PLD

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Einleitung

Phospholipase D (PLD; KEGG Enzyme Commission-Nummer 3.1.4.4) ist eine Phosphodiesterase, die von einer Superfamilie von Genen kodiert wird, und spielt eine Schlüsselrolle in einer Vielzahl von Signaltransduktions- und Stoffwechselwegen. Diese Enzyme katalysieren die Abspaltung von Kopfgruppen aus Glycerophospholipiden zur Bildung von Phosphatidsäure (PtdOH); als Reaktionsprodukt werden die freien Kopfgruppen stöchiometrisch freigesetzt. Eine von vier Untergruppen der PLD-Enzyme ist durch das konservierte katalytische Motiv H-X-K-X₄-D-X₆-G-(G/S) gekennzeichnet, das als HKD-Motiv bezeichnet wird. Mitglieder dieser Untergruppe können über einen ähnlichen Reaktionsmechanismus die Phosphodiesterbindung mittels des HKD-katalysierten Motivs hydrolysieren. Darüber hinaus können auch einige PLD-Enzyme, denen das HKD-Motiv fehlt, PtdOH produzieren.

In Säugerzellen sind die HKD-haltigen Isoenzyme PLD1 und PLD2 nahezu ubiquitär und fungieren häufig als Knotenpunkte an der Schnittstelle verschiedener Signalwege. Sie sind an zahlreichen zellulären Prozessen beteiligt, die Membranremodellierung oder Membranbiogenese erfordern, darunter Vesikeltransport, Endozytose, Degranulation und Zellzyklusprogression. Das Substrat von PLD1 und PLD2 ist in der Regel Phosphatidylcholin; sie können jedoch auch andere aminogruppenhaltige Glycerophospholipide hydrolysieren, einschließlich Phosphatidylethanolamin und Phosphatidylserin. Viele PLD-Enzyme mit HKD-Motiv katalysieren zudem eine alternative Reaktion zur Hydrolyse (Transphosphatidylierung), bei der kurzkettige primäre Alkohole mit Wasser als Nukleophile konkurrieren und ein Phosphatidylalkohol-Produkt entsteht.

Abbildung 1. Neuere Befunde haben Phospholipase-D-(PLD)-Enzyme als therapeutische Zielstrukturen bei einer Vielzahl menschlicher Erkrankungen identifiziert (Brown, H.A.; et al.2017)

PLD-Isoenzym-Inhibitoren

Bis 2009 gab es nur wenige chemische Werkzeuge, die eine direkte Untersuchung und Aufklärung der PLD-Funktionen ermöglichten, und es standen keine niedermolekularen Substanzen für die Forschung an den beiden wichtigsten Säuger-PLD-Isoenzymen (PLD1 und PLD2) oder anderen therapieassoziierten PLDs zur Verfügung. Die Forschung in diesem Bereich stützte sich nahezu ausschließlich auf die Überexpression katalytisch aktiver oder inaktiver Enzymformen oder auf RNA-vermittelte Interferenz (RNAi) zur Blockade ihrer Expression. Diese biochemischen und genetischen Methoden fanden jedoch kaum Beachtung in der pharmazeutischen Industrie. Um eine PLD-Inhibition als praktikablen Therapieansatz zu entwickeln, werden selektive niedermolekulare Substanzen zur Target-Validierung benötigt. Obwohl frühe Arbeiten bestimmte kleine Moleküle identifizierten, die die PLD-Funktion modulieren können, konnten diese Liganden die Entwicklung des Feldes letztlich nicht vorantreiben, unter anderem aufgrund ihres offenbar mangelnden Spezifitätsprofils. In jüngerer Zeit ist die am häufigsten verwendete Substanzklasse zur Untersuchung der PLD-Funktion primäre Alkohole. Wie oben erwähnt, blockieren Alkohole wie n-Butanol die Bildung von PtdOH, indem sie mit Wasser als Nukleophil konkurrieren. Unter experimentellen Bedingungen ist die Blockade der PtdOH-Produktion jedoch in der Regel unvollständig. Daher ist bei der Interpretation von Forschungsdaten, die unter Einsatz primärer Alkohole (wie n-Butanol) gewonnen wurden, besondere Vorsicht geboten.

Ausblick und nächste Schritte

Intermediäre Metabolite der Lipid-Signalgebung stellen potenzielle Zielstrukturen für therapeutische Interventionen bei zahlreichen Erkrankungen wie Krebs, Infektionskrankheiten und Störungen des zentralen Nervensystems dar. Aufgrund des schnellen Umsatzes dieser Lipide kann die Akkumulation von PtdOH nur momentaner Natur sein, da PtdOH enzymatisch in DAG, Lysophosphatidsäure (LysoPtdOH) und Bestandteile des Kennedy-Wegs umgewandelt wird (siehe Abbildung 2). Darüber hinaus sind die Rollen der PLD-Enzyme bei Krebs, Infektions- und neurodegenerativen Erkrankungen zwar komplex und vielschichtig, jedoch lässt sich leicht erkennen, dass dies die gemeinsame Bedeutung des intermediären Stoffwechsels in jeder dieser Erkrankungen widerspiegelt.

Ein zentrales aktuelles Thema ist, dass PtdOH überwiegend eine biophysikalische Rolle spielt oder nukleare Transkriptionsereignisse bzw. andere Prozesse der angeborenen Immunität beeinflusst, die auch von Bakterien und Parasiten ausgenutzt werden. Die strukturelle Rolle von Lipiden in der Virushülle bedarf weiterhin einer vertieften Untersuchung. Das über de novo Synthese im Kennedy-Weg, über den PLD-Weg sowie über den PLC-DGK-Weg gebildete PtdOH erfordert weitere experimentelle Untersuchungen in anderen pathogenen Mikroorganismen. Diese Ergebnisse werden untermauern, ob Inhibitoren dieser Wege als Breitband-Antiinfektiva eingesetzt werden können, was angesichts der fortlaufenden Entstehung arzneimittelresistenter Stämme von entscheidender Bedeutung ist.

Abbildung 2. Stoffwechselwege, die zur Bildung von Phosphatidsäure (PtdOH) führen, umfassen die de novo Biosynthese sowie die durch Phospholipase D (PLD) und PLC-Diacylglycerolkinase (DGK) vermittelten Signalwege (Brown, H.A.; et al.2017)