CTSH

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Zusammenfassung

Cathepsin H (EC 3.4.22.16) ist – wie andere lysosomale Cysteinproteasen – an der intrazellulären Proteindegradation beteiligt. Zunehmende Evidenz weist darauf hin, dass die Spiegel von Cathepsin H bzw. Cathepsin-H-ähnlichen Enzymen bei Krankheitszuständen wie Mammakarzinom und Melanom erhöht sind. Bei Mukolipidose II ist die Aktivität von Cathepsin H – zusammen mit der Aktivität anderer Cathepsine – vermindert. Cysteinproteasen sind nicht ausschließlich lysosomale Enzyme, sondern auch an zahlreichen Prozessen außerhalb des Lysosoms beteiligt. So baut ein Cathepsin-H-ähnliches Enzym, das in Zellen humaner Melanom-Zelllinien nachgewiesen wurde, Fibrinogen und Fibronectin ab und könnte damit – gemeinsam mit anderen Proteasen – zur Zerstörung von Komponenten der extrazellulären Matrix beitragen, was zu Tumorproliferation, Migration und Metastasierung führt.

Reifes Cathepsin H besteht aus einer N-terminalen schweren Kette, einer C-terminalen leichten Kette sowie einem als Mini-Chain bezeichneten Oktapeptid. Die Spaltung des Enzyms zwischen schwerer und leichter Kette ist partiell; das Verhältnis von gespaltenen zu ungespaltenen Formen variiert zwischen Spezies und Organen, wobei im Allgemeinen die zweikettige Form in größeren Mengen vorliegt als die dreikettige Form. Sequenzhomologien zeigen, dass Cathepsin H zur Papain-ähnlichen Cysteinprotease-Superfamilie gehört, zu der auch die lysosomalen Säuger-Cathepsine B, L, S, K und N sowie die pflanzlichen Enzyme Papain, Actinidin, Aleurain und Oryzain gehören.

Cathepsin H wird durch Stefine, Cystatine und Kininogene inhibiert. Cathepsin H interagiert stärker als Cathepsin B, jedoch weniger potent als die Endopeptidasen Papain und Cathepsin L. Eine Ausnahme bildet Stefin B, das ein potenterer Inhibitor von Cathepsin H ist als von Endopeptidasen. Im Gegensatz zu Cathepsin B, L, S und K wird Cathepsin H nur langsam durch irreversible, epoxysuccinylbasierte Inhibitoren, die von E-64 abgeleitet sind, gehemmt. Cathepsine H, B und C sind die einzigen bekannten Papain-ähnlichen lysosomalen Cystein-Exopeptidasen. Cathepsin H ist eine Aminopeptidase, die ein einzelnes N-terminales Residuum von einer Polypeptidkette abspaltet; Cathepsin C ist eine Aminodipeptidase, und Cathepsin B ist eine Carboxydipeptidase.

Gesamtstruktur

Die Struktur bestätigte das Muster der Disulfidbrücken im bovinen Cathepsin H, einschließlich derjenigen zwischen Cys205 und der Mini-Chain-Cys80P. Die drei Disulfidbrücken Cys22–Cys63, Cys56–Cys95 und Cys154–Cys200 sind topologisch äquivalent zu denen in Actinidin. Cathepsin H ist ein ellipsoides Molekül mit den Abmessungen 32 × 26,5 × 24 Å. Seine Faltung ist typisch für Mitglieder der Papain-Superfamilie. Die Struktur umfasst den Enzymkörper, bestehend aus einer rechten (R-) und einer linken (L-) Domäne, sowie ein an die R-Domäne gebundenes Oktapeptid. Die vorherrschende Sekundärstruktur in der L-Domäne ist die Alpha-Helix, während die R-Domäne ein Beta-Fass bildet. Die Kontaktfläche dieser beiden Domänen wird durch Wasserstoffbrückenbindungen und hydrophobe Kontakte stabilisiert. Die Überlagerung der Cα-Atome von Cathepsin H mit den Cα-Atomen von Papain, Actinidin und Cathepsin B zeigte, dass 180 Aminosäurereste von Cathepsin H und Actinidin topologisch äquivalent sind, 173 mit Papain und 156 mit humanem Cathepsin B. Cathepsin H ist strukturell Actinidin am ähnlichsten; Unterschiede bestehen hauptsächlich in Insertionen und Deletionen in den Schleifenregionen. Reifes porcines Cathepsin H weist N-Glykosylierungsstellen an Asn112 am Enzymkörper und Asn79P an der Mini-Chain auf. Die Asn79P-Seitenkette ist glykosyliert, jedoch ist die beobachtete Elektronendichtekarte nicht ausreichend eindeutig, um die Zuckerringe zu identifizieren.

Abbildung 1. Die Gesamtstruktur von Cathepsin H (Guncar, G.; et al. 1998)

Die aktive Spaltstelle (Active-Site-Cleft) der Papain-ähnlichen Cysteinprotease verläuft über die Oberseite des Moleküls. Die Spalte ist an den Enden breit und in der Mitte schmal; dort befinden sich die katalytischen Reste Cys25, His159 und Gln19. In der Cathepsin-H-Struktur ist der vordere Bereich der Spalte links durch Kohlenhydratreste und in der Mitte durch die Mini-Chain ausgefüllt, während der hintere Bereich unbesetzt ist und somit für die Substratbindung zur Verfügung steht.

Abbildung 2. Stereodarstellung der Bindung der Mini-Chain in der aktiven Spaltstelle (Guncar, G.; et al. 1998)