Phosphodiesterase

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Phosphodiesterasen (PDEs) haben die Funktion, die intrazellulären Second Messenger (cAMP, zyklisches Adenosinmonophosphat, bzw. cGMP, zyklisches Guanosinmonophosphat) zu hydrolysieren und dadurch intrazelluläres cAMP bzw. cGMP abzubauen, womit die durch diese Second Messenger vermittelten biochemischen Effekte beendet werden. cAMP und cGMP spielen eine wichtige Rolle bei der Regulation zellulärer Aktivitäten. Die Anpassung ihrer Konzentration wird im Wesentlichen durch das Gleichgewicht zwischen der Synthese durch Adenylatcyclase und der Hydrolyse durch Phosphodiesterasen (PDEs) bestimmt. PDEs sind im menschlichen Körper weit verbreitet, und ihre physiologischen Effekte betreffen zahlreiche Forschungsgebiete. In den letzten Jahren haben PDEs als neue therapeutische Zielstrukturen breite Aufmerksamkeit erlangt und sind zu einem neuen Forschungsschwerpunkt geworden. Insbesondere die klinische Forschung zu selektiven PDE‑4‑ und PDE‑5‑Inhibitoren hat besondere Beachtung gefunden.

Abbildung 1. cGMP.

Genotypisierung

Molekularklonierungstechnologien zeigen, dass Phosphodiesterasen (PDEs) eine große Multigen‑Familie darstellen. Die Entwicklung selektiver Phosphodiesterase‑Inhibitoren wird neue Ansätze für die Behandlung zahlreicher Erkrankungen eröffnen. PDEs umfassen 11 Typen und mehr als 30 Isoenzyme mit unterschiedlicher Substratspezifität, enzymkinetischen Eigenschaften, regulatorischen Merkmalen sowie zellulärer und subzellulärer Verteilung. Strukturell weisen sie zwei funktionelle Domänen auf: Regulation und Katalyse. Die Aminosäuresequenzen der katalytischen Regionen aller PDE‑Typen sind zu mehr als 75 % identisch, was die Homologie innerhalb der Familie widerspiegelt und die Spezifität für Substrate bzw. Inhibitoren mitbestimmt. PDEs unterscheiden sich in ihrer Substratspezifität: PDE4, PDE7 und PDE8 wirken ausschließlich auf cAMP, während PDE5, PDE6 und PDE9 selektiv auf cGMP wirken. PDE3 bindet cAMP und cGMP mit ähnlicher Affinität, hydrolysiert cGMP jedoch vergleichsweise kaum; daher gilt PDE3 funktionell als cAMP‑spezifisch, wobei cGMP über kompetitive Bindung an Enzymbindungsstellen als negativer Regulator wirkt.

Klassifikationen

• Phosphodiesterase 1

PDE1 umfasst drei Isoenzyme: PDE1A, PDE1B und PDE1C, die von unterschiedlichen Genen kodiert werden. Die katalytische Aktivität von PDE1 wird durch zwei CaM‑Bindungsregionen reguliert; jedes Isoenzym besitzt jedoch einen spezifischen Ca‑Schwellenwert für die Aktivierung. PDE1C kann cAMP und cGMP gleichermaßen hydrolysieren und kann die glukosestimulierte Insulinsekretion herunterregulieren.

• Phosphodiesterase 2

PDE2 zeigt eine unterschiedliche Gewebe‑ und subzelluläre Verteilung. Membrangebundene Enzyme kommen im Gehirn und im Herzen vor. Lösliche Enzyme finden sich in der Leber und in Thrombozyten. PDE2 ist zudem in T‑Zellen verteilt. Bei Bindung des Antigenrezeptors wird die PDE2‑Aktivität von Thymozyten herunterreguliert.

Abbildung 2. Struktur der Phosphodiesterase 2.

• Phosphodiesterase 3

Die beiden Isoenzyme der humanen PDE3, PDE3A und PDE3B, sind Produkte unterschiedlicher Gene, die auf den Chromosomen 12 bzw. 11 lokalisiert sind. Die katalytischen Regionen von PDE3A und PDE3B enthalten jeweils ein unterschiedliches Insert von 44 Aminosäuren. Diese 44 Aminosäuren unterscheiden nicht nur PDE3A und PDE3B voneinander, sondern differenzieren auch die katalytische Stelle von PDE3 gegenüber anderen PDE‑Typen.

