Zellpenetrierendes Peptid

mini|CPP mit a) doppelsträngiger DNA oder RNA, b) einzelsträngiger DNA oder RNA, c) Plasmid-DNA oder d) Proteinen

Ein zellpenetrierendes Peptid (engl. , CPP, oder , Transduktionsdomäne, PTD) bezeichnet ein Peptid, das Zellmembranen durchdringen (penetrieren) kann. Dadurch kann auch ein an das Peptid angehängtes Fusionsprotein, sowie kovalent oder nicht-kovalent mit dem zellpenetrierenden Peptid verbundene Nukleinsäuren oder Nanopartikel, in Zellen eingeschleust werden. Es wurden mit zellpenetrierenden Peptiden auch small molecules wie Zytostatika, Virustatika, Kontrastmittel oder auch Quantum Dots in Zellen gebracht.K. M. Stewart, K. L. Horton, S. O. Kelley: Cell-penetrating peptides as delivery vehicles for biology and medicine. In: Organic & biomolecular chemistry. Band 6, Nummer 13, Juli 2008, S. 2242–2255, . doi:10.1039/b719950c. PMID 18563254. (Review).

Diese Proteintransduktion wurde 1988 gleichzeitig von zwei Arbeitsgruppen entdeckt, als festgestellt wurde, dass das Tat-Protein des Humanen Immundefizienz-Virus (HIV) von verschiedenen Zelltypen in Zellkultur aufgenommen wurde.M. Kylie, D. A. Jans: Protein Transduction: Cell Penetrating Peptides and Their Therapeutic Applications. In: Current Medicinal Chemistry. Band 13(12), 2006, S. 1371–1387. Seitdem sind weitere Beispiele der CPP bekannt geworden.M. Okuyama, H. Laman u. a.: Small-molecule mimics of an alpha-helix for efficient transport of proteins into cells. In: Nature methods. Band 4, Nummer 2, Februar 2007, S. 153–159, . doi:10.1038/nmeth997. PMID 17220893. Auch bei polykationischen Proteinen, wie z. B. gegen DNA gerichtete AntikörperA. Avrameas, T. Ternynck u. a.: Polyreactive anti-DNA monoclonal antibodies and a derived peptide as vectors for the intracytoplasmic and intranuclear translocation of macromolecules. In: PNAS. Band 95, Nummer 10, Mai 1998, S. 5601–5606, . PMID 9576929. . oder HistoneE. Hariton-Gazal, J. Rosenbluh u. a.: Direct translocation of histone molecules across cell membranes. In: Journal of cell science. Band 116, Pt 22, November 2003, S. 4577–4586, . doi:10.1242/jcs.00757. PMID 14576351. konnte eine Aufnahme in Zellen gezeigt werden.

Mechanismus Die meisten zellpenetrierenden Peptide bestehen überwiegend aus basischen und unpolaren Aminosäuren, vor allem Lysin und Arginin, Tryptophan, Phenylalanin, Leucin und Isoleucin (polykationischer Typ). Die kationischen Aminosäuren binden an negativ geladene Rezeptoren auf der Zelloberfläche wie z. B. SialinsäurenA. Joliot, C. Pernelle u. a.: Antennapedia homeobox peptide regulates neural morphogenesis. In: PNAS. Band 88, Nummer 5, März 1991, S. 1864–1868, . PMID 1672046. . oder Heparansulfat,M. Tyagi, M. Rusnati u. a.: Internalization of HIV-1 tat requires cell surface heparan sulfate proteoglycans. In: The Journal of biological chemistry. Band 276, Nummer 5, Februar 2001, S. 3254–3261, . doi:10.1074/jbc.M006701200. PMID 11024024. während die unpolaren Aminosäuren eine Adsorption an die Lipide der Zellmembran vermitteln. Ein weiterer Typ besteht aus abwechselnd polaren und unpolaren Aminosäuren (amphipathischer Typ).

mini|Endozytosewege mini|Invertierte Micelle Zellpenetrierende Peptide haben unterschiedliche Sequenzen und es existieren drei Hypothesen, wie die Zellpenetration erfolgt:J. B. Opalinska, A. M. Gewirtz: Nucleic-acid therapeutics: basic principles and recent applications. In: Nature reviews. Drug discovery. Band 1, Nummer 7, Juli 2002, S. 503–514, . doi:10.1038/nrd837. PMID 12120257. (Review).F. Eckstein: The versatility of oligonucleotides as potential therapeutics. In: Expert Opinion on Biological Therapy. Band 7, Nummer 7, Juli 2007, S. 1021–1034, . doi:10.1517/14712598.7.7.1021. PMID 17665991. (Review).

