CTSD

Cathepsin D ist ubiquitär in Lysosomen verteilt, auch als CTSD und CPSD bekannt, und ist eine lysosomale Aspartat-Endoprotease, die für den Abbau langlebiger Proteine beim Menschen von wesentlicher Bedeutung ist. Präprocathepsin D wird im rauen endoplasmatischen Retikulum synthetisiert. CTSD gehört zur Peptidase-Familie A1 und weist eine ähnliche, jedoch engere Substratspezifität als Pepsin A auf. CTSD erfüllt Hauptfunktionen beim Proteinabbau und bei der Aktivierung von Vorstufen bioaktiver Proteine in prälysosomalen Kompartimenten. CTSD ist zudem an biologischen Prozessen wie Antigenprozessierung, Zellproliferation, Gewebeerneuerung und Prohormonaktivierung beteiligt.

Verteilung und Lokalisation

Es wurde berichtet, dass CTSD in nahezu allen Geweben und Organen synthetisiert wird und in Lysosomen sowie in den meisten prälysosomalen Kompartimenten lokalisiert ist. Das CTSD-Zymogen ist in Human-, Rinder- und Rattenmilch nachweisbar. Die zelluläre Freisetzung von CTSD wurde als an exozytotischen Ereignissen beteiligt beschrieben. Das Austreten von CTSD aus der Zelle kann durch eine vom Mannose-6-Phosphat-Rezeptor abhängige Endozytose sowie durch rezeptorunabhängige Prozesse kompensiert werden. Eine nukleäre Lokalisation von CTSD wurde ebenfalls nachgewiesen. Eine Lokalisation im Zytosol steht im Zusammenhang mit den postulierten Funktionen von CTSD in der Apoptose.

Molekulare Struktur

CTSD wird durch das CTSD-Gen kodiert, das eine Aspartylprotease kodiert, die aus einem Proteindimer aus disulfidverknüpfter schwerer und leichter Kette besteht, wobei beide aus einem einzelnen Proteinvorläufer generiert werden. Die Transkription des CTSD-Gens startet an mehreren Stellen, von denen eine als Startstelle für ein östrogenreguliertes Transkript dient. Mutationen in diesem Gen sind mit der Pathogenese mehrerer Erkrankungen assoziiert, darunter Mammakarzinom und möglicherweise Morbus Alzheimer. Die homozygote Deletion des CTSD-Gens führt zu früher Letalität in der postnatalen Phase. Darüber hinaus ist ein CTSD-Genmangel auch eine zugrunde liegende Ursache der neuronalen Ceroid-Lipofuszinose (NCL). Die Peptidkette von CTSD kann in eine CTSD-Leichtkette und eine CTSD-Schwerkette gespalten werden, die durch hydrophobe Wechselwirkungen verbunden sind. Die katalytischen Zentren von CTSD bestehen aus zwei kritischen Aspartat-Resten an den Aminosäurepositionen 33 und 231, die sich jeweils in den 14-kDa- bzw. 34-kDa-Ketten befinden. Die endgültige Struktur des reifen CTSD umfasst 337 Aminosäurereste, davon 196 in der schweren Kette und 141 in der leichten Kette.

Mechanismus

Es wurde festgestellt, dass die hydrophoben Reste von CTSD nicht nur ein bevorzugender Faktor für seine Spaltfunktion sind, sondern aufgrund der Hydrophobizität auch zu seiner Erkennung beitragen. „Hydrophobic scores of neighbors“ (HSN) ist ein vorgeschlagenes Konzept zur Beschreibung des hydrophoben Mikromilieus der CTSD-Erkennungsstellen, und Untersuchungen zur CTSD-Spaltung in mehreren Proteinen legen nahe, dass HSN ein sensitiver Indikator zur Beurteilung günstiger Peptidstellen für die CTSD-Spaltung ist. Dabei stellen HSN-Werte im Bereich von 0,5–1,0 wahrscheinlich einen Schwellenwert dar, und ein höherer HSN-Wert bedeutet eine höhere Spaltbarkeit. Weitere durchgeführte zweidimensionale Gelelektrophoresen zeigten, dass intakte Proteine mit einer Struktur, die ausschließlich aus α-Helices besteht, relativ empfindlich gegenüber einer CTSD-Spaltung wären.

Funktionen

CTSD nimmt sowohl in biologischen als auch in pathologischen Prozessen eine bedeutende Rolle ein. CTSD kann bei einem pH-Wert von 5 in Endosomen von Hepatozyten aktiviert werden, wo es Insulin abbaut. Neben dem niedrigen pH-Wert ist die Aktivierung von CTSD auch entscheidend von der Protonierung des Asp-Rests im aktiven Zentrum abhängig. Beide Faktoren bewirken bei sinkendem pH-Wert einen Konformationswechsel in CTSD, bei dem das N-terminale Segment der Protease aus dem aktiven Zentrum entfernt wird. Ähnlich wie andere Aspartat-Proteinasen kann CTSD bis zu 8 Aminosäurereste in der Bindungsspalte der aktiven Zentren binden. Zu den physiologischen Funktionen von CTSD zählen vor allem die metabolische Spaltung intrazellulärer Proteine, die Aktivierung und der Abbau von Polypeptidhormonen und Wachstumsfaktoren, die Aktivierung enzymatischer Vorstufen, der Umgang mit Enzymaktivatoren und -inhibitoren, die Prozessierung von Hirnantigenen sowie die Regulation des programmierten Zelltods.

Klinische Bedeutung

Ein Mangel des CTSD-Gens ist verantwortlich für NCLs, die mit einem progressiven Verlust der Sehfunktion und einer neuroentwicklungsbedingten Verschlechterung, Krampfanfällen, myoklonischen Zuckungen und vorzeitigem Tod einhergehen. Ein Knock-out des CTSD-Gens würde eine intestinale Nekrose und Blutungen induzieren und die Apoptose im Thymus fördern, was darauf hindeutet, dass CTSD in bestimmten Epithelzellen für Gewebeumbau und -erneuerung essenziell ist. Allerdings ist auch ein Anstieg der CTSD-Serumspiegel an bestimmten pathologischen Zuständen beteiligt. Eine Überexpression von CTSD fördert Tumorigenität und Metastasierung, kann jedoch auch die Apoptose von Tumorzellen initiieren. Der CTSD-Genotyp hat zudem einen starken Einfluss auf das Alzheimer-Risiko bei Männern. Die enzymatische Aktivität von CTSD führt zu hydrolytischen Modifikationen von Apolipoprotein-B-100-haltigen Lipoproteinen, was darauf hindeutet, dass CTSD auch mit Atherosklerose in Zusammenhang stehen könnte. CTSD als Marker für die nichtalkoholische Steatohepatitis (NASH) beeinflusst ebenfalls den Lipidstoffwechsel. Eine Hemmung der CTSD-Aktivität könnte den Lipidstoffwechsel deutlich verbessern und somit zu neuartigen Behandlungsansätzen zur Therapie der NASH führen. CTSD wurde zudem als unabhängiger Prädiktor für eine ungünstige Prognose beim Mammakarzinom betrachtet, der mit dem Auftreten klinischer Metastasen assoziiert ist. Die Konzentration und Aktivität von CTSD dienen auch als Indikator für die Neigung zur Pathogenese des Morbus Parkinson. Eine Steigerung der CTSD-Funktion entweder durch Gen- und Protein-Delivery oder durch chemische allosterische Verbesserung könnte eine wirksame Therapieoption darstellen.

Referenz