Abbildung 3. Rolle von PDE3 in der cAMP‑ und cGMP‑vermittelten Signaltransduktion.

• Phosphodiesterase 4

Die Isoenzyme der humanen PDE4 sind vielfältig und werden in vier Subtypen unterteilt: PDE4A, PDE4B, PDE4C und PDE4D. PDE4 ist an der Hydrolyse von cAMP in verschiedenen inflammatorischen Zellen beteiligt. Daher kann die Hemmung von PDE4 Immun‑ und Entzündungszellen inhibieren.

Abbildung 4. Phosphodiesterase 4.

• Phosphodiesterase 6

PDE6 ist ein wichtiges Enzym in der Phototransduktionskaskade von Photorezeptorzellen. Seine Aktivität wird durch heterotrimere G‑Proteine reguliert. Das PDE6‑Holoenzym der Stäbchenzellen ist ein tetrameres Protein und umfasst zwei große katalytische Untereinheiten α und β sowie zwei kleine γ‑Untereinheiten mit PDE6‑inhibitorischer Wirkung.

• Phosphodiesterase 7

PDE7A1 und PDE7A2 sind Varianten, bei denen dasselbe Gen unterschiedlich exprimiert wird. Die mRNAs beider Varianten werden in verschiedenen Geweben häufig exprimiert. Die Proteinexpression unterliegt jedoch strengen Einschränkungen, was darauf hindeutet, dass die funktionelle Rolle von PDE7 eine stark regulierte Proteintranslation bedingt. PDE7A1‑Aktivität und ‑Protein wurden in T‑Lymphozyten nachgewiesen. Eine Hemmung von PDE7 kann für die Behandlung bestimmter Immunstörungen vorteilhaft sein.

Genotypisierung

Molekularklonierungstechnologien zeigen, dass Phosphodiesterasen (PDEs) eine große Multigen‑Familie darstellen. Die Entwicklung selektiver Phosphodiesterase‑Inhibitoren wird neue Ansätze für die Behandlung zahlreicher Erkrankungen eröffnen. PDEs umfassen 11 Typen und mehr als 30 Isoenzyme mit unterschiedlicher Substratspezifität, enzymkinetischen Eigenschaften, regulatorischen Merkmalen sowie zellulärer und subzellulärer Verteilung. Strukturell weisen sie zwei funktionelle Domänen auf: Regulation und Katalyse. Die Aminosäuresequenzen der katalytischen Regionen aller PDE‑Typen sind zu mehr als 75 % identisch, was die Homologie innerhalb der Familie widerspiegelt und die Spezifität für Substrate bzw. Inhibitoren mitbestimmt. PDEs unterscheiden sich in ihrer Substratspezifität: PDE4, PDE7 und PDE8 wirken ausschließlich auf cAMP, während PDE5, PDE6 und PDE9 selektiv auf cGMP wirken. PDE3 bindet cAMP und cGMP mit ähnlicher Affinität, hydrolysiert cGMP jedoch vergleichsweise kaum; daher gilt PDE3 funktionell als cAMP‑spezifisch, wobei cGMP über kompetitive Bindung an Enzymbindungsstellen als negativer Regulator wirkt.

Mechanismus

Als Second Messenger von Neurotransmittern, Hormonen, Licht und Geruch wirken cAMP und cGMP in Zellen breit auf Zielstrukturen wie Kinasen, Ionenkanäle und verschiedene PDEs. Wenn extrazelluläre Signale über die Membran übertragen werden und eine Reihe physiologischer Reaktionen auslösen, die die Nukleotidcyclase aktivieren (wie in Abbildung 1 dargestellt), werden cAMP und cGMP gebildet. Die Aufgabe der PDE‑Familie besteht darin, diese durch Hydrolyse zu inaktivieren und zu 5‑Monophosphat‑Nukleosiden (AMP) abzubauen. Das Gleichgewicht zwischen der Synthese durch Nukleotidcyclasen und der hydrolytischen Inaktivierung durch PDEs bestimmt die Konzentration der Second Messenger cAMP und cGMP. Hervorzuheben ist, dass cGMP nicht nur durch PDEs hydrolysiert wird, sondern auch die Aktivität einiger PDEs regulieren kann. So kann PDE2 durch cGMP stimuliert werden, während PDE3 durch cGMP gehemmt werden kann; PDE4 ist gegenüber cGMP nicht sensitiv.