HtrA-Proteine

HtrA1–4; Serinproteasen; Tight Junctions;  HtrA1; HtrA2; HtrA3; HtrA4; 

Die HtrA-Proteine (HtrA ist das Akronym für: High Temperature Requirement A) von Säugetieren bilden eine Familie evolutionär konservierter Serinproteasen, die aus vier Homologen (HtrA1–4) besteht, welche an zahlreichen zellulären Prozessen wie Wachstum, der Stressreaktion auf fehlgefaltete Proteine und dem programmierten Zelltod beteiligt sind (Wang Y et al. 2021).

Ein kennzeichnendes Merkmal der HtrAs ist das Vorhandensein einer Trypsin-ähnlichen Proteasedomäne in Kombination mit einer oder mehreren C -terminalen Domänen, die als PDZ bezeichnet werden (postsynaptisches Dichteprotein 95 kDa). PDZ ist ein Strukturmotiv, das in vielen Signalproteinen vorkommt und an Protein-Protein-Wechselwirkungen beteiligt ist. Die PDZ-Domäne in prokaryotischen HtrAs erleichtert die Substratbindung und reguliert die Oligomerbildung, die zelluläre Lokalisierung sowie die Proteaseaktivitäten (Clausen T et al. 2011).

Beim Menschen werden HtrA1, 2 und 3 in vielen Geweben in unterschiedlichen Konzentrationen exprimiert. Die Expression von HtrA4 ist jedoch weitgehend auf die Plazenta beschränkt, wobei das Protein während der Schwangerschaft in den mütterlichen Kreislauf freigesetzt wird. Diese begrenzte Expression unterscheidet HtrA4 von den anderen HtrAs.

Alle vier HtrAs sind aktive Proteasen. Ihre spezifischen zellulären und physiologischen Funktionen hängen vom Gewebetyp ab. Das Protein DegP (Degradation of Extracellular Proteins) das aus Escherichia coli gewonnen wurde ist das erste identifizierte HtrA, das als ATP-unabhängige Serinprotease mit Hitzeschock-induzierten proteolytischen Aktivitäten und einer Chaperon-Funktion (Chang, Z 2016). Im Allgemeinen spielen HtrAs eine Schlüsselrolle bei der Proteinqualitätskontrolle, indem sie stark fehlgefaltete/ beschädigte Proteine erkennen und sie dem Abbau zuführen; viele, jedoch nicht alle, fungieren zudem als Chaperone. Die Chaperon-Aktivität von HtrA/DegP beinhaltet die Oligomerisierung zu Multimeren, wodurch eine käfigartige Struktur entsteht, die das Verpacken und die Internalisierung fehlgefalteter Proteine erleichtert, um diese zwischen den Wegen der Rückfaltung und des Abbaus aufzuteilen (Wang Y et al. 2021). Bis heute wurden über 180 HtrAs in prokaryotischen und eukaryotischen Organismen gefunden (Wilken C et al. 2004).

Wesentliche molekulare Merkmale: HTRA1 wurde ursprünglich als ein Gen identifiziert, das in SV-40-transformierten Fibroblasten herunterreguliert ist. Das Gen befindet sich auf Chromosom 10q26.13, besteht aus 9 Exons und kodiert ein Polypeptid aus 480 Aminosäuren. Obwohl es vorwiegend als sekretorisches Protein angesehen, wurde HtrA1 aufgrund von Spaltungsprozessen im Zytoplasma und im Zellkern einiger Gewebe nachgewiesen. Das HTRA2-Gen befindet sich auf Chromosom 4p16.1 und umfasst 10 Exons, die alternativ gespleißt werden können, um zwei Proteinisoformen zu erzeugen – HtrA3L und HtrA3S. HtrA4 wurde erstmals als eine mit der Schwangerschaft assoziierte Serinprotease identifiziert; das Gen befindet sich auf Chromosom 8p11.22 und umfasst 9 Exons, die ein Protein mit 476 Aminosäuren und einer Größe von etwa 50 kDa kodieren.

