CTSD

Cathepsin D ist ubiquitär in Lysosomen verteilt, auch bekannt als CTSD und CPSD, und ist eine lysosomale aspartische Endoprotease, die wichtig für die Beseitigung von langlebigen Proteinen beim Menschen ist. Preprocathepsin D wird im rauen endoplasmatischen Retikulum synthetisiert. CTSD gehört zur Peptidase A1-Familie und besitzt eine ähnliche, aber engere Spezifität als Pepsin A. CTSD zeigt Hauptfunktionen beim Abbau von Proteinen und der Aktivierung von Vorläufern bioaktiver Proteine in prä-lysosomalen Kompartimenten. CTSD ist auch an biologischen Prozessen wie Antigenverarbeitung, Zellproliferation, Gewebeerneuerung und Prohormonaktivierung beteiligt.

Verteilung und Lokalisierung

Es wurde berichtet, dass CTSD in nahezu allen Geweben und Organen synthetisiert wird und in Lysosomen sowie den meisten prä-lysosomalen Kompartimenten lokalisiert ist. Das Zymogen von CTSD wird in menschlicher, boviner und Rattenmilch nachgewiesen. Die zelluläre Freisetzung von CTSD wurde als an exozytischen Ereignissen beteiligt beschrieben. Das Austreten von CTSD aus der Zelle kann durch Endozytose, die vom Mannose-6-Phosphat-Rezeptor abhängt, und durch Prozesse, die nicht mit dem Rezeptor zusammenhängen, kompensiert werden. Die nukleare Lokalisierung von CTSD wurde ebenfalls nachgewiesen. Die Cytosol-Lokalisierung von CTSD steht im Zusammenhang mit den vorgeschlagenen Funktionen von CTSD in der Apoptose.

Molekulare Struktur

CTSD wird vom CTSD-Gen kodiert, das eine aspartyl Protease kodiert, die aus einem Proteindimer aus disulfidverknüpften schweren und leichten Ketten besteht, die beide aus einem einzigen Proteinvorläufer erzeugt werden. Die Transkription des CTSD-Gens beginnt an mehreren Stellen, von denen eine ein Startpunkt für ein östrogenreguliertes Transkript ist. Mutationen in diesem Gen sind mit der Pathogenese mehrerer Krankheiten, wie Brustkrebs und möglicher Alzheimer-Krankheit, verbunden. Die homozygote Deletion des CTSD-Gens führt in der postnatalen Phase zu einer frühen Letalität. Darüber hinaus ist der Mangel des CTSD-Gens auch eine zugrunde liegende Ursache für die neuronale Ceroid-Lipofuszinose (NCL). Die Peptidkette von CTSD kann in die CTSD-Leichkette und die CTSD-Schwerketten gespalten werden, die durch den hydrophoben Effekt verbunden sind. Die katalytischen Stellen von CTSD bestehen aus zwei kritischen aspartischen Resten der Aminosäuren 33 und 231, die sich in den 14 kDa und 34 kDa Ketten befinden. Die endgültige Struktur des reifen CTSD besteht aus 337 Aminosäureresten, 196 Aminosäureresten 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 auch zu seiner Erkennung aufgrund der Hydrophobizität beitragen. Hydrophobic scores of neighbors (HSN) ist ein vorgeschlagenes Konzept zur Beschreibung des hydrophoben Mikroumfelds der Erkennungsstellen von CTSD, und die CTSD-Spaltuntersuchung in mehreren Proteinen hat empfohlen, dass HSN ein empfindlicher Indikator zur Beurteilung der günstigen Stellen von Peptiden in der CTSD-Spaltung ist, wobei HSN-Werte im Bereich von 0,5–1,0 einen wahrscheinlichen Schwellenwert darstellen und ein höherer HSN-Wert eine größere Spaltbarkeit bedeutet. Weitere durchgeführte zweidimensionale Gelelektrophorese hat gezeigt, dass intakte Proteine mit einer Struktur, die aus allen α-Helices besteht, relativ empfindlich gegenüber CTSD-Spaltung wären.

Funktionen

CTSD nimmt eine bedeutende Position sowohl in biologischen als auch in pathologischen Prozessen ein. CTSD könnte bei einem pH von 5 in Hepatozyten-Endosomen aktiviert werden, wo es Insulin zerstört. Neben dem niedrigen pH ist die Aktivierung von CTSD auch kritisch von der Protonierung seines aktiven Asp-Restes abhängig. Beide vorherigen Faktoren verursachen einen konformationellen Wechsel in CTSD, bei dem das N-terminale Segment der Protease von der aktiven Stelle entfernt wird, wenn der pH-Wert sinkt. Ähnlich wie andere aspartische Proteinasen könnte CTSD bis zu 8 Aminosäurereste im Bindungsspalt der aktiven Stellen halten. Die physiologischen Funktionen von CTSD umfassen hauptsächlich den metabolischen Abbau intrazellulärer Proteine, die Aktivierung und Zerstörung von Polypeptidhormonen und Wachstumsfaktoren, die Aktivierung enzymatischer Vorläufer, den Umgang mit Enzymaktivatoren und -inhibitoren, die Verarbeitung von Gehirnantigen und die Regulierung des automatisierten Zelltods.

Klinische Bedeutung

Der Mangel des CTSD-Gens ist verantwortlich für NCLs, die mit einem fortschreitenden Verlust der Sehfunktion und neurodevelopmentalen Rückgang, Anfällen, myoklonischen Zuckungen und vorzeitigem Tod einhergehen. Das Knock-out des CTSD-Gens würde zu intestinaler Nekrose und Blutungen führen und die Apoptose im Thymus fördern, was darauf hindeutet, dass CTSD in bestimmten Epithelzellen für die Gewebeumgestaltung und -erneuerung unerlässlich ist. Allerdings ist der Anstieg der Serum-CTSD-Spiegel auch an bestimmten pathologischen Bedingungen beteiligt. Die Überexpression von CTSD weckt Tumorigenität und Metastasen, aber sie initiiert auch die Apoptose von Tumorzellen. Der CTSD-Genotyp hat auch einen starken Einfluss auf das Risiko der Alzheimer-Krankheit bei Männern. Die enzymatische Aktivität von CTSD führt zu hydrolytischen Modifikationen von Apolipoprotein B-100-haltigen Lipoproteinen, was bedeutet, dass CTSD möglicherweise auch mit Atherosklerose verbunden ist. CTSD als Marker für nicht-alkoholische Steatohepatitis (NASH) beeinflusst ebenfalls den Lipidstoffwechsel. Die Hemmung der CTSD-Aktivität könnte den Lipidstoffwechsel dramatisch verbessern, was daher zu neuartigen Behandlungen zur Bekämpfung von NASH führen könnte. CTSD wurde auch als unabhängiger Prädiktor für eine schlechte Prognose bei Brustkrebs behandelt, die mit der Inzidenz klinischer Metastasen verbunden ist. Der Spiegel und die Aktivitäten von CTSD dienen auch als Indikator, um die Neigung zur Pathogenese der Parkinson-Krankheit anzuzeigen. Die Verbesserung der CTSD-Funktion entweder durch Gen- und Proteinzufuhr oder durch chemische allosterische Verbesserung könnte eine wirksame Therapie bieten.

Referenz