Dipeptidylpeptidase 4

Das proteolytische Enzym Dipeptidylpeptidase 4 (Kurzformen: DPP 4, auch DPP IV, DP IV) wird den Exopeptidasen zugeordnet. Es ist ein Oberflächenprotein und spaltet am N-Terminus eines Peptides Dipeptide ab. DPP4 ist der Rezeptor für MERS-CoV.^[1]

Dipeptidylpeptidase 4
Bändermodell nach PDB 1PFQ
Vorhandene Strukturdaten: siehe UniProt P27487
Eigenschaften des menschlichen Proteins
Masse/Länge Primärstruktur	766 / 728 Aminosäuren
Sekundär- bis Quartärstruktur	löslich / single pass Typ 2 Membranprotein; Homodimer; Heterodimer
Bezeichner
Gen-Namen	DPP4 ; ADABP; ADCP2; CD26; DPPIV; TP103
Externe IDs	OMIM: 102720 UniProt P27487 MGI: 94919 CAS-Nummer: 54249-88-6
Enzymklassifikation
EC, Kategorie	3.4.14.5, Serinprotease
MEROPS	S09.003
Reaktionsart	Hydrolyse, spaltet Dipeptide vom N-terminalen Ende eines Peptides ab
Substrat	Oligopeptide und auch Polypeptide (bevorzugt Peptide mit Prolinresten in der P1-Position)
Produkte	kürzere Peptide + Dipeptide
Vorkommen
Homologie-Familie	Dipeptidylpeptidase 4
Übergeordnetes Taxon	Lebewesen
Orthologe
	Mensch	Hausmaus
Entrez	1803	13482
Ensembl	ENSG00000197635	ENSMUSG00000035000
UniProt	P27487	P28843
Refseq (mRNA)	NM_001935	NM_001159543
Refseq (Protein)	NP_001926	NP_001153015
Genlocus	Chr 2: 161.99 – 162.07 Mb	Chr 2: 62.33 – 62.41 Mb
PubMed-Suche	1803	13482

Historie

Das Enzym wurde erstmals 1966 von Hopsu-Havu und Glenner beschrieben und als Dipeptid-Naphthylamidase bezeichnet.^[2] Unabhängig davon wurde das Enzym 1974 von Horst Schulz und Alfred Barth wiederentdeckt und im Ergebnis diverser Untersuchungen zum Chemismus als Dipeptidylpeptidase IV [DP IV] bezeichnet.^[3]

Wirkungen

Die Abspaltung der Dipeptide findet bevorzugt statt, wenn sich an zweiter Stelle der Aminosäuresequenz ein Prolin- oder Alaninrest befindet. Wenn an dritter Stelle der Aminosäuresequenz ein Prolinrest steht, wird das Peptid jedoch nicht angegriffen. Jaron (Israel) stellte eine Reihe biologisch aktiver Peptide vor, die als potentielle Substrate der DP IV fungieren können.^[4] Sie alle haben die N-terminale Sequenz AS-Pro-…. Einige dieser Substanzen wurden experimentell geprüft und sie konnten als Substrate der Dipeptidylpeptidase 4 bestätigt werden. Dabei stellte sich heraus, dass deren katalytische Hydrolyse (Spaltung) ihre biologische Wirkung aufhebt, mindert oder verstärkt oder dass sich eine biologische Wirkung aus einem inaktiven Präkursor ausbildet oder dass keine Spaltung durch DP IV erfolgt. Dazu einige Beispiele:

GLP-1

Das intestinale Peptidhormon GLP-1(7-39) wird durch die DP IV inaktiviert. Das Abbauprodukt GLP-1(9-39) wirkt als funktioneller GLP-1-Rezeptor-Antagonist.

GIP

Auch das zweite Inkretin des menschlichen Körpers, Glukoseabhängiges insulinotropes Peptid (GIP), wird durch die DP IV gespalten und inaktiviert.^[5]

PYY

Gegensätzlich zu GLP-1 wird Peptid YY durch die DP IV aktiviert. Erst durch die hydrolytische Abspaltung eines Dipeptids vom Prohormon entsteht das bioaktive PYY.

