Neuraminidase

Neuraminidase, auch als Sialidase bezeichnet, ist eine Gruppe von Enzymen aus der Familie der Glykosidhydrolasen, die glykosidische Bindungen von Neuraminsäuren spalten. Neuraminidasen bilden eine große Enzymfamilie und kommen in einer Vielzahl von Organismen vor. Die bekannteste Neuraminidase ist die virale Neuraminidase, ein Arzneimittelziel zur Verhinderung der Ausbreitung von Influenzainfektionen. In den 1940er-Jahren identifizierte der US-amerikanische Wissenschaftler George Hirst in Proben von Influenzaviren, die mit roten Blutkörperchen (Erythrozyten) gemischt waren, eine Substanz, die Rezeptoren auf den Oberflächen der Erythrozyten abbaute. Kurz darauf stellte der in Deutschland geborene britische Biochemiker Alfred Gottschalk fest, dass es sich bei diesen rezeptorzerstörenden Enzymen um Neuraminidasen handelte.

Klassifizierung

Nach dem katalytischen Mechanismus kann Neuraminidase in zwei Gruppen eingeteilt werden, die jeweils exo- oder endo-Polysialinsäuren spalten:

• Exo-Hydrolyse von α-(2→3)-, α-(2→6)-, α-(2→8)-glykosidischen Bindungen terminaler Sialinsäurereste
• Endo-Hydrolyse von (2→8)-α-sialosylischen Bindungen in Oligo- oder Poly(sialin)säuren

Nach der Herkunft kann Neuraminidase in drei Gruppen eingeteilt werden:

• Virale Neuraminidase
• Bakterielle Neuraminidase
• Säugetier-Neuraminidase

Es sind neun Subtypen der Influenza-Neuraminidase bekannt, von denen viele ausschließlich bei Enten- und Hühnerrassen vorkommen. Die Subtypen N1 und N2 korrelierten positiv mit Epidemien beim Menschen, und die Subtypen N3 oder N7 wurden in einigen isolierten Todesfällen nachgewiesen.

Virale Neuraminidase

Virale Neuraminidase ist eine Form der Neuraminidase auf der Oberfläche von Influenzaviren, die die Freisetzung des Virus aus der Wirtszelle ermöglicht. Für Influenza A sind neun Neuraminidase-Subtypen beschrieben, während für Influenza-B-Viren nur ein Subtyp nachgewiesen wurde. Neuraminidasen sind für die Replikation von Influenzaviren erforderlich. Wenn sich das Influenzavirus repliziert, bindet es über Hämagglutinin an die innere Zelloberfläche. Sialinsäuren kommen auf verschiedenen Glykoproteinen an der Oberfläche der Wirtszelle vor, und das Virus nutzt diese Gruppen zur Bindung an die Wirtszelle. Damit das Virus aus der Zelle freigesetzt werden kann, muss Neuraminidase die Sialinsäuregruppen enzymatisch von den Wirtsglykoproteinen abspalten. Da die Abspaltung der Sialinsäuregruppen ein integraler Bestandteil der Influenzareplikation ist, stellt die Blockade der Neuraminidasefunktion durch Neuraminidase-Inhibitoren einen wirksamen Ansatz zur Behandlung der Influenza dar.

Abbildung 1. Struktur des Influenzavirus; Neuraminidase ist als NA und Hämagglutinin als HA gekennzeichnet.

Struktur

Die Influenza-Neuraminidase ist eine pilzförmige Ausstülpung auf der Oberfläche des Influenzavirus und umfasst 470 Aminosäurereste. Die dreidimensionale Struktur von NA besteht aus vier koplanaren und annähernd kugelförmigen Untereinheiten sowie einer hydrophoben Region, die im Inneren der Virusmembran verankert ist. Die Kopfregion der NA besteht aus einer großen Domäne, die aus sechs identischen antiparallelen β-Faltblättern (Motiven) aufgebaut ist, die zu einer propellerartigen Struktur angeordnet sind. Die Influenza-Neuraminidase besteht aus einer einzelnen Polypeptidkette, die entgegengesetzt zum Hämagglutinin-Antigen orientiert ist. Die Zusammensetzung des Polypeptids umfasst eine einzelne Kette aus sechs konservierten polaren Aminosäuren, gefolgt von hydrophilen, variablen Aminosäuren. β-Faltblätter dominieren als Sekundärstruktur der Proteinkonformation.

Mechanismus

Der enzymatische Prozess der Neuraminidase gliedert sich in vier Schritte. Im ersten Schritt wird bei Bindung von α-Sialosid an die Sialidase die ²C₅-Sesselkonformation in eine Pseudoboot-Konformation überführt. Der zweite Schritt führt zu einem Oxocarbenium-Ion-Zwischenprodukt, dem Sialosylkation. Im dritten Schritt entsteht zunächst Neu5Ac als α-Anomer; anschließend erfolgen Mutarotation und Freisetzung als das thermodynamisch stabilere β-Neu5Ac.

Abbildung 2. Vorgeschlagener Mechanismus der Katalyse der Sialidase 4 des Influenzavirus.

Inhibitoren

Alle Influenzaviren tragen zwei Oberflächen-Glykoproteine, ein Hämagglutinin und eine Neuraminidase, die als Antigene den jeweiligen Influenzastamm definieren. Die zeitliche Variation dieser Moleküle ermöglicht es dem Virus, der menschlichen Immunantwort zu entgehen, und macht daher die Formulierung eines neuen Impfstoffs in jedem Jahr erforderlich. Hämagglutinin ist ein Sialinsäure-Rezeptor-bindendes Molekül und vermittelt den Eintritt des Virus in die Zielzelle. Neuraminidase spaltet die Sialinsäurereste der zellulären Rezeptoren, an die die neu gebildeten Viruspartikel gebunden sind. Diese Spaltung setzt die Viren frei, die anschließend neue Zellen infizieren können. Ohne Neuraminidase wäre die Infektion auf eine einzige Replikationsrunde begrenzt, was in der Regel nicht ausreicht, um eine Erkrankung auszulösen.

Die Fähigkeit von Übergangszustandsanaloga der Sialinsäure, die Influenza-Neuraminidase zu hemmen, wurde erstmals in den 1970er-Jahren erkannt; die Entwicklung hochwirksamer Inhibitoren wurde jedoch erst möglich, als die Analyse der dreidimensionalen Struktur der Influenza-Neuraminidase Lage und Struktur des katalytischen Zentrums offenlegte. Potente Inhibitoren wie Zanamivir ahmen das natürliche Substrat sehr eng nach, passen in die Bindungstasche des aktiven Zentrums und gehen mit dem Protein die energetisch günstigste Interaktion ein. Zanamivir wird per oraler Inhalation verabreicht, wodurch der Wirkstoff direkt in die Atemwege gelangt. Oseltamivir wurde durch Modifikationen am Grundgerüst des Sialinsäure-Analogons (einschließlich der Einführung einer lipophilen Seitenkette) entwickelt, die eine orale Anwendung ermöglichen.

Referenz