Eine Dysregulation der HtrAs wird mit vielen menschlichen Erkrankungen in Verbindung gebracht, darunter Krebs, Arthritis, neurodegenerative Erkrankungen und Fortpflanzungsstörungen. HtrA4 wurde bislang in keiner Primärtumorprobe nachgewiesen wurde, was darauf hindeutet, dass eine Beteiligung dieses HtrA am Tumorwachstum unwahrscheinlich ist.

Prokaryotische HtrAs spielen eine wesentliche Rolle bei der bakteriellen Virulenz und beim Überleben unter zellulärem oder umweltbedingtem Stress. Bei Säugetieren wurden vier HtrA-Homologe (HtrA1–4) wurden bei vielen Arten identifiziert, und sie sind an verschiedenen zellulären Prozessen beteiligt, wie Zellwachstum, Stressreaktion bei fehlgefalteten Proteinen, programmiertem Zelltod und Alterung (Zurawa-Janicka D et al. 2017). Eine Dysregulation von HtrAs wird mit verschiedenen pathologischen Prozessen in Verbindung gebracht, wie Krebs, neurodegenerativen Erkrankungen, arthritischen Erkrankungen und Fortpflanzungsstörungen (Zurawa-Janicka D et al. 2017).

Domänenarchitektur: Alle vier menschlichen HtrAs enthalten das charakteristische Motiv eines HtrA, eine Chymotrypsin-ähnliche Serinproteasedomäne und eine C-terminale PDZ-Domäne ( Singh H et al. 2014).  Während die N-terminale Region von HtrA1, HtrA3 und HtrA4 ein mutmaßliches Signalpeptid, eine Insulin-ähnliche Wachstumsfaktor-bindende Protein (IGFBP)-Domäne sowie eine Kazal-Protease-Inhibitor-Domäne, ist diejenige von HtrA2 völlig anders und umfasst ein transientes Peptid sowie eine Transmembrandomäne. Abweichungen von der oben beschriebenen grundlegenden Domänenorganisation, die auf alternatives mRNA-Spleißen oder posttranslationale Modifikationen zurückzuführen sind, wurden für HtrA1, 2 und 3 berichtet oder vermutet.

Gewebeverteilung: Die vier HtrAs weisen im menschlichen Körper eine charakteristische Gewebeexpression auf. HTRA1 ist weit verbreitet, wobei die höchsten Konzentrationen in der Plazenta nachgewiesen wurden, was darauf hindeutet, dass es eine wichtige Rolle bei der Entwicklung und Funktion der Plazenta spielen könnte. Die Expression von HTRA2 hingegen ist ubiquitär und über viele Organe hinweg relativ gleichmäßig. Wie HTRA1 ist auch HTRA3 weit verbreitet, wobei hohe Konzentrationen im Herzen, in der glatten Muskulatur, in der Brust und in der sich entwickelnden Plazenta nachgewiesen wurden (Nie G et al. 2006). Im Gegensatz dazu wird HTRA4 beim Menschen nur in der Plazenta in nennenswertem Umfang exprimiert.

Funktion, Regulation und potenzielle Substrate menschlicher HtrAs sowie deren Beteiligung an verschiedenen Erkrankungen

Die Proteasen der HtrA-Familie fungieren als essentielle zelluläre Regulatoren, die an vielen Prozessen beteiligt sind, darunter Zelltod, Modulation von ECM-Proteinen, mitochondriale Homöostase und Trophoblasteninvasion. Ihre abnorme Expression erhebliche Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit und die Entstehung verschiedener Erkrankungen haben, wie beispielsweise Krebs, Alzheimer, AMD und Präeklampsie. HtrA4 spielt wahrscheinlich eine wichtige Rolle bei der Plazentaentwicklung. Andererseits kann eine übermäßige Produktion von HtrA4 die Plazenta und das mütterliche Endothel beeinträchtigen und zu Schwangerschaftskomplikationen wie Präeklampsie beitragen.

