schlüsselrolle bei der NSP-Aktivierung spielt.

• Reifung von Mastzell-Serinproteasen

Die wichtigsten Proteine, die aus den sekretorischen Granula von Mastzellen freigesetzt werden, sind Serinproteasen, die u. a. nach Bindung an allergenspezifisches IgE und kationische Peptide extrazellulär ausgeschüttet werden. Einige dieser Proteasen wurden durch zielgerichtete Therapien inhibiert. Das reichliche Vorkommen von Proteasen ist ein charakteristisches Merkmal von Mastzellen und kann zu chronischen, IgE-getriebenen allergischen Erkrankungen beitragen, darunter Asthma, Rhinitis, Urtikaria, Mastozytose und Mastzellaktivierungsstörungen. Mastzellen fördern zudem die Wirtsabwehr bei Säugetieren auf weniger gut verstandene Weise. Mehrere Mastzellproteasen werden durch CTSC vollständig oder teilweise aus inaktiven Zymogenen aktiviert. Eine CTSC-Blockade könnte daher die Funktion von Mastzellen verändern.

Abbildung 2. Aktivierung von Pro-Chymase durch CTSC (Korkmaz, B.; et al. 2018)