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.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.
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.Jaron: Biopolymers 26, 215, 1987. 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.
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:
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.
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. 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:
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.
Bradykinin: Arg-Pro-Pro-Gly-Phe-Ser-Pro-Phe-Arg
Inhibitoren mini|Allgemeine Strukturformel der β-Aminoacylamide. mini|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.).
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. Im Jahre 2012 wurde berichtet, dass die CD26/DP4 im Mausmodell eine mit hoher Wahrscheinlichkeit schützende Funktion bei Atemwegsentzündungen (z. B. allergisches Asthma) hat.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.
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.Anorge u. a.: IMTM, neuartiges Wirkprinzip, div. Publikationen der Wirkung von bifunktionellen Inhibitoren bei Akne und als Entzündungshemmer. 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.
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)
Nach der Nahrungsaufnahme werden im Magen verschiedene Hormone freigesetzt, sogenannte Inkretine, die die Freisetzung von Insulin im Körper steigern. Die DPP 4 spaltet diese Inkretine und stoppt somit deren Wirkung. Daraus folgt, dass Inhibitoren der DPP 4 potentielle Medikamente gegen Diabetes mellitus Typ II sind, da eine vermehrte Freisetzung von Insulin helfen kann, den chronisch erhöhten Blutzucker zu senken. Als Ergebnis der Erforschung der Dipeptidylpeptidase-4 und deren Inhibitoren sind bereits zwei Arzneistoffe, Sitagliptin und Vildagliptin, durch den Ausschuss für Humanarzneimittel (CHMP) der Europäischen Arzneimittelagentur als Therapeutika zur Behandlung des Diabetes mellitus Typ 2 zugelassen worden.
Gegen Diabetes mellitus Typ I würde eine Hemmung dieses Enzyms nichts bewirken: Hier kann überhaupt kein Insulin mehr produziert werden, da die Inselzellen der Bauchspeicheldrüse vollkommen zerstört sind.
Funktionsmechanismus Das Enzym DPP 4 kommt ubiquitär im menschlichen, aber auch im tierischen Organismus vor. Es ist eine Proteinase, die vom N-terminalen Ende eines Peptids Zweiergruppen von Aminosäuren (Dipeptide) abspaltet. Da sich im Aktiven Zentrum des Enzyms die Aminosäure Serin befindet, gehört es zu den Serinproteinasen. Es kann nur vom Aminogruppen-Ende (N-Terminus) eines Peptids Dipeptide abspalten, nicht jedoch vom Carboxygruppen-Ende, dem C-Terminus (siehe Peptidbindung).
Ein beispielhaftes Peptid als Substrat für die DPP 4 sieht folgendermaßen aus, wobei Xaa2, Xaa1 und X'aa1 für beliebige Aminosäuren stehen und der senkrechte Strich für die Stelle, an der das Enzym die Peptidbindung spaltet. Mit P2, P1 und P'1 werden die Positionen der Aminosäuren relativ zur Spaltungsstelle beschrieben:
N-Xaa2-Xaa1-|-X'aa1-… P2 P1 P'1
N-Xaa2-Xaa1-C + N-X'aa1-…
Die DPP 4 spaltet bevorzugt Peptide, wenn sich ein Prolinrest (Pro) in P1-Position befindet.Eintrag in der Enzyme Nomenclature des NC-IUBMB
Die Substratspezifität in P1-Position (Xaa1) Neben Peptiden mit Prolin in P1-Stellung, spaltet die DPP 4 auch noch Peptide mit anderen Aminosäuren in dieser Position.
Zunächst wurde festgestellt, dass neben Prolin- auch Hydroxyprolin- und Dehydroprolinreste sehr gut akzeptiert werden. Auch Substrate mit Pipecolinsäureresten (Pip) in P1-Stellung sind ähnlich aktiv. Im Schema 1 wird ein „Prolinstammbaum“ vorgestelltA. Barth: Vier Jahrzehnte im Dienste der Wissenschaft. In: Acta Facult.Pharm.Univ.Comenianae. Band 52, 2005, S. 236–250. der auf direktem Wege vom Prolin bis zum Glycin führt. Versuchsweise wurden die einzelnen Di-Peptid-para-Nitroanilide (pNA) in P1-Stellung gegen die angeführten Aminoacylreste des „Stammbaums“ ausgetauscht. Hierbei konnte gezeigt werden, dass alle diese Derivate mehr oder weniger aktive Substrate darstellen. Erfolgreich geprüft wurden in Ala-Xaa1-pNA besonders Xaa1 = Thz, Oxa, Pipecolinsäure (Pip) und Azetidin-2-carbonsäure (Aze).
mini|Schema 1: Prolinstammbaum (In dem Schema ist auch das Sechsringsystem der Pipecolinsäure enthalten, sie liefert auch aktive Substrate).