• HtrA1: HtrA1 wurde mit einer Vielzahl von pathologischen Zuständen in Verbindung gebracht, darunter Krebs, altersbedingte Makuladegeneration (AMD) und Präeklampsie (Tiaden AN et al. 2013). Bis heute wurden zahlreiche physiologische Substrate von HtrA1 identifiziert, was darauf hindeutet, dass HtrA1 in verschiedenen Geweben ein breites Spektrum an biologischen Funktionen erfüllt. Folglich wurde eine abnorme HtrA1-Aktivität mit verschiedenen menschlichen Erkrankungen in Verbindung gebracht. So ist HtrA1 beispielsweise bei verschiedenen Erkrankungen des Bewegungsapparats hochreguliert, was mit einer erhöhten Fragmentierung mehrerer Proteine der extrazellulären Matrix (ECM) einhergeht, die als bekannte Zielmoleküle von HtrA1 gelten, darunter Fibronektin, Typ-II-Kollagen und Decorin (Tiaden AN et al. 2013). Andererseits wird ein verringerter HtrA1-Spiegel mit einer Dysregulation der TGF-β-Signalübertragung bei zerebralen Kleingefäßerkrankungen in Verbindung gebracht, was zu einem früh Schlaganfällen und Demenz führen kann. Bei der erblichen Erkrankung „zerebrale autosomal-rezessive Arteriopathie mit subkortikalen Infarkten und Leukoenzephalopathie“ (CARASIL) wurden Mutationen im HTRA1-Gen identifiziert, die zum Verlust des HtrA1-Proteins oder zu verminderten Proteaseaktivitäten führen. HTRA1 ist in vielen Krebsarten weit verbreitet. Die höchsten Konzentrationen werden bei Gliomen, Brust- und Bauchspeicheldrüsenkrebs festgestellt. HTRA1 ist bei Krebserkrankungen weitgehend herunterreguliert. Im Allgemeinen ist eine verminderte Expression von HtrA1 und in einigen Fällen ein vollständiges Fehlen von HtrA1 mit einer schlechten Prognose bei vielen Krebsarten wie Eierstockkrebs, metastasiertem Melanom, Brustkrebs, Prostata- und Lungentumoren assoziiert (Wang Y et al. 2021). Es wird vermutet, dass HtrA1 als Tumorsuppressor fungiert und den Zelltod fördert; Studien mit metastasierenden Melanomzellen zeigen, dass eine Überexpression von HtrA1 die Zellproliferation in vitro hemmt und das Tumorwachstum in vivo verhindert (Baldi A et al. 2002).Die Wirkmechanismen von HtrA1 bei der Förderung der Apoptose sind jedoch noch nicht vollständig geklärt. Es wurde gezeigt, dass Krebsmedikamente wie Cisplatin und Paclitaxel HtrA1 hochregulieren, das eine autokatalytische Aktivierung durchläuft, um den programmierten Zelltod einzuleiten. Da Krebspatienten, die geringe Mengen an HtrA1 exprimieren, auf einige Chemotherapeutika schlechter ansprechen, wird vermutet, dass HtrA1 als potenziell nützlicher Biomarker bei der Auswahl von Chemotherapien dienen könnte (Chien Jet al. 2006).
• HtrA2: Während HtrA1, 3 und 4 allesamt sekretierte Proteine sind, befindet sich der Vorläufer von HtrA2 im mitochondrialen und dient der Proteinqualitätskontrolle zur Aufrechterhaltung der mitochondrialen Homöostase unter normalen physiologischen Bedingungen. Der Verlust von HtrA2 bei Mäusen führt zu einer Anhäufung von fehlgefalteten Proteinen in den Mitochondrien, einer gestörten mitochondrialen Atmung, erhöhten Konzentrationen reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) und zum Absterben von Nervenzellen. Bei Patienten mit Parkinson-Krankheit wurden mehrere Punktmutationen innerhalb der PDZ-Domäne des HTRA2-Gens identifiziert, und es wurde in vitro nachgewiesen, dass diese Mutationen zu einer Inaktivierung von HtrA2 und einer mitochondrialen Dysfunktion führen (Bogaerts V et al. 2008). Unter Stressbedingungen kann HtrA2 