Casomorphine

Die Casomorphine sind kurzkettige Peptide, die erstmals aus dem β-Casein der Kuhmilch gewonnen wurden (Henschen, Brantl und Teschemacher, Max-Planck-Institute Martinsried und München). Sie sind in der Sequenz des Proteins enthalten und können aus ihm isoliert werden. Es handelt sich bei den Rinder-Casomorphinen um ein Heptapeptid und ein Pentapeptid. Beide Verbindungen haben physiologisch eine opioide Aktivität (etwa 4 % der des Morphins). Das Pentapeptid entsteht aus dem Heptapeptid durch C-terminale Sequenzverkürzung mittels Carboxypeptidase Y. β-Casomorphin-5 wird durch Dipeptidylpeptidase 4 weiterhin schrittweise abgebaut und dabei inaktiviert:^[6]

β-Casomorphin-5: Tyr-Pro-Phe-Pro-Gly

Einige Abkömmlinge des β-Casomorphin-5 zeigen eine höhere opioide Aktivität im Vergleich zu Morphin (icv-appliziert). Bei den Des-Tyr-Derivaten dieser Verbindungen ist keine opioide Wirksamkeit mehr vorhanden, an ihrer Stelle tritt aber eine neuroleptische Aktivität in den Vordergrund.

Substanz P

Die physiologisch aktive Substanz P wird durch DP IV limitierend hydrolysiert. Dabei kommt es zu einer messbaren Aktivitätserhöhung.^[7]

Substanz P: Arg-Pro-Lys-Pro-Gln-Gln-Phe-Phe-Gly-Leu-Met-NH₂

BNP

Brain natriuretic Peptide (BNP) wird ebenfalls durch DP IV gespalten.^[8] Hieraus könnten kardiovaskuläre Nebenwirkungen von DPP4-Hemmern resultieren.

Melittin

Sehr interessant sind Arbeiten der Gruppe um Kreil aus Salzburg, das Gift der Honigbiene betreffend. Aus einem Vorläuferpeptid (Promelittin) wird durch Dipeptidylpeptidase 4 das Bienengift Melittin freigesetzt, indem Schritt für Schritt 10 Dipeptide der Sequenz AS-Pro und AS-Ala abgespalten werden:^[9]

Promelittin: Ala-Pro-Glu-Pro-Glu-Pro-Ala-Pro-Glu-Pro-Glu-Ala-Glu-Ala-Asp-Ala-Glu-Ala-Asp-Pro-Glu-Ala-Melittin

Bradykinin

Bradykinin ist trotz der N-terminalen Arg-Pro-Sequenz nicht durch DP IV hydrolysierbar, da in AS₃-Position ein Pro steht.^[10]

Bradykinin: Arg-Pro-Pro-Gly-Phe-Ser-Pro-Phe-Arg

Inhibitoren

Allgemeine Strukturformel der β-Aminoacylamide.

Strukturformel von Sitagliptin.

Durch Hemmung der katalytischen Aktivität der Dipeptidylpeptidase 4 ist es möglich, die Wirkung dieses Enzyms auszuschalten. Dies führt zur Forderung nach der Entwicklung effektiver und spezifischer Inhibitoren der Dipeptidylpeptidase 4. Grundsätzlich sind die Spaltprodukte der Enzymwirkung potentielle Enzymhemmer, insbesondere die Verbindungen AS-Pro. Effektiver sind die decarboxylierten Derivate, also die AS-Pyrrolidide. Kürzlich sind die β-Aminoacylamide interessant geworden. Insbesondere Sitagliptin wurde im Oktober 2006 in den USA als Wirkstoff gegen Diabetes Typ II zugelassen, und als Arzneistoff unter dem Handelsnamen Januvia vertrieben. Das Hormon Glucagon-like Peptid 1 (GLP-1) regt die Freisetzung des Insulins an. Des Weiteren blockiert es die Freisetzung des Hormons Glukagon, welches im Glucosestoffwechsel zur Erhöhung des Glucosespiegels im Blut führt. Dipeptidylpeptidase 4 baut GLP-1 ab. Inhibitoren der DP IV verhindern diesen Abbau und bewirken damit die Förderung der Insulinfreisetzung indirekt, ebenso wie die reduzierte Bildung von Glucose auf dem Weg der Gluconeogenese. Da dieser Mechanismus im Darm abläuft, ist eine orale Applikation möglich.

