Kallikrein

Kallikreine gehören zur S1-Familie der Serinproteasen. Beim Menschen besitzt das Plasmakallikrein (KLKB1) kein bekanntes Paralogon, während Gewebekallikreine durch 15 strukturell ähnliche Gene (KLKs) kodiert werden. Humane Kallikreine (hKs) werden in zahlreichen Geweben breit exprimiert und sind an einer Reihe normalphysiologischer Funktionen beteiligt, darunter die Regulation des Blutdrucks, die Prohormonprozessierung, der Elektrolythaushalt, Gewebeumbau, neuronale Plastizität und die Desquamation der Haut. Mehrere Befunde zeigen, dass Kallikreine an Kaskadenreaktionen beteiligt sein können und dass ein Cross-Talk mit Proteasen anderer katalytischer Klassen bestehen kann. Die proteolytische Aktivität der Kallikreine wird durch Zymogenaktivierung, endogene Inhibitoren und interne Spaltung reguliert. Eine dysregulierte Kallikrein-Expression ist mit multiplen Erkrankungen assoziiert.

Gewebeexpression

Die KLK1-Genexpression ist im Pankreas, in der Niere und in den Speicheldrüsen am höchsten. Die Gene KLK3 und KLK2 werden in verschiedenen Geweben exprimiert, am stärksten jedoch in der Prostata. Es wurde festgestellt, dass hK3- und hK2-Proteine sowie deren mRNA in signifikanten Mengen in der weiblichen Brust und in niedrigeren Konzentrationen in vielen weiteren Geweben vorkommen. KLK4 scheint ebenfalls eine überwiegend auf die Prostata beschränkte Expression aufzuweisen; es wurde jedoch gezeigt, dass es auch in der Brust und anderen Geweben exprimiert wird. Keines der übrigen Kallikreine ist gewebespezifisch, wenngleich bestimmte Gene bevorzugt in Brust, Haut, zentralem Nervensystem, Speicheldrüsen usw. exprimiert werden. Es ist offensichtlich, dass in denselben Geweben häufig eine Koexpression vieler Kallikreine vorliegt, was auf eine funktionelle Beziehung hindeuten kann. So wurde beispielsweise gezeigt, dass hK3 und hK2 durch ähnliche Mechanismen reguliert werden und häufig in Geweben und Körperflüssigkeiten koexprimiert sind.

Struktur

Der humane Gewebekallikrein-Genlokus erstreckt sich über eine Region von 261.558 bp auf Chromosom 19q13.4 und besteht aus 15 Kallikrein-Genen ohne dazwischenliegende Nicht-Kallikrein-Gene. In jüngerer Zeit wurde ein potenzielles prozessiertes Kallikrein-Pseudogen kloniert; zudem besteht die Möglichkeit, dass mindestens zwei weitere Pseudogene vorhanden sind. Die Kallikrein-Gene sind geclustert, und die Abstände zwischen zwei benachbarten Genen reichen von 1,5 kb (KLK1 und KLK15) bis 32,5 kb (KLK4 und KLK5).

Umfangreiche Analysen der letzten Jahre haben zur Identifizierung zahlreicher gemeinsamer struktureller Merkmale der Kallikreine geführt. Einige dieser Merkmale werden mit anderen Mitgliedern der S1-Familie der Serinproteasen geteilt. Andere Merkmale sind hingegen spezifisch für bestimmte Kallikreine. Die gemeinsamen strukturellen Merkmale der Kallikreine lassen sich wie folgt zusammenfassen:

1. Alle Gene besitzen fünf kodierende Exons (mit Ausnahme einer KLK4-Variante, die vier Exons aufweist), und die meisten verfügen über ein oder zwei zusätzliche 5′-untranslatierte Exons.
2. Die Exongrößen sind sehr ähnlich oder identisch.
3. Die Intronphasen der kodierenden Exons sind in allen Genen konserviert. Das Muster der Intronphasen ist stets I–II–I–0.
4. Die Positionen der Reste der katalytischen Triade der Serinproteasen sind konserviert, wobei Histidin stets nahe dem Ende des zweiten kodierenden Exons, Aspartat in der Mitte des dritten kodierenden Exons und der Serinrest am Anfang des fünften kodierenden Exons vorkommt.
5. Für alle Kallikrein-Proteine wird vorhergesagt, dass sie als Prä-Pro-Peptide synthetisiert werden, mit einem Signalpeptid von 16–57 Aminosäuren am N-Terminus, gefolgt von einem Aktivierungspeptid von etwa drei bis neun Aminosäuren und anschließend dem 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. Zusätzlich zur Konservierung der katalytischen Aminosäuretriade wurden sieben weitere Proteinmotive identifiziert, die in Kallikreinen ebenfalls hoch konserviert sind.
8. Die meisten Kallikrein-Gene unterliegen einer Regulation durch Steroidhormone.
9. Alle Proteine enthalten 10–12 Cysteinreste, die fünf oder sechs Disulfidbrücken bilden. Auch die Positionen der Cysteinreste sind vollständig konserviert.
10. Klassische oder variantenspezifische Polyadenylierungssignale wurden bei allen Kallikrein-mRNAs in einem Abstand von 10–20 Basen vom Poly-A-Schwanz gefunden. Alle drei klassischen Kallikreine besitzen dasselbe variantenspezifische Polyadenylierungssignal AGTAAA. Mehrfachalignments aller Kallikrein-Proteine wurden bereits zuvor publiziert.

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

Regulation

Mehrere Publikationen bestätigten, dass viele Kallikreine in endokrin relevanten Geweben und Zelllinien einer Regulation durch Steroidhormone unterliegen. In unterschiedlichen Geweben stehen Kallikrein-Gene unter hormoneller Regulation mit einem gewebespezifischen Muster. So wird KLK4 durch Androgene in Prostata- und Brustkrebszelllinien sowie durch Östrogene in Endometriumkrebszelllinien hochreguliert. KLK12 wird durch Androgene und Gestagene in Prostatakrebszelllinien sowie durch Östrogene und Gestagene in Brustkrebszelllinien hochreguliert. KLK14 und KLK15 werden überwiegend durch Androgene reguliert. Insgesamt lässt sich schlussfolgern, dass die meisten, wenn nicht alle, Kallikrein-Gene durch Steroidhormone reguliert werden, entweder überwiegend durch Androgene oder durch Östrogene/Gestagene/Glukokortikoide.

Erkrankungen

Es wurde bestätigt, dass Kallikreine mit der Pathogenese vieler humaner Erkrankungen assoziiert sind. So ist beispielsweise das KLK1-Gen an Entzündungen, Hypertonie, renaler Nephritis und diabetischer Nierenerkrankung beteiligt. Zusammenhänge zwischen hK5 und hK7 und Hauterkrankungen wurden bereits berichtet, einschließlich pathologischer Keratinisierung und Psoriasis. Darüber hinaus scheinen viele Kallikreine wichtige physiologische Funktionen im zentralen Nervensystem (ZNS) zu erfüllen. Die Kallikrein-Expression kann zudem an der Pathogenese verschiedener Hauterkrankungen beteiligt sein, wie Psoriasis, Ichthyosen, squamoproliferative Erkrankungen, epidermale Verdickung, 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 mittels Differential-Display aus Brustkrebs-Bibliotheken isoliert. hK6 und hK10 entwickeln sich zu diagnostischen Markern für Ovarialkarzinom. Zudem wurde hK11 als potenzieller Marker für Ovarial- und Prostatakrebs beschrieben.

Literatur