Phosphodiesterase

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Phosphodiesterase (PDEs) hat die Funktion, die sekundären Botenstoffe in der Zelle (cAMP, cyclisches Adenosinmonophosphat oder cGMP, cyclisches Guanosinmonophosphat) zu hydrolysieren und degradiert das intrazelluläre cAMP oder cGMP, wodurch die biochemischen Effekte, die von diesen sekundären Botenstoffen ausgeführt werden, beendet werden. cAMP und cGMP spielen eine wichtige Rolle bei der Regulierung der Zellaktivitäten. Die Anpassung ihrer Konzentration wird hauptsächlich durch das Gleichgewicht zwischen der Synthese von Adenylatcyclase und der Hydrolyse von Phosphodiesterasen (PDEs) bestimmt. PDEs sind im menschlichen Körper weit verbreitet, und ihre physiologischen Effekte betreffen viele Forschungsbereiche. In den letzten Jahren haben PDEs als neue therapeutische Ziele große Aufmerksamkeit von vielen Wissenschaftlern auf sich gezogen und sind zu einem neuen Forschungsschwerpunkt geworden. Die klinische Forschung zu selektiven PDE 4- und PDE 5-Hemmern hat besondere Aufmerksamkeit erhalten.

Abbildung 1. cGMP.

Genotypisierung

Molekulare Klontechnologie zeigt, dass Phosphodiesterasen (PDEs) eine große multigenfamilie sind. Die Entwicklung selektiver Phosphodiesterase-Hemmer wird neue Ideen für die Behandlung vieler Krankheiten eröffnen. PDEs sind eine große Familie von mehreren Genen. Sie umfasst 11 Typen und mehr als 30 Typen von Phosphodiesterase-Isoenzymen mit unterschiedlichen Substratspezifitäten, enzymkinetischen Eigenschaften, regulatorischen Eigenschaften sowie Zell- und subzellulären Verteilungsbereichen. Ähnliche Strukturen enthalten zwei funktionale Bereiche: Regulation und Katalyse. Die Aminosäuresequenzen der katalytischen Regionen aller Typen von PDEs sind zu mehr als 75 % identisch. Sie zeigen die Homologie zwischen den Familienmitgliedern. Und bestimmen die Spezifität des Substrats oder Inhibitors. PDEs haben unterschiedliche Substratspezifitäten: PDE 4, 7 und 8 wirken ausschließlich auf cAMP, während PDE 5, 6 und 9 selektiv auf cGMP wirken. PDE3 bindet mit ähnlicher Affinität an cAMP und cGMP, hydrolysiert jedoch relativ kein cGMP, weshalb es als funktionell spezifisch für cAMP angesehen wird, und cGMP wirkt als negativer Regulator durch kompetitive Bindung an Enzymstellen.

Klassifikationen

• Phosphodiesterase 1

PDE1 hat drei Isoenzyme: PDE1A, 1B und 1C, die von verschiedenen Genen kodiert werden. Die katalytische Aktivität von PDE1 wird durch zwei CaM-Bindungsregionen reguliert, aber jedes Isoenzym hat seinen eigenen Ca-Schwellenwert, um aktiviert zu werden. PDE1C kann cAMP und cGMP gleichermaßen hydrolysieren und kann die durch Glukose stimulierte Insulinsekretion herunterregulieren.

• Phosphodiesterase 2

PDE2 zeigt unterschiedliche Gewebe- und subzelluläre Verteilung. Membranständige Enzyme existieren im Gehirn und Herzen. Die löslichen Enzyme sind in der Leber und in Thrombozyten zu finden. PDE2 ist auch in T-Zellen verteilt. Wenn der Antigenrezeptor gebunden ist, wird die PDE2-Aktivität von Thymozyten herunterreguliert.

Abbildung 2. Struktur der Phosphodiesterase 2.