Studien zeigten, dass die Substanz εZ(4-NO₂)-Lys-Pro eine die Wundheilung fördernde Wirkung besitzt, verbunden mit einer Stimulation der Bildung von Granulationsgewebe. Die Verbindung εZ(4-NO₂)-Lys-Pro ist ein Dipeptidylpeptidase-4-Inhibitor. Ein kausaler Zusammenhang zwischen wundheilungsfördernder Wirksamkeit und der DP IV-Hemmung führt zu der Schlussfolgerung: Die differenten kurativen Effekte werden zwar durch identische Rezeptoren (DP IV) ausgelöst, sie sind jedoch eine Folge unterschiedlicher Applikationsorte (bei den DP IV–Hemmern als Pharmaka gegen Diabetes Typ 2 erfolgt eine orale Anwendung in Tablettenform über den Darm. Im Gegensatz dazu wird bei der Wundheilung der Applikationsort durch die zu behandelnde Wunde bestimmt.).^[11]

2010 veröffentlichte Untersuchungen zeigten, dass die CD26 (DP IV-Protein) nicht unbedingt direkt mit der HIV-Infektion verknüpft ist, aber sie ist an der Reduktion der Immunantwort bei der AIDS-Krankheit beteiligt.^[12] Im Jahre 2012 wurde berichtet, dass die CD26/DP4 im Mausmodell eine mit hoher Wahrscheinlichkeit schützende Funktion bei Atemwegsentzündungen (z. B. allergisches Asthma) hat.^[13]

PETIR (Peptidase Target Immune Regulation) ist eine Forschungsplattform zur Entwicklung von Therapeutika für die Behandlung von chronischen Entzündungen, Allergien und Autoimmunerkrankungen. PETIR-Therapeutika sind Strukturen, die die Eigenschaften der Hemmung der beiden Zielenzyme Dipeptidylpeptidase IV und Aminopeptidase N in einer einzigen niedermolekularen chemischen Verbindung vereinen.^[14] Durch Hemmung der Zielenzyme wird eine hocheffektive Verringerung der allgemeinen inflammatorischen Reaktion initiiert, die auf der gleichzeitigen Senkung des Aktivierungszustandes chronisch aktivierter Immunzellen und der parallelen Reaktivierung der immunsuppressiven regulatorischer T-Zellen beruht. Entsprechende Therapeutika werden für die lokale Therapie mittelschwerer und schwerer Formen der Acne vulgaris entwickelt. Das Präparat IP10.C8 beeinflusst sowohl Wachstum und Differenzierung von Sebozyten als auch Keratinocyten und ist ein sehr potenter Hemmer der lokalen Entzündungsreaktion. Darüber hinaus wirkt die Substanz gegenüber Propionibacterium acnes bakteriostatisch und stellt durch den parallelen Angriff dieser Hauptpathogenitätsfaktoren eine Alternative zu den derzeitigen Behandlungsmöglichkeiten der Akne dar.

Studien zeigen, dass Erkrankungen wie Alzheimer, Arteriosklerose, und MS im Stoffwechsel Schlüsselenzyme besitzen, nämlich die Glutaminyl-Cyclase (QC) und die iso-Glutaminyl-Cyclase (isoQC), diese verhindern durch einen Pyroglutamat-Ringschluss die katalysierte Abspaltung der N-terminalen Glutaminsäure durch Aminopeptidasen bzw. die Eliminierung des Dipeptids Glu-Pro aus den Substraten durch Dipeptidylpeptidase IV.^[15]

Wesentliche Rollen der DP IV

• Inhibitoren der DP IV sind Arzneimittel gegen Diabetes Typ 2
• Inhibitoren der DP IV fördern die Wundheilung
• Die DP IV ist an der Immunschwäche bei AIDS beteiligt
• Bifunktionelle Inhibitoren sind Entzündungshemmer und Pharmaka gegen Akne
• Die DP IV ist am Mechanismus bei der Alzheimer-Krankheit, Arteriosklerose und Multipler Sklerose beteiligt
• Die DP IV besitzt eine schützende Funktion gegenüber Atemwegsentzündungen (allergisches Asthma)

Literatur (Auswahl)

• Küllertz G, Fischer G, Barth A: [Catalytic mechanism of dipeptidyl-peptidase IV]. In: Acta Biol. Med. Ger. 37. Jahrgang, Nr. 4, 1978, S. 559–67, PMID 735626.
• Barth, A., Neubert, K., Schwarz, G., Fischer, G., Dove, S., Franke, R: Enzymatic Hydrolyses of Alanyl-alanine-anilides by Dipeptidyl Peptidase IV. In: Seydel, J. K. (Hrsg.): QSAR and Strategies in the Design of Bioactive Compounds. Proceedings of the 5th European Symposium on QSAR. Verlag Chemie, Weinheim 1985, ISBN 3-527-26306-3, S. 318–21.