von einem überlebensfördernden Faktor zu einem proapoptotischen Akteur wechseln, um den Zelltod zu fördern. Cisplatin, ein häufig zur Behandlung verschiedener solider Tumoren eingesetztes Chemotherapeutikum, reguliert HtrA2 nachweislich dosisabhängig in menschlichen Nierenzellen hoch. HTRA2 wird ebenfalls bei vielen Krebsarten häufig nachgewiesen; seine Regulation variiert jedoch je nach Tumorart. Die HtrA2-mRNA als auch das Protein ist bei epithelialem Ovarialkarzinom in Korrelation zum Stadium der Krebsprogression signifikant erhöht. Darüber hinaus reagieren Eierstockkrebszellen mit höheren HtrA2-Konzentrationen empfindlicher auf Cisplatin, und die Herunterregulierung von HTRA2 in diesen Zellen erhöht die Cisplatin-Resistenz drastisch und steigert die Zellinvasivität. Ein ähnliches Muster der HtrA2-Expression wurde für Prostatakrebs und Magentumoren (Lee SH et al. 2003). Es wird auch berichtet, dass HtrA2 in malignen Brusttumoren mit zunehmendem Tumorstadium und Schweregrad reduziert ist.
• HtrA3: Für HtrA3 existieren 2 Isoformen. Beide sind proteolytisch aktiv und können entweder als Proteasen oder als Chaperone fungieren. Beide Isoformen können mit Zytoskelettproteinen wie Aktin, β-Tubulin, Vimentin und dem Chaperonin TCP1 interagieren, die für die Faltung von Aktin und Tubulin wichtig sind. Während beide HtrA3-Isoformen diese Proteine spalten und in vitro als Chaperone fungieren können, weist HtrA3S effizientere proteolytische Aktivitäten auf, während HtrA3L das effizienteste HtrA-Protein bei der Förderung der Tubulinpolymerisation. Somit könnten die beiden HtrA3-Isoformen unterschiedliche Rollen einnehmen und je nach Gewebetyp entweder als Proteasen oder als Chaperone fungieren. Die Behandlung von Lungenkrebszellen mit den Chemotherapeutika Etoposid und Cisplatin führt zur Autoproteolyse von HtrA3. Es wird berichtet, dass beide HtrA3-Isoformen an das X-chromosomale Apoptose-Inhibitor-Protein (XIAP) binden und dieses spalten können, wodurch dessen zelluläre Konzentrationen in Lungenkrebszellen bei Behandlung mit Etoposid signifikant reduziert werden, was auf einen möglichen Wirkmechanismus von HtrA3 bei der Förderung des Zelltods von Krebszellen nach einer Chemotherapie hindeutet (WentaT et al. 2019). HTRA3 wird ebenfalls in den meisten Tumoren mit Ausnahme von Leberkrebs nachgewiesen. Bauchspeicheldrüsenkrebs weist im Vergleich zu anderen Tumoren die höchste HTRA3-Expression auf. Eine Dysregulation von HTRA3 wurde ebenfalls mit vielen bösartigen Tumoren in Verbindung gebracht. Funktionell wird HtrA3 als Tumorsuppressor gesehen (Glaza P et al. 2015).Wie bei HtrA2 ist die HTRA3-Expression bei Krebserkrankungen je nach Tumortyp unterschiedlich.
• HtrA4: Eine nennenswerte HTRA4-Expression findet physiologisch nur in der menschlichen Plazenta statt. Weiterhin wird es in einer Trophoblastenzelllinie aus dem Chorionkarzinom) nachgewiesen. Es wurde gezeigt, dass HtrA4 das ECM-Protein Fibronektin in vitro spaltet, was darauf hindeutet, dass es die Zellinvasion erleichtern könnte, indem es die Interaktion zwischen Fibronektin und seinen Integrinrezeptoren unterbricht, die andernfalls die Trophoblasteninvasion behindern würde (Damsky, CH et al. 1994). Bislang gibt es keine Studien, die über die HTRA4-Expression in Primärtumorproben berichten. Dies stimmt mit der Tatsache überein, dass die HTRA4-Expression auf die Plazenta beschränkt ist.

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