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Glykosylierung: Der Zuckerpool im Nebenjob

TITEL

 
Glykosylierung

Der Zuckerpool im Nebenjob


Von Theo Dingermann und Ilse Zündorf / Ohne Zucker kann kein Mensch leben. Das liegt keineswegs nur daran, dass ein Haupt-Energieträger fehlt. Ohne die richtigen Zuckermoleküle funktionieren Zellmembranen und Proteine nicht, das Immun­system geht in die Irre und die Schleimhäute trocknen aus. Zucker haben also Haupt- und Nebenjobs. Es lohnt sich, einen ­genaueren Blick auf einige dieser Aufgaben zu werfen.

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Zucker – ein Wort, das polarisiert. Es weckt verführerische Assoziationen und wird im nächsten Moment zum Schreckgespenst. Doch was ist tatsächlich gemeint, wenn von Zucker die Rede ist?

 

  • Den meisten schwebt wohl das Disaccharid Saccharose vor, wenn sie von Zucker, dem wichtigsten Süßungsmittel im Lebensmittelbereich, sprechen. In diesem Molekül sind die ­beiden Monosaccharide Glucose und Fructose über eine ungewöhnliche Glykosidbindung miteinander verknüpft, was den Monosacchariden einen erheblichen Teil ihrer Reak­tionsfähigkeit nimmt.
  • Andere denken an Glucose, das Zuckermolekül, ohne das unser Gehirn nicht denken kann. Andererseits spielt Glucose eine zentrale Rolle in der Pathogenese einer der größten aktuellen Epidemien, dem Diabetes mellitus.
  • Wahrscheinlich eine Minderheit assoziiert mit dem Begriff Zucker eine respektable Gruppe chemisch sehr ähnlicher Moleküle, die biochemisch aber sehr speziell sein können. Die Vertreter dieser Gruppe, zu denen natürlich auch Glucose, Fructose und Saccharose zählen, können untereinander, aber auch mit anderen Molekülklassen wie Lipiden und Proteinen Verbindungen eingehen und in dieser Form physiologisch sehr relevante biologische Funktionen übernehmen.

 




Der Zucker macht den Unterschied: bei Muffins ebenso wie bei Zellen, Proteinen und Lipiden.

Foto: Fotolia/by-studio


So sind Zucker längst nicht »nur« Energielieferanten. Sie sind Bausteine von Biomembranen und Zellwänden. Sie fungieren als Bestandteile sekundärer Pflanzeninhaltsstoffe und geben ihnen ein spezielles Lösungsverhalten, eine bessere Stabilität und teilweise sogar ihr typisches Wirkspektrum. Sie dienen als Andockstellen für Viren oder Bakterientoxine und als Erkennungsstellen für Zell-Zell-Interaktionen. Sie helfen bei der korrekten Proteinfaltung und markieren Proteine für ihren Weg in ­bestimmte Zellorganellen oder in ­extra­zelluläre Kompartimente. Ferner schützen Zucker etliche Proteine vor zu schneller hydrolytischer Degradation durch Proteasen und beeinflussen so ­deren Pharmakokinetik. Und falls die Oligo­saccharidketten nicht korrekt zusammengesetzt sind, können sie immunologische Reaktionen und andere Fehlfunktionen auslösen. Zucker wachen somit über die biologische Integrität.

 

Glucose: Ausgangsmolekül im Stoffwechsel

 

Glucose entsteht gewissermaßen aus Nichts – sehr vereinfacht formuliert. Fallen pflanzliche Samen auf den Boden, wachsen daraus mit der Zeit riesige Mengen von Biomasse heran, ohne dass es irgendeiner »Zufütterung« bedarf. Aus Luft (CO2), Wasser und Licht sowie einigen wenigen Spurenelementen (Stickstoff, Schwefel, Phosphat und andere), die im Boden ubiquitär vorhanden sind, wird bei der Photosyn­these Glucose gebildet. Diese dient ­autotrophen Organismen als Grundstoff, um alle anderen Biomoleküle zu synthetisieren.

 

Durch die Photosynthese entstehen jährlich 2 x 1011 Tonnen D-Glucose, wovon der Großteil in Form von Mono-, Oligo- und Polysacchariden auf der Stufe der Kohlenhydrate verbleibt. Nur 5 Prozent werden in die Synthese ­anderer primärer und sekundärer Metabolite eingebunden (1).




Abbildung 1: Übersicht über wichtige Zuckerstrukturen; neben den Namenskürzeln sind die Symbole angegeben.

Grafik: Stephan Spitzer


Die Überführung der Glucose in ­andere Zuckermoleküle führt unter anderem zu den Hexosen Fructose, Galactose und Mannose, den Pentosen Arabinose, Fucose, Ribose und ­Xylose, den Aminozuckern Glucosamin, N-Acetylglucosamin, Galactosamin, N-Acetylgalactosamin und N-Acetylneuraminsäure (Sialinsäure) (Abbildung 1). Ähnlich wie bei den Proteinen die Aminosäuren und bei den Nukleinsäuren die Nukleotide, dienen diese Monosaccharide als Synthesebausteine für eine enorme Vielzahl an Oligo- und Polysacchariden. Mit einem wichtigen Unterschied: Während in den ­linear aufgebauten Proteinen und Nukleinsäuren die einzelnen Monomere sehr einheitlich verknüpft sind und die Information nur in der Anzahl und Sequenz der Bausteine enthalten ist, führen in Kohlenhydraten zusätzlich die Position und Konfiguration der ­glykosidischen Bindung sowie diverse Verzweigungen zu einer extrem ­hohen Informationsdichte. Die Glyko­sylierung beinhaltet also eine enorme biologische Speicherkapazität, die ­diejenige der klassischen Informa­tionsträger wie Nukleinsäuren und Proteine weit übersteigt.

 

Alle Zuckerfunktionen lassen sich in einem Übersichtsartikel kaum darstellen. Wir konzentrieren uns daher im Wesentlichen auf die Markierung biologischer Oberflächen in Form der Glykocalyx und auf die Funktion von Zuckerketten in Glykoproteinen.

 

Glykocalyx

 

Die nach außen gerichtete Oberfläche eukaryontischer Zellen ist mit einem Netzwerk aus Polysacchariden »dekoriert«; dies bezeichnet man als Glykocalyx. Die Detailzusammensetzung dieser Glykocalyx ist so hoch individuell, dass nur eineiige Zwillinge eine chemisch identische Glykocalyx aufweisen. Das lässt erahnen, dass dieses komplexe Zuckernetzwerk sehr wichtige Aufgaben erfüllt.

 

So schützt die Glykocalyx die ­Plasmamembran unter anderem vor unkontrollierter Fusion mit anderen Membranen und grenzt die Zelle nach außen ab. Sie enthält aber auch die Komponenten, durch die sie von anderen Körperzellen sowie von Bakterien, Viren und Toxinen erkannt werden kann; dies ist die Basis für ­Zelladhäsionsvorgänge. Einige Beispiele für die biologischen Funktionen der Glykocayx:

 

  • Zell-Zell-Erkennung über Membran­antigene,
  • Rezeptor- und »Fangfunktionen« im Dienst der Stoffaufnahme durch ­Endozytose,
  • Binden von Antikörpern an Blut­gruppen-Antigene auf Erythrozyten,
  • Adhäsion und nachfolgende Extra­vasation von Leukozyten an den ­Endothelzellen der Gefäße,
  • Befruchtung von Eizellen durch ­Spermien oder
  • Binden der Hämagglutinine von ­Influenzaviren an Sialinsäuren der Glycocalyx.

Auch intrazelluläre Membranen können eine Glