Eine Suche nach Wirbeltierpeptiden mit einer D-Aminosäure

In vielzelligen Organismen werden viele lebensnotwendige Funktionen von Peptiden vermittelt. Einige dieser Peptide enthalten eine D-Aminosäure an einer definierten Stelle. In allen Wirbeltieren, und auch einigen Wirbellosen, ist das bis heute der zweite Rest des reifen Peptidproduktes, während sie in Wirbellosen auch an anderen Stellen gefunden wurde. Die Peptide aus Wirbeltieren umfassen Dermorphine und Deltorphine, die Peptidantibiotika Bombinin H aus Froschhaut, sowie ein C-typ natriuretisches Peptid (CNP) und beta-defensin- ähnliches Peptid (DLP) aus dem Gift des männlichen Schnabeltieres, eines primitiven Säugetieres. Im Fall der Opioidpeptide sind die gesamt L-Formen inaktiv, während zwischen den Diastereomeren von Bombinin H subtile Unterschiede in der Aktivität und den physiko-chemischen Eigenschaften beobachtet wurden. Aus den Hautabsonderungen von Bombinae wurde ein Enzym gereinigt, das die posttranslationale Umkehrung der Stereochemie der entsprechenden L-Aminosäure der Vorstufe katalysiert. Diese L/D-Isomerase wirkt ausschließlich auf den zweiten Rest des Substrates. Gene, die diesem Enzym aus der Froschhaut verwandte Polypeptide kodieren, findet man bei vielen Wirbeltieren und auch dem Menschen, was die Vorstellung unterstützt, daß es diastereomere Peptide auch in höheren Säugern geben könnte. Ein ausführliches Studium der Substratspezifität der Froschisomerase und eine nachfolgende Datenbanksuche führte zur Identifikation möglicher Substrate, die Hormone, antimikrobielle Peptide, usw., umfassen, von denen es auch eine diastereomere Form geben könnte. Aufbauend auf diesen Ergebnissen konzentriert sich das vorgeschlagene Projekt hauptsächlich auf die Fragen, ob 1) die diastereomere Form einiger ausgewählter Peptide in Tiergeweben gefunden und so die D- Aminosäure direkt nachgewiesen werden kann, und 2) die Aktivität und/oder die physiko-chemischen Eigenschaften der Peptide durch die Stereoinversion moduliert werden. Im speziellen könnte die D-Aminosäure Rezeptorwechselwirkung, Faltungsneigung oder den Umsatz der Peptide entscheidend beeinflussen und so weitreichende Konsequenzen auf ihre biologische Funktion haben.

Es ist eine wohlbekannte Tatsache, dass die Moleküle des Lebens meist homochiral sind, das heißt, dass von zwei möglichen chiralen (Bild oder Spiegelbild) molekularen Strukturen, nur eine in der Natur realisiert wird. Peptide und Proteine bestehen beispielsweise aus L-Aminosäuren. Es sind jedoch einige Ausnahmen bekannt, in denen diese Regel gebrochen und an einer definierten Position eine D-Aminosäure eingebaut wird. Diese Ausnahmen könnten nur die sprichwörtliche Spitze des Eisbergs repräsentieren, da die Analysen von D-Aminosäuren aus einer Reihe von technischen Gründen schwierig ist und die Routineverfahren, die üblicherweise in Peptidomik und Proteomik angewandt werden, die Anwesenheit eines D-Restes in einem Polypeptid nicht erfassen können. In einer massenspektrometrischen (MS) Analyse sind beispielsweise die gefundenen Massen für alle Stereoisomere gleich. Es gibt jedoch feine Unterschiede zwischen den Spektren. Basierend auf dieser Tatsache haben wir eine Technik entwickelt, durch die mittels eines Fingerabdrucks die Chiralität in kurzer Zeit und mit potentiell hohem Durchsatz bestimmt werden kann. Durch die Identifizierung des [D-Leu2] Isomers des vorhergesagten Peptidantibiotikums GH-2 in Hautabsonderungen der Unke Bombina orientalis haben wir die analytischen Möglichkeiten demonstriert. In der Zukunft könnte L/D-Analytik von Peptiden als simple rechnerische Erweiterung einer MS Routineanalyse möglich werden.Ferner untersuchten wir zwei Peptid-Antibiotika, die in der Natur möglicherweise eine D-Aminosäure in der zweiten Position enthalten könnten. Das erste war ein ungewöhnliches Peptid, aDrs, aus den Hautsekreten des Frosches Pachymedusa dacnicolor. Zuvor wurde gefunden, dass sich aDrs selbstständig zu potentiell funktionellen Nano-Fibrillen organisiert, einem sogenannten Amyloid. Hier fanden wir, dass ein chiraler Schalter vorhanden ist, der die 3D-Anordnung der Fibrillen zu Superstrukturen bestimmt. Das zweite näher untersuchte Peptid war LL-37, das zusammen mit einigen anderen Peptidantibiotika die erste Verteidigungslinie gegen Bakterien und andere Mikroorganismen im menschlichen Körper darstellt. Interessanterweise beobachteten wir eine ähnliche Selbstorganisation wie bei aDrs in Bezug auf Regulation und der Existenz eines chiralen Superstrukturschalters. Das Amyloid könnte eine funktionelle Rolle in der Immunabwehr in einer Art und Weise spielen, die durch die aktuellen Modelle für die Wirkungsweise von Peptidantibiotika nicht abgedeckt ist. Diese Ergebnisse werden zur Entwicklung neuer Antibiotika beitragen, die besser im Zusammenspiel mit der körpereigenen Abwehr wirken, könnten andererseits auch eine direkte funktionale Verbindung zur Entstehung von Amyloidosen oder bestimmten neurodegenerative Erkrankungen, wie die Parkinsonsche oder die Alzheimersche Krankheit, anzeigen.