SPIN - Neues Design für humane Peroxidase Inhibitoren

Der menschliche Körper muss ständig eindringende Krankheitserreger, etwa Viren, Bakterien oder Parasiten abwehren. Dazu hat er unter anderem drei Peroxidasen (Myeloperoxidase, Eosinphile Peroxidase und Laktoperoxidase), die in der unspezifischen Immunantwort eine wichtige Rolle spielen und in diesem Projekt untersucht werden. Peroxidasen sind Enzyme, die durch Produktion von verschiedenen kleinen aktiven Stoffen (Radikale, Oxidationsmittel) die eingedrungenen Bakterien angreifen und abtöten. Befinden sich diese Peroxidasen im Blut oder in den Schleimhäuten werden allerdings auch menschliche Zellen angegriffen, da die produzierten Stoffe nicht zwischen Bakterien und menschlichen Zellen unterscheiden können. Das führt zu chronischen Enzündungen zum Beispiel der Lunge oder der Haut, Atherosklerose oder Herzkreislauferkrankung. Daher werden seit langem Medikamente gesucht, die als Inhibitoren Peroxidasen spezifisch blockieren und dadurch diese Entzündungen verhindern. Es ist nur logisch, dass sich auch Bakterien dem Angriff von Peroxidasen zu Wehr setzten, um zu überleben, allen voran das Bakterium Staphylococcus aureus. Staphylococcus aureus hat ein ganzes Arsenal an Proteinen und anderen Substanzen als biologische Schutzschilder entwickelt. Eines davon, genannt SPIN (Staphylococcal Protease Inhibitor) wurde erst kürzlich entdeckt und ist ein kleines Protein, das gezielt Myeloperoxidase erkennt, diese bindet und durch einen flexiblen Arm daran hindert, aktiv zu werden. Dieser von der Natur erfundene Inhibitor ist der ideale Ausgangspunkt, um bessere und spezifischere Inhibitoren für die Medizin zu entwickeln. Dafür muss jedoch der genaue Mechanismus der Interaktion zwischen SPIN und Myeloperoxidase aufgeklärt werden. In diesem Projekt soll der Zusammenhang zwischen der Struktur und der Funktionsweise des kürzlich identifizierten SPIN Proteins erforscht werden, um zu verstehen, wie es Myeloperoxidase erkennt und wie die Produktion von Radikalen und Oxidantien abgeblockt wird. Weiters werden SPIN Proteine aus anderen Staphylokokken untersucht. Die Ergebnisse werden als Grundlage für das Design von mehreren künstlichen SPIN Proteinen verwendet, die verbesserte Eigenschaften in Hinsicht auf Bindungsstärke und Blockierung der Produktion von Radikalen und Oxidantien haben. So sollen für jede Peroxidase spezifische SPIN Inhibitoren gefunden werden, die nur gegen diese aktiv sind.

Der menschliche Körper besitzt starke Abwehrsysteme gegen schädliche Bakterien und andere Mikroben. Dazu gehören die Hemenzyme Myeloperoxidase (MPO) und Eosinophil-Peroxidase (EPO). Zusammen mit dem verwandten Enzym Lactoperoxidase bilden sie einen wichtigen Teil des angeborenen Immunsystems, der ersten Verteidigungslinie des Körpers. Diese Enzyme erzeugen hochreaktive Verbindungen, die Krankheitserreger im Blut und in schützenden Körperflüssigkeiten abtöten oder schwächen können. Die Kehrseite: Dieselben Stoffe können auch körpereigenes Gewebe angreifen und Entzündungen fördern. Werden diese chronisch - etwa bei Arteriosklerose - entstehen schwere Gesundheitsprobleme, die in einer alternden Gesellschaft zunehmend belastend sind. Darum suchen Forschende nach Medikamenten, die schädliche Wirkungen von MPO und EPO blockieren, ohne ihre nützliche Funktion zu stören. Das ist schwierig, da beide Enzyme einander und anderen Familienmitgliedern sehr ähnlich sind. Unspezifische Hemmungen könnten lebenswichtige Prozesse beeinträchtigen und Nebenwirkungen auslösen. Sichere Hemmstoffe erfordern daher ein genaues Verständnis ihrer Unterschiede. Bis vor Kurzem gab es jedoch nur detaillierte Strukturdaten für MPO. In diesem Projekt gelang ein Durchbruch: Erstmals wurde die Kristallstruktur von menschlichem EPO entschlüsselt. Damit war ein direkter Vergleich mit MPO auf atomarer Ebene möglich. Es zeigten sich wichtige Unterschiede: die elektrische Ladung im Zugangskanal, die Beweglichkeit bestimmter Aminosäuren sowie Besonderheiten im katalytischen Zentrum. Diese Merkmale erklären, warum MPO und EPO chemisch unterschiedlich reagieren. Untersucht wurde auch ein kleines Protein namens SPIN, das vom Bakterium Staphylococcus aureus gebildet wird. SPIN blockiert gezielt MPO und hilft dem Bakterium so, der Immunabwehr zu entkommen. Es besitzt eine kompakte globuläre Domäne, die präzise Wasserstoffbrücken mit MPO bildet, und eine flexible N-terminale Schleife, die sich langsam in dessen aktives Zentrum einschiebt. Dieser Prozess, getrieben durch hydrophobe Effekte, schwächt die Hauptaktivität von MPO - die Bildung reaktiver Chlorverbindungen - deutlich, jedoch nie vollständig. Dank seiner zweigeteilten Struktur ist SPIN der erste wirklich spezifische MPO-Hemmer. Die gewonnenen Erkenntnisse eröffnen neue Wege, Medikamente zu entwickeln, die schädliche Peroxidase-Aktivitäten gezielt blockieren, ohne nützliche Immunfunktionen zu beeinträchtigen. Damit entsteht eine wichtige Grundlage für weitere Laborforschung und klinische Studien zur Bekämpfung chronischer Entzündungen und ihrer Folgen.