Granzyme B

Granzyme B (GzmB, EC 3.4.21.79) ist als eines der häufigsten Mitglieder der Granzyme-Familie bei Menschen und Mäusen eine kaspaseähnliche Serinprotease, die vom GZMB-Gen kodiert wird, das von zytotoxischen T-Lymphozyten (CTL) und natürlichen Killerzellen (NK) zusammen mit dem porenbildenden Protein Perforin exprimiert wird, um Apoptose in Zielzellen zu vermitteln. GzmB wurde auch kürzlich in einer Vielzahl von nicht-zytotoxischen Zellen gefunden, die von Basophilen und Mastzellen bis hin zu glatten Muskelzellen reichen. GzmB ist entscheidend für die schnelle Induktion der Apoptose von Zielzellen durch CTL in der zellvermittelten Immunantwort und kann Substrate nach Aspartinsäureresten schneiden. Es wurde nachgewiesen, dass GzmB die Fragmentierung von doppelsträngiger DNA und kaspaseabhängige oder -unabhängige Zellsterblichkeit verursacht.

GzmB zeigt auch synergistische Wirkung bei der viralen Clearance, während es nicht ausreicht, um eine Vielzahl von Viren gegen Infektionen abzutöten. Darüber hinaus ist GzmB an der Umgestaltung der extrazellulären Matrix und an Entzündungen beteiligt, indem es die Zytokinfreisetzung stimuliert. Der Anstieg der GzmB-Spiegel ist mit einigen Autoimmunerkrankungen, mehreren Hauterkrankungen und Typ-1-Diabetes verbunden.

Molekulare Struktur

Bei Menschen wird GzmB, das vom GZMB-Gen auf Chromosom 14q.11.2 kodiert wird, mit 3,2 kb und besteht aus 5 Exons, die als evolutionär von einem granzyme H-verwandten Vorläufer abgeleitet angesehen werden und in niedrigeren Konzentrationen im Vergleich zu anderen Granzymen effektiver sind. In der GzmB-Struktur finden sich zwei 6-strängige β-Faltblätter und 3 Trans-Domänen-Segmente. In den Granula zytotoxischer Lymphozyten kann das Enzym in zwei glykosylierten Formen existieren. GzmB, das eine katalytische Triade aus Histidin-Aspartinsäure-Serin in seiner aktiven Stelle enthält, würde bevorzugt nach der Position eines Aspartinsäurerestes in der P1-Position spalten. Das zu spaltende Aspartinsäurerest verbindet sich mit einem Argininrest in der Bindungstasche des Enzyms. GzmB ist allgemein bei neutralem pH aktiv und verhält sich daher in den sauren CTL-Granula inaktiv. Das Enzym wird auch deaktiviert, wenn es mit Serglycin in den Granula gebunden ist, um die Apoptose von zytotoxischen T-Zellen zu vermeiden. Zunächst liegt GzmB in Form eines inaktiven Vorläufer-Zymogens mit einer zusätzlichen aminoterminalen Peptidsequenz vor, die von Cathepsin C durch Entfernen von zwei Aminosäuren gespalten werden kann. GzmB kann auch durch Cathepsin H aktiviert werden.

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GzmB wird zusammen mit Perforin freigesetzt, das einen Radius von 5,5 nm hat und in die Plasmamembran einer Zielzelle eindringen kann, indem es eine Pore bildet. GzmB hat einen kleineren Stokes-Radius von 2,5 nm als Perforin und kann somit durch die Pore von Perforin in das Ziel eindringen, das zerstört werden soll. Alternativ bindet GzmB, sobald es freigesetzt wird, an negativ geladene Heparansulfat-haltige Rezeptoren auf einer Zielzelle und wird endozytiert. Anschließend platzen die Vesikel, die das Enzym enthalten, und setzen GzmB in das Zytoplasma und seine Substrate frei. Hsp-70 unterstützt ebenfalls den Eintritt von GzmB. Es wird auch vorgeschlagen, dass GzmB in ein Ziel eindringt, indem es zunächst sein gebundenes Serglycin gegen negative Phospholipide in der Plasmamembran eines Ziels austauscht und dann der Eintritt in einem weniger selektiven Prozess der absorptiven Pinozytose erfolgt.

Granzyme B-vermittelte Apoptose

GzmB kann Kaspasen 8 und 10 einmal innerhalb der Zielzelle spalten und die Initiator-Exekutionskaspasen 3 und 7 aktivieren, die die Apoptose auslösen. Kaspase 7 ist am anfälligsten für GzmB, und Kaspasen 3, 8 und 10 werden nur in Zwischenfragmente gespalten und benötigen eine zusätzliche Spaltung für die vollständige Aktivierung. GzmB kann BID zerstören, was zur Oligomerisierung von BAX/BAK führt und Cytochrom c aus den Mitochondrien freisetzt, und auch ICAD spalten, was zu DNA-Fragmentierung und dem mit Apoptose assoziierten Treppenmuster führt. GzmB hat das Potenzial von über 300 Substraten und kann Mcl-1 in der äußeren Mitochondrienmembran abbauen, um seine Hemmung von Bim zu lösen, was die Oligomerisierung von BAX/BAK, die Permeabilität der Mitochondrienmembran und die Apoptose stimuliert. Das mit Hs-1 assoziierte Protein X-1 kann ebenfalls von GzmB gespalten werden, um die Mitochondrienpolarisation zu erleichtern. GzmB kann auch den Zelltod durch die Erzeugung eines zytotoxischen Niveaus von mitochondrialen reaktiven Sauerstoffspezies vermitteln. Die kaspaseunabhängigen Wege des Zelltods werden als fähig angesehen, Viren zu besiegen, die Kaspasen hemmen und die Apoptose verhindern.

Ziele

Viele Substrate von GzmB befinden sich im Zellkern. Poly-ADP-Ribose-Polymerase und DNA-Protein-Kinase könnten von GzmB gespalten werden, um die DNA-Reparatur und die retrovirale DNA-Integration zu blockieren. Nucleophosmin, Topoisomerase 1 und Nucleolin können ebenfalls von GzmB zerstört werden, um die virale Replikation zu verhindern. ICP4 als essentielles Protein des HSV 1-Virus, das für die Gen-Transaktivierung verwendet wird, und das nukleare mitotische Apparate-Protein können gespalten werden, um die Mitose zu verhindern. GzmB kann auch DNA-bindendes Protein in ein 50 kDa Fragment und dann in ein zusätzliches 60 kDa Molekül indirekt durch die Kaspasen, die es aktiviert, schneiden. Darüber hinaus kann Granzyme B viele Proteine in der extrazellulären Matrix wie Fibronectin, Vitronectin und Aggrecan abbauen, und diese Spaltung kann weiter Zelltod durch Anoikis verursachen und Alarmins aus der extrazellulären Matrix freisetzen, die Entzündungen induzieren. GzmB, das von Basophilen sekretierte wird, degradiert auch die Endothelzell-Zellkontakte, die die Extravasation zu Entzündungsstellen ermöglichen. Die Spaltung von Vitronectin, die an der RGD-Integrin-Bindungsstelle erfolgt, könnte die Signalwege des Zellwachstums unterbrechen, und der Abbau von Laminin und Fibronectin unterbricht die Anhaftung und den Austausch an der dermal-epidermalen Junction, während der Abbau von Decorin durch GzmB zu einer Kollagen-Desorganisation, Hautverdünnung und Alterung führt. Keratinozyten können GzmB nach der Exposition gegenüber UVA und UVB exprimieren, was mit der photoinduzierten Hautalterung assoziiert ist. Der Abbau des von Willebrand-Faktors und Plasminogens hemmt die Thrombozytenaggregation und produziert ein Angiostatinfragment, das die Angiogenese verhindert. Das Schneiden von Fibronectinen und Vitronectinen verzögert die Bildung einer provisorischen Matrix und beeinträchtigt somit die Wundheilung.

Rollen bei Krankheiten

GzmB hat eine normale Konzentration von etwa 20 bis 40 pg/mL im Blutplasma und behält fast 70% Aktivität. Der Anstieg der GzmB-Konzentrationen ist mit einer Reihe von Krankheitszuständen verbunden. GzmB erzeugt Autoantigene, indem es in ungeordneten Regionen und Verbindungsregionen von Antigenen schneidet, die neue Epitopen freilegen, was dann zur Entwicklung von Autoimmunerkrankungen führt. Die Freisetzung von GzmB mit Perforin aus CD8-T-Zellen verursacht auch die Abstoßung von Herz- und Nierentransplantaten durch die Abtötung allogener Endothelzellen. Die Zerstörung von Insulin, das β-Zellen in den Langerhans-Inseln produziert, vermittelt durch T-Zellen und GzmB, trägt zu Typ-1-Diabetes bei. GzmB vermittelt auch den Tod von Zellen nach einer Rückenmarksverletzung und wird mit erhöhten Spiegeln bei rheumatoider Arthritis gefunden. GzmB, das von NK- und T-Zellen sekretierte wird, trägt zur Apoptose von bronchialen Epithelzellen bei und verursacht somit die chronisch obstruktive Lungenerkrankung. Die Destabilisierung und Umgestaltung der Matrix durch GzmB sind mit der Pathogenese von Asthma verbunden. Vitiligo, Kontaktdermatitis, Lichen sclerosus und Lichen planus können durch GzmB verursacht werden, indem Melanozyten abgetötet werden und seine Überexpression. Zytotoxische Zellen, die GzmB exprimieren, haben eine enge Beziehung zu Haarfollikeln, was eine mögliche Rolle beim Haarausfall spielt. Die ECM-Umgestaltungs-Eigenschaften von GzmB sind auch mit der Umgestaltung des linken Ventrikels verbunden, was die nachfolgenden Möglichkeiten eines Myokardinfarkts erhöht.