Siehe auch

• Chemismus der Dipeptidylpeptidase 4

Einzelnachweise

1. E. Prompetchara, C. Ketloy, T. Palaga: Immune responses in COVID-19 and potential vaccines: Lessons learned from SARS and MERS epidemic. In: Asian Pacific journal of allergy and immunology. [elektronische Veröffentlichung vor dem Druck] 02 2020, doi:10.12932/AP-200220-0772, PMID 32105090.
2. Väinö K. Hopsu-Havu, George G. Glenner: A new dipeptide naphthylamidase hydrolyzing glycyl-prolyl-β-naphthylamide. In: Histochemie. Band 7, Nr. 3, 1966, S. 197–201, doi:10.1007/BF00577838.
3. Alfred Barth, Horst Schulz, Klaus Neubert: Untersuchungen zur Reinigung und Charakterisierung der Dipeptidylaminopeptidase IV. In: Acta biologica et medica Germanica. Band 32, 1974, S. 157–174.
4. Jaron: Biopolymers 26, 215, 1987.
5. C. F. Deacon, P. Danielsen, L. Klarskov, M. Olesen, J. J. Holst: Dipeptidyl peptidase IV inhibition reduces the degradation and clearance of GIP and potentiates its insulinotropic and antihyperglycemic effects in anesthetized pigs. In: Diabetes. Band 50, Nr. 7, Juli 2001, S. 1588–1597, doi:10.2337/diabetes.50.7.1588, PMID 11423480.
6. B. Hartrodt, K. Neubert, G. Fischer, H. Schulz, A. Barth: Synthese und enzymatischer Abbau von β-Casomorphin-5. In: Die Pharmazie. Band 37, Nr. 3, März 1982, S. 165–169, PMID 7100234.
7. Eberhard Heymann, Rolf Mentlein: Liver dipeptidyl aminopeptidase IV hydrolyzes substance P. In: FEBS Letters. Band 91, Nr. 2, 15. Juli 1978, S. 360–364, doi:10.1016/0014-5793(78)81210-1.
8. Inger Brandt, Anne-Marie Lambeir, Jean-Marie Ketelslegers, Marc Vanderheyden, Simon Scharpé, Ingrid De Meester: Dipeptidyl-Peptidase IV Converts Intact B-Type Natriuretic Peptide into Its des-SerPro Form. In: Clinical Chemistry. Band 52, Nr. 1, 1. Januar 2006, S. 82–87, doi:10.1373/clinchem.2005.057638.
9. G. Kreil, L. Haiml, G. Suchanek: Stepwise cleavage of the pro part of promelittin by dipeptidylpeptidase IV. Evidence for a new type of precursor--product conversion. In: European Journal of Biochemistry. Band 111, Nr. 1, Oktober 1980, S. 49–58, doi:10.1111/j.1432-1033.1980.tb06073.x, PMID 7002560.
10. T. Kato, T. Nagatsu, K. Fukasawa, M. Harada, I. Nagatsu, S. Sakakibara: Successive cleavage of N-terminal Arg¹-Pro² and Lys³-Pro⁴ from substance P but no release of Arg¹-Pro² from bradykinin, by X-Pro dipeptidyl-aminopeptidase. In: Biochim. Biophys. Acta. Band 525, Nr. 2, August 1978, S. 417–422, doi:10.1016/0005-2744(78)90237-1.
11. Patent DD248961: Process for manufacturing preparations promoting wound healing, and such preparations.. Angemeldet am 22. Mai 1984, veröffentlicht am 26. August 1987, Anmelder: Jentzsch, K. D., Buntrock, P., Oehme, P., Kuhl, A., Neubert, K., Erfinder: Akademie der Wissenschaften der DDR.
12. Felista L Tansi, Véronique Blanchard, Markus Berger, Rudolf Tauber, Werner Reutter, Hua Fan: Interaction of human dipeptidyl peptidase IV and human immunodeficiency virus type-1 transcription transactivator in Sf9 cells. In: Virology Journal. Band 7, Nr. 1, Dezember 2010, doi:10.1186/1743-422X-7-267.
13. S. Yan, R. Gessner u. a.: Enhanced ovalbumin-induced airway inflammation in CD26^−/− mice. In: European Journal of Immunology. Band 42, Nummer 2, Februar 2012, S. 533–540, doi:10.1002/eji.201041038. PMID 22101691.
14. Anorge u. a.: IMTM, neuartiges Wirkprinzip, div. Publikationen der Wirkung von bifunktionellen Inhibitoren bei Akne und als Entzündungshemmer.
15. Holger Cynis, Torsten Hoffmann et al.: The isoenzyme of glutaminyl cyclase is an important regulator of monocyte infiltration under inflammatory conditions. In: EMBO Molecular Medicine. Band 3, Nr. 9, September 2011, S. 545–558, doi:10.1002/emmm.201100158.