über direkte Penetration der Zellmembran durch Porenbildung über hygroskopische Puffereffekte (engl. ), die nach Endozytose zu einem Anschwellen des Endosoms und Rissen in der Endosomenmembran führen. über Membraninsertion und Bildung invertierter Micellen

Teilweise wird die Bindung an Zellen und die Endozytose durch Bindung an Rezeptoren verstärkt, z. B. Chemokinrezeptoren,E. L. Snyder, C. C. Saenz, C. Denicourt, B. R. Meade, X.-S. Cui, I. M. Kaplan, S. F. Dowdy: Enhanced targeting and killing of tumor cells expressingthe CXC chemokine receptor 4 by transducible anticancer peptides. In: Cancer Res. 65, 2005, S. 10646–10650. Syndekane,T. Letoha, A. Keller-Pinter, E. Kusz, C. Koloszi, Z. Bozso, G. Toth, C. Vizier, Z. Olah, L. Szilak: Cell-penetrating peptide exploited syndecans.Biochim. In: Biophys. Acta (Biomembranes). 1798, 2010, S. 2258–2263. doi:10.1016/j.bbamem.2010.01.022. Neuropiline,G. J. Prud’homme, J. Glinka: Neuropilins are multifunctional coreceptorsinvolved in tumor initiation, growth, metastasis and immunity. In: Oncotarget. 3, 2012, S. 921–939. oder Integrine.Y. Diao, W. Han, H. Zhao, S. Zhu, X. Liu, X. Feng, J. Gu, C. Yao, S. Liu, C. Sun, F. Pan: Designed synthetic analogs of the α-helical peptide temporin-La with improved antitumor efficacies via charge modification andincorporation of the integrin αvβ3 homing domain. In: J. Pept. Sci. 18, 2011, S. 476–486. Nachdem eine Zellpenetration auch ohne Endozytose bei 4 °C auftrat, wurde eine direkte, sowie Endozytose- und ATP-unabhängige Penetration vermutet,D. Luo, W. M. Saltzman: Synthetic DNA delivery systems. In: Nature Biotechnology. Band 18, Nummer 1, Januar 2000, S. 33–37, . doi:10.1038/71889. PMID 10625387. (Review).E. Vivès, P. Brodin, B. Lebleu: A truncated HIV-1 Tat protein basic domain rapidly translocates through the plasma membrane and accumulates in the cell nucleus. In: The Journal of biological chemistry. Band 272, Nummer 25, Juni 1997, S. 16010–16017, . PMID 9188504.O. Zelphati, F. C. Szoka: Intracellular distribution and mechanism of delivery of oligonucleotides mediated by cationic lipids. In: Pharmaceutical Research. Band 13, Nummer 9, September 1996, S. 1367–1372, . PMID 8893276. jedoch wurde auch über Artefakte der Fixierung und Färbung berichtet.G. Drin, S. Cottin u. a.: Studies on the internalization mechanism of cationic cell-penetrating peptides. In: The Journal of biological chemistry. Band 278, Nummer 33, August 2003, S. 31192–31201, . doi:10.1074/jbc.M303938200. PMID 12783857. Für die direkte Penetration spricht die Tatsache, dass sich CPP auch durch ER-Membrane oder künstliche Lipiddoppelschichten verteilen können.H. D. Herce, A. E. Garcia: Cell penetrating peptides: how do they do it? In: Journal of biological physics. Band 33, Nummer 5–6, Dezember 2007, S. 345–356, . doi:10.1007/s10867-008-9074-3. PMID 19669523. .H. D. Herce, A. E. Garcia: Molecular dynamics simulations suggest a mechanism for translocation of the HIV-1 TAT peptide across lipid membranes. In: PNAS. Band 104, Nummer 52, Dezember 2007, S. 20805–20810, . doi:10.1073/pnas.0706574105. PMID 18093956. . Die Bildung einer Membranpore an der endosomalen Membran oder der Zellmembran wurde experimentell verifiziert.H. D. Herce, A. E. Garcia u. a.: Arginine-rich peptides destabilize the plasma membrane, consistent with a pore formation translocation mechanism of cell-penetrating peptides. In: Biophysical Journal. Band 97, Nummer 7, Oktober 2009, S. 1917–1925, . doi:10.1016/j.bpj.2009.05.066. PMID 19804722. . Allerdings spricht für die Endozytose eine Ungleichverteilung der CPP in unterschiedlichen Zellkompartimenten, eine Verminderung der Verteilung des CPPs Penetratin bei Zugabe von EndozytosehemmernA. Ferrari, V. Pellegrini u. a.: Caveolae-mediated internalization of extracellular HIV-1 tat fusion proteins visualized in real time. In: Molecular therapy : the journal of the American Society of Gene Therapy. Band 8, Nummer 2, August 2003, S. 284–294, . PMID 12907151., eine mikroskopische Kolokalistion mit Caveolin und eine Aufnahme über Pinozytose.M. Lundberg, M. Johansson: Is VP22 nuclear homing an artifact? In: Nature biotechnology. Band 19, Nummer 8, August 2001, S. 713–714, . doi:10.1038/90741. PMID 11479552.A. D. Frankel, C. O. Pabo: Cellular uptake of the tat protein from human immunodeficiency virus. In: Cell. Band 55, Nummer 6, Dezember 1988, S. 1189–1193, . PMID 2849510. Möglicherweise läuft mehr als ein Aufnahmemechanismus parallel ab,M. Lundberg, S. Wikström, M. Johansson: Cell surface adherence and endocytosis of protein transduction domains. In: Molecular therapy. Band 8, Nummer 1, Juli 2003, S. 143–150, . PMID 12842437.J. Howl, I. D. Nicholl, S. Jones: The many futures for cell-penetrating peptides: how soon is now? In: Biochemical Society transactions. Band 35, 2007, S. 767–769, . doi:10.1042/BST0350767. PMID 17635144. (Review). insbesondere verändern sich die Anteile dieser Mechanismen bei Veränderung der Größe des angehängten Moleküls oder Partikels.J. Tilstra, K. K. Rehman u. a.: Protein transduction: identification, characterization and optimization. In: Biochemical Society transactions. Band 35, August 2007, S. 811–815, . doi:10.1042/BST0350811. PMID 17635154. (Review). Der dritte Mechanismus vermutet die Bildung einer invertierten Micelle, bei dem die Phosphatgruppen der Membranlipide um das CPP und die aliphatischen Anteile nach außen orientiert sind. Dadurch verbleibt das Peptid in einer hydrophilen Umgebung.T. Plénat, S. Deshayes u. a.: Interaction of primary amphipathic cell-penetrating peptides with phospholipid-supported monolayers. In: Langmuir : the ACS journal of surfaces and colloids. Band 20, Nummer 21, Oktober 2004, S. 9255–9261, . doi:10.1021/la048622b. PMID 15461515.S. Deshayes, S. Gerbal-Chaloin u. a.: On the mechanism of non-endosomial peptide-mediated cellular delivery of nucleic acids. In: Biochimica et Biophysica Acta. Band 1667, Nummer 2, Dezember 2004, S. 141–147, . doi:10.1016/j.bbamem.2004.09.010. PMID 15581849.S. Deshayes, A. Heitz u. a.: Insight into the mechanism of internalization of the cell-penetrating carrier peptide Pep-1 through conformational analysis. In: Biochemistry. Band 43, Nummer 6, Februar 2004, S. 1449–1457, . doi:10.1021/bi035682s. PMID 14769021.

Typische Vertreter der zellpenetrierenden Peptide sind z. B. Penetratin,E. Dupont, A. Prochiantz, A. Joliot: Penetratin story: an overview. In: Methods in Molecular Biology. Band 683, 2011, S. 21–29, . . PMID 21053119. Transportan,A. T. Jones, E. J. Sayers: Cell entry of cell penetrating peptides: tales of tails wagging dogs. In: Journal of controlled release : official journal of the Controlled Release Society. Band 161, Nummer 2, Juli 2012, S. 582–591, . doi:10.1016/j.jconrel.2012.04.003. PMID 22516088. HIV1-Tat-Peptid48–60,H. Brooks, B. Lebleu, E. Vivès: Tat peptide-mediated cellular delivery: back to basics. In: Advanced drug delivery reviews. Band 57, Nummer 4, Februar 2005, S. 559–577, . doi:10.1016/j.addr.2004.12.001. PMID 15722164. HIV1-Rev-Peptid34–50, Antennapedia43–58S. Kameyama, M. Horie, T. Kikuchi, T. Omura, T. Takeuchi, I. Nakase, Y. Sugiura, S. Futaki: Effects of cell-permeating peptide binding on the distribution of 125I-labeled Fab fragment in rats. In: Bioconjugate Chemistry. Band 17, Nummer 3, May-Jun 2006, S. 597–602, . doi:10.1021/bc050258k. PMID 16704196. und Octaarginin.S. Futaki, T. Suzuki, W. Ohashi, T. Yagami, S. Tanaka, K. Ueda, Y. Sugiura: Arginine-rich peptides. An abundant source of membrane-permeable peptides having potential as carriers for intracellular protein delivery. In: The Journal of biological chemistry. Band 276, Nummer 8, Februar 2001, S. 5836–5840, . doi:10.1074/jbc.M007540200. PMID 11084031.

Anwendungen mini|Kovalente Kopplung und Adsorption von CPP, A mit dsDNA oder dsRNA, B mit ssDNA oder ssRNA, C mit Plasmiden, D mit anderen Makromolekülen mini|Kovalente Kopplungsarten von CPP an Nukleinsäuren