TPO

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TPO (EC 1.11.1.8, Thyreoperoxidase) gehört zur Familie der menschlichen Peroxidase. Es ist ein wichtiges Enzym, das für die Biosynthese von Schilddrüsenhormonen verantwortlich ist und das Hauptautoantigen bei autoimmunen Schilddrüsenerkrankungen (AITDs) darstellt. Der systematische Name dieser Enzymklasse ist Iodid: Wasserstoffperoxid-Oxidoreduktase. Weitere gebräuchliche Namen sind Schilddrüsenperoxidase, Iodotyrosin-Deiodase, Iodinase, Iodoperoxidase (Häme-Typ), Iodid-Peroxidase-Tyrosin-Iodinase, Iodotyrosin-Deiodinase, Monoiodotyrosin-Deiodinase, Thyreoperoxidase und Tyrosin-Iodinase. TPO ist ein Enzym, das hauptsächlich in der Schilddrüse exprimiert wird und Iodidionen oxidiert, um Iodatome zu bilden.

Struktur

Das vollständige TPO-Protein besteht aus 933 Resten und hat ein Molekulargewicht von 107 kDa. Im Gegensatz zu anderen Peroxidase ist es hauptsächlich ein extrazelluläres Protein, das über seine C-terminale transmembrane Domäne (Reste 872-933) an der apikalen Membran der Thyrozyten verankert ist. TPO synthetisiert eine Sequenz mit einem N-terminalen Signalpeptid (Reste 1-108), das beim Verlassen des endoplasmatischen Retikulums abgespalten wird, um ein reifes TPO zu bilden. Die extrazelluläre Domäne von TPO besteht hauptsächlich aus drei Regionen: der myeloperoxidase (MPO)-ähnlichen Domäne (Reste 142-738), der Komplementkontrollprotein (CCP)-ähnlichen Domäne (Reste 739-795) und der epidermalen Wachstumsfaktor (EGF)-ähnlichen Domäne (Reste 796-846).

MPO tritt als Homodimer auf, das durch eine konservierte intermolekulare Disulfidbindung (Cys319) an der Dimeroberfläche kovalent verbunden ist. Die Gesamtfaltung des MPO ist eine α-Helix mit einem kleinen Anteil an β-Faltblatt. Jedes Monomer hat ein Zentrum, das aus 5 Helices und einer prosthetischen Hämegruppe besteht, die kovalent an Glu408 und Asp260 gebunden ist. Die CCP-ähnliche Domäne, auch bekannt als Sushi-Domäne, basiert auf der Bildung von drei β-Strängen mit Wasserstoffbrücken auf einer Seite und zwei separaten β-Strängen auf der anderen, was letztendlich eine β-Sandwich-Anordnung bildet. Die EGF-ähnliche Domäne ist in der Evolution hochgradig konserviert. Es gibt sechs Cysteinreste, die drei Disulfidbindungen bilden. Die Gesamtstruktur ist ein β-Faltblatt, gefolgt von einer kurzen Schleife.

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

Katalytischer Mechanismus

TPO katalysiert zwei wichtige Reaktionen in der Biosynthese von Schilddrüsenhormonen: die Iodierung von Tyrosinresten in Thyreoglobulin (Tg) und die Kopplung von Iodotyrosinen zur Bildung der Schilddrüsenhormone T3 und T4. Dieser Prozess hängt von der kovalenten Kombination der Hämegruppe und des TPO ab. Thionamide wie Propylthiouracil (PTU) und Methimazol (MMI) sind die am häufigsten verwendeten Medikamente zur Behandlung von Hyperthyreose. Diese Medikamente dienen als vorrangiges Substrat für TPO und werden von TPO iodiert. In der Schilddrüse wird Iodid (I-) von TPO in Gegenwart von Wasserstoffperoxid oxidiert und anschließend in den Tyrosinrest von Tg eingebaut. TPO vermittelt auch die Kopplung von monomerem oder diiodotyrosin zu T3 und T4.

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

Anwendung

TPO ist das Hauptenzym, das für die Synthese der Schilddrüsenhormone Triiodthyronin (T3) und Thyroxin (T4) verantwortlich ist. TPO ist ein wichtiges Autoantigen und ein Schlüsselantigenziel für Autoantikörper (aAbs) bei AITD. Bei AITD werden viele Schilddrüsen-spezifische Autoantigen-Toleranzen und die Bildung von Autoantikörperantworten gebrochen. Anti-TPO-Autoantikörper sind häufig in aktiver Form bei AITD-Patienten vorhanden. Die Hashimoto-Thyreoiditis ist ein typisches Beispiel für AITD, deren Immunantwort gegen die Schilddrüse gerichtet ist, was zu einer vollständigen Zerstörung der Schilddrüse und einer reduzierten Synthese der Schilddrüsenhormone T3 und T4 führt. Die Schilddrüsenhormone T3 und T4 beeinflussen die meisten Körpersysteme und verursachen schwere Krankheitssymptome vom Nervensystem bis zu physischen Manifestationen, einschließlich Bluthochdruck, Krampfanfällen, Muskeldegeneration und Diabetes. Das Vorhandensein von hochgradigen Autoantikörpern gegen TPO ist ein Kennzeichen der Krankheit und wird häufig als diagnostischer Indikator der Krankheit verwendet.

Bei der Reifung von TPO wird das N-terminale Signalpeptid abgespalten. Um die Qualität der TPO-Präparation zu verbessern, wurde TPO-cDNA, die das N-terminale Signalpeptid nicht enthält, verwendet und stabil in der Zelllinie chinesischer Hamster-Ovarien (CHO) exprimiert. Studien haben gezeigt, dass TPO ohne N-terminales Signalpeptid die gleiche Funktion und Immunogenität wie das vollständige TPO hat. Gleichzeitig entwarfen die Forscher auch andere TPO-cDNA-Vektoren, die eine große Menge an löslichem TPO mit hohen biochemischen und antigenen Eigenschaften in einem auf Säugetierzellen basierenden Protein-Expressionssystem erhalten können. Darüber hinaus fügten die Autoren eine Leucin-Zipper-Dimerisierungsdomäne am C-Terminus hinzu, um das TPO-Dimer zu stabilisieren, und das rekombinante TPO existiert sowohl in monomerer als auch in dimerer Form, wobei der Autoantikörper Fab, der vom Patienten stammt, bevorzugt an das monomere TPO bindet.

Literaturverzeichnis

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.