TPO

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TPO (EC 1.11.1.8, Thyreoperoxidase) gehört zur Familie der humanen Peroxidasen. Es ist ein wichtiges Enzym, das für die Biosynthese von Schilddrüsenhormonen verantwortlich ist, und stellt das Hauptautoantigen bei autoimmunen Schilddrüsenerkrankungen (Autoimmune Thyroid Diseases, AITDs) dar. Der systematische Name dieser Enzymklasse lautet Iodid:Wasserstoffperoxid-Oxidoreduktase. Weitere gebräuchliche Bezeichnungen sind Thyreoperoxidase, Iodotyrosin-Deiodase, Iodinase, Iodoperoxidase (Häm-Typ), Iodid-Peroxidase–Tyrosin-Iodinase, Iodotyrosin-Deiodinase, Monoiodotyrosin-Deiodinase, Thyreoperoxidase und Tyrosin-Iodinase. TPO ist ein überwiegend in der Schilddrüse exprimiertes Enzym, das Iodidionen oxidiert und dadurch Iodatome bildet.

Struktur

Das TPO-Protein in voller Länge besteht aus 933 Aminosäureresten und hat ein Molekulargewicht von 107 kDa. Im Gegensatz zu anderen Peroxidasen handelt es sich überwiegend um ein extrazelluläres Protein, das über seine C-terminale Transmembrandomäne (Reste 872–933) an der apikalen Membran von Thyreozyten verankert ist. TPO wird mit einer Sequenz synthetisiert, die ein N-terminales Signalpeptid (Reste 1–108) umfasst, welches beim Verlassen des endoplasmatischen Retikulums abgespalten wird, sodass reifes TPO entsteht. Die extrazelluläre Domäne von TPO besteht im Wesentlichen aus drei Bereichen: der Myeloperoxidase(MPO)-ähnlichen Domäne (Reste 142–738), der Complement-Control-Protein(CCP)-ähnlichen Domäne (Reste 739–795) und der Epidermal-Growth-Factor(EGF)-ähnlichen Domäne (Reste 796–846).

MPO liegt als Homodimer vor, das an der Dimergrenzfläche über eine konservierte intermolekulare Disulfidbrücke (Cys319) kovalent verknüpft ist. Die Gesamtfaltung der MPO ist überwiegend α-helikal mit einem kleinen Anteil an β-Faltblattstrukturen. Jedes Monomer besitzt ein Zentrum aus fünf Helices sowie eine prosthetische Hämgruppe, die kovalent an Glu408 und Asp260 gebunden ist. Die CCP-ähnliche Domäne, auch als Sushi-Domäne bezeichnet, basiert auf der Ausbildung von drei β-Strängen mit Wasserstoffbrückenbindungen auf der einen Seite und zwei separaten β-Strängen auf der anderen Seite, wodurch letztlich eine β-Sandwich-Anordnung entsteht. Die EGF-ähnliche Domäne ist evolutionär hoch konserviert. Sie enthält sechs Cysteinreste, die drei Disulfidbrücken bilden. Die Gesamtstruktur besteht aus einem β-Faltblatt, gefolgt von einer kurzen Schleife.

Abbildung 1. Struktur von TPO. (Williams D.E. 2018)

Katalytischer Mechanismus

TPO katalysiert zwei wesentliche Reaktionen in der Biosynthese von Schilddrüsenhormonen: die Iodierung von Tyrosinresten im Thyreoglobulin (Tg) sowie die Kopplung von Iodotyrosinen zur Bildung der Schilddrüsenhormone T3 und T4. Dieser Prozess ist von der kovalenten Einbindung der Hämgruppe in TPO abhängig. Thionamide wie Propylthiouracil (PTU) und Methimazol (MMI) sind die am häufigsten eingesetzten Arzneimittel zur Behandlung der Hyperthyreose. Diese Wirkstoffe dienen TPO als bevorzugte Substrate und werden durch TPO iodiert. In der Schilddrüse wird Iodid (I-) in Gegenwart von Wasserstoffperoxid durch TPO oxidiert und anschließend in den Tyrosinrest von Tg eingebaut. TPO vermittelt zudem die Kopplung von Mono- oder Diiodotyrosinresten zur Bildung von T3 und T4.

Abbildung 2. Wirkmechanismus von Methimazol (MMI) auf TPO. (Godlewska M. 2019)

Anwendung

TPO ist das zentrale Enzym für die Synthese der Schilddrüsenhormone Trijodthyronin (T3) und Thyroxin (T4). TPO ist ein wichtiges Autoantigen und ein wesentliches antigenes Ziel für Autoantikörper (aAbs) bei AITD. Bei AITD kommt es zum Verlust der Toleranz gegenüber zahlreichen schilddrüsenspezifischen Autoantigenen und zur Induktion von Autoantikörperantworten. Anti-TPO-Autoantikörper liegen bei AITD-Patienten häufig in aktiver Form vor. Die Hashimoto-Thyreoiditis ist ein typisches Beispiel für AITD, bei der sich die Immunantwort gegen die Schilddrüse richtet, was zu einer vollständigen Zerstörung des Schilddrüsengewebes und zu einer verminderten Synthese der Schilddrüsenhormone T3 und T4 führt. Die Schilddrüsenhormone T3 und T4 beeinflussen die meisten Organsysteme und verursachen schwere Krankheitsmanifestationen von neurologischen Symptomen bis hin zu körperlichen Ausprägungen, einschließlich Hypertonie, Krampfanfällen, Muskeldegeneration und Diabetes. Das Vorliegen hoch titrierter Autoantikörper gegen TPO ist ein Kennzeichen der Erkrankung und wird häufig als diagnostischer Marker verwendet.

Während der Reifung von TPO wird das N-terminale Signalpeptid abgespalten. Zur Verbesserung der Qualität der TPO-Präparation wurde eine TPO-cDNA ohne N-terminales Signalpeptid konstruiert und stabil in einer Zelllinie aus Ovarzellen des chinesischen Hamsters (CHO) exprimiert. Studien zeigten, dass TPO mit Deletion des N-terminalen Signalpeptids die gleiche Funktion und Immunogenität wie TPO in voller Länge aufweist. Gleichzeitig wurden weitere TPO-cDNA-Vektoren entwickelt, mit denen in einem auf Säugerzellen basierenden Proteinexpressionssystem große Mengen löslichen TPO mit hohen biochemischen und antigenen Eigenschaften gewonnen werden können. Darüber hinaus wurde am C-Terminus eine Leucin-Zipper-Dimerisierungsdomäne ergänzt, um das TPO-Dimer zu stabilisieren; das rekombinante TPO liegt sowohl in monomerer als auch in dimerer Form vor, wobei patientenabgeleitete Autoantikörper-Fab-Fragmente bevorzugt an monomeres TPO binden.

Literatur

1. Williams, D.E., Le, S.N., Godlewska, M., Hoke, D.E., Buckle, A.M. Thyroid peroxidase as an autoantigen in Hashimoto’s disease: structure, function, and antigenicity. Horm Metab Res, 2018, 50(12):908-921.
2. Godlewska, M., Banga, P.J. Thyroid peroxidase as a dual active site enzyme: Focus on biosynthesis, hormonogenesis and thyroid disorders of autoimmunity and cancer. Biochimie, 2019, 160:34-45.