• Phosphodiesterase 3

Die beiden Isoenzyme der menschlichen PDE3, PDE3A und PDE3B, sind Produkte verschiedener Gene, die sich auf den Chromosomen 12 bzw. 11 befinden. Die katalytischen Regionen von PDE3A und PDE3B enthalten beide unterschiedliche 44 Aminosäure-Einfügungen. Der Unterschied dieser 44 Aminosäuren unterscheidet nicht nur PDE3A und PDE3B voneinander, sondern unterscheidet auch die katalytische Stelle von PDE3 von anderen Typen von PDEs.

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

• Phosphodiesterase 4

Die Isoenzyme der menschlichen PDE4 sind vielfältig und in 4 Subtypen unterteilt: PDE4A, 4B, 4C und 4D. PDE4 ist an der Hydrolyse von cAMP in einer Vielzahl von entzündlichen Zellen beteiligt. Daher kann die Hemmung von PDE4 Immun- und Entzündungszellen hemmen.

Abbildung 4. Phosphodiesterase 4.

• Phosphodiesterase 6

PDE6 ist ein wichtiges Enzym in der Lichtumwandlungs-Kaskadenreaktion von Photorezeptorzellen. Seine Aktivität wird durch heterotrimeres G-Protein reguliert. Das PDE6-Holoenzym der Stäbchenzellen ist ein tetrameres Protein, das zwei große katalytische Untereinheiten α und β sowie zwei kleine γ-Untereinheiten mit hemmender Wirkung auf PDE6 umfasst.

• Phosphodiesterase 7

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

Genotypisierung

Molekulare Klontechnologie zeigt, dass Phosphodiesterasen (PDEs) eine große multigenfamilie sind. Die Entwicklung selektiver Phosphodiesterase-Hemmer wird neue Ideen für die Behandlung vieler Krankheiten eröffnen. PDEs sind eine große Familie von mehreren Genen. Sie umfasst 11 Typen und mehr als 30 Typen von Phosphodiesterase-Isoenzymen mit unterschiedlichen Substratspezifitäten, enzymkinetischen Eigenschaften, regulatorischen Eigenschaften sowie Zell- und subzellulären Verteilungsbereichen. Ähnliche Strukturen enthalten zwei funktionale Bereiche: Regulation und Katalyse. Die Aminosäuresequenzen der katalytischen Regionen aller Typen von PDEs sind zu mehr als 75 % identisch. Sie zeigen die Homologie zwischen den Familienmitgliedern. Und bestimmen die Spezifität des Substrats oder Inhibitors. PDEs haben unterschiedliche Substratspezifitäten: PDE 4, 7 und 8 wirken ausschließlich auf cAMP, während PDE 5, 6 und 9 selektiv auf cGMP wirken. PDE3 bindet mit ähnlicher Affinität an cAMP und cGMP, hydrolysiert jedoch relativ kein cGMP, weshalb es als funktionell spezifisch für cAMP angesehen wird, und cGMP wirkt als negativer Regulator durch kompetitive Bindung an Enzymstellen.

Mechanismus

Als sekundärer Botenstoff von Neurotransmittern, Hormonen, Licht und Geruch wirken cAMP und cGMP weitreichend auf Zielorgane in Zellen, wie Kinasen, Ionenkanäle und verschiedene PDEs. Wenn externe Signale über die Membran übertragen werden und eine Reihe von physiologischen Reaktionen auslösen, um die Nukleotidcyclase zu aktivieren (wie in Abbildung 1 gezeigt), werden cAMP und cGMP produziert. Die Aufgabe der PDEs-Familie besteht darin, sie zu hydrolysieren und in 5-Mono-Phosphat-Nukleosid5 (AMP) inaktiv zu machen. Das Gleichgewicht zwischen der Synthese von Nukleotidcyclase und der hydrolytischen Inaktivierung von PDEs bestimmt die Konzentration der sekundären Botenstoffe cAMP und cGMP. Es ist erwähnenswert, dass cGMP nicht nur von PDEs hydrolysiert wird, sondern auch die Aktivität einiger PDEs regulieren kann. Zum Beispiel kann PDE2 durch cGMP stimuliert werden, während PDE3 durch cGMP gehemmt werden kann, und PDE4 ist nicht empfindlich gegenüber cGMP.