Kallikrein

Kallikreine gehören zur S1-Familie der Serinproteasen. Bei Menschen hat das Plasmakallikrein (KLKB1) kein bekanntes Paralog, während die Gewebekallikreine von 15 strukturell ähnlichen Genen (KLKs) kodiert werden. Menschliche Kallikreine (hKs) werden in verschiedenen Geweben weit verbreitet exprimiert und sind an einer Reihe von normalen physiologischen Funktionen beteiligt, wie der Regulierung des Blutdrucks, der Verarbeitung von Prohormonen, dem Elektrolythaushalt, der Gewebemodellierung, der neuronalen Plastizität und der Hautabschuppung. Mehrere Beweise zeigen, dass Kallikreine möglicherweise an Kaskadenreaktionen beteiligt sind und dass es einen Austausch mit Proteasen anderer katalytischer Klassen geben kann. Die proteolytische Aktivität der Kallikreine wird durch die Aktivierung von Zymogenen, endogene Inhibitoren und interne Spaltungen reguliert. Eine dysregulierte Kallikrein-Expression ist mit mehreren Krankheiten assoziiert.

Gewebeexpression

Die Expression des KLK1-Gens ist am höchsten in der Bauchspeicheldrüse, den Nieren und den Speicheldrüsen. Die Gene KLK3 und KLK2 werden in verschiedenen Geweben exprimiert, jedoch am höchsten in der Prostata. Es wurde festgestellt, dass hK3- und hK2-Proteine sowie mRNA in signifikanten Mengen in der weiblichen Brust und in geringeren Mengen in vielen anderen Geweben vorhanden sind. KLK4 scheint ebenfalls eine prostatenspezifische Expression zu haben, es wurde jedoch nachgewiesen, dass es auch in der Brust und anderen Geweben exprimiert wird. Keines der verbleibenden Kallikreine ist gewebespezifisch, obwohl bestimmte Gene bevorzugt in Brust, Haut, zentralem Nervensystem, Speicheldrüsen usw. exprimiert werden. Es ist klar, dass es häufig eine Koexpression vieler Kallikreine in denselben Geweben gibt, was auf eine funktionale Beziehung hindeuten könnte. Zum Beispiel wurde gezeigt, dass hK3 und hK2 durch ähnliche Mechanismen reguliert werden und dass sie häufig in Geweben und Körperflüssigkeiten ko-exprimiert werden.

Struktur

Der menschliche Gewebekallikrein-Genlocus erstreckt sich über eine Region von 261.558 bp auf Chromosom 19q13.4 und besteht aus 15 Kallikrein-Genen ohne dazwischenliegende Nicht-Kallikreine. Neuere Forschungen haben ein potenzielles, verarbeiteten Kallikrein-Pseudogen identifiziert, und es besteht die Möglichkeit, dass mindestens zwei weitere Pseudogene vorhanden sind. Die Kallikrein-Gene sind zusammengeclustert, und die Abstände zwischen zwei benachbarten Genen reichen von 1,5 (KLK1 und KLK15) bis 32,5 kb (KLK4 und KLK5).

Umfangreiche Analysen in den letzten Jahren haben zur Identifizierung vieler gemeinsamer struktureller Merkmale von Kallikreinen geführt. Einige dieser Merkmale werden mit anderen Mitgliedern der S1-Familie der Serinproteasen geteilt. Andere Merkmale sind jedoch einzigartig für bestimmte Kallikreine. Die gemeinsamen strukturellen Merkmale der Kallikreine können wie folgt zusammengefasst werden:

1. Alle Gene besitzen fünf kodierende Exons (außer einer KLK4-Variante, die vier Exons hat), und die meisten von ihnen haben ein oder zwei zusätzliche 5'-untranslatierte Exons.
2. Die Exon-Größen sind sehr ähnlich oder identisch.
3. Die Intron-Phasen der kodierenden Exons sind in allen Genen konserviert. Das Muster der Intron-Phase ist immer I-II-I-0.
4. Die Positionen der Reste des katalytischen Triaden von Serinproteasen sind konserviert, wobei das Histidin immer nahe dem Ende des zweiten kodierenden Exons auftritt, das Aspartat in der Mitte des dritten kodierenden Exons und das Serinrest am Anfang des fünften kodierenden Exons.
5. Alle Kallikrein-Proteine werden voraussichtlich als Prä-Pro-Peptide synthetisiert, mit einem Signalpeptid von 16–57 Aminosäuren am N-Terminus, gefolgt von einem Aktivierungspeptid von etwa drei bis neun Aminosäuren, gefolgt vom enzymatisch aktiven (reifen) Protein (223–252 Aminosäuren).
6. Die Aminosäure der Substratbindetasche ist entweder Aspartat oder Glutamat, was auf eine trypsinähnliche Spezifität hinweist, oder eine andere Aminosäure, wie im Fall von hK3 (Serin), hK7 (Asparagin) und hK9 (Glycin).
7. Neben der Erhaltung der katalytischen Aminosäure-Triade wurden auch sieben zusätzliche Proteinmotive gefunden, die in Kallikreinen hoch konserviert sind.
8. Die meisten Kallikrein-Gene unterliegen der Regulation durch Steroidhormone.
9. Alle Proteine enthalten 10–12 Cysteinreste, die fünf oder sechs Disulfidbrücken bilden. Die Positionen der Cysteinreste sind ebenfalls vollständig konserviert.
10. Klassische oder variant polyadenylation Signale wurden 10–20 Basen vom Poly-A-Schwanz aller Kallikrein-mRNAs gefunden. Alle drei klassischen Kallikreine haben dasselbe variant polyadenylation Signal AGTAAA. Mehrere Alignments aller Kallikrein-Proteine wurden zuvor veröffentlicht.

Abbildung 1. Gen-, mRNA- und Proteinstruktur der Kallikreine. (Kalinska M, et al. 2016)

Regulation

Mehrere Berichte bestätigten, dass viele Kallikreine unter der Regulation von Steroidhormonen in endokrin verwandten Geweben und Zelllinien stehen. In verschiedenen Geweben unterliegen Kallikrein-Gene einer hormonellen Regulation mit einem gewebespezifischen Muster. Zum Beispiel wird KLK4 durch Androgene in Prostata- und Brustkrebszelllinien und durch Östrogene in Zelllinien des Endometriumkarzinoms hochreguliert. KLK12 wird durch Androgene und Gestagene in Prostatakrebszelllinien und durch Östrogene und Gestagene in Brustkrebszelllinien hochreguliert. KLK14 und KLK15 werden hauptsächlich durch Androgene reguliert. Im Allgemeinen kann man schlussfolgern, dass die meisten, wenn nicht alle, Kallikrein-Gene durch Steroidhormone reguliert werden, entweder überwiegend durch Androgene oder durch Östrogene/Gestagene/Glukokortikoide.

Krankheiten

Es wurde bestätigt, dass Kallikreine mit der Pathogenese vieler menschlicher Krankheiten assoziiert sind. Zum Beispiel ist das KLK1-Gen an Entzündungen, Bluthochdruck, Nierennephritis und diabetischer Nierenerkrankung beteiligt. Die Beziehungen zwischen hK5 und hK7 und Hautkrankheiten wurden bereits berichtet, einschließlich pathologischer Keratinisierung und Psoriasis. Darüber hinaus scheinen viele Kallikreine wichtige physiologische Rollen im zentralen Nervensystem (ZNS) zu spielen. Die Kallikrein-Expression könnte auch an der Pathogenese mehrerer Hautkrankheiten beteiligt sein, wie Psoriasis, Ichthyosen, squamoproliferativ, epidermale Dicke, Hyperkeratose, Psoriasis vulgaris, seborrhoische Keratose, Lichen planus und Plattenepithelkarzinom. Die Assoziation von Kallikreinen mit Krebs ist gut etabliert. hK3 und hK2 sind nützliche Biomarker für Prostatakrebs. KLK6 und KLK10 wurden ursprünglich durch differentielle Darstellung aus Brustkrebsbibliotheken isoliert. hK6 und hK10 sind aufkommende diagnostische Marker für Eierstockkrebs. Auch hK11 wurde als potenzieller Marker für Eierstock- und Prostatakrebs gezeigt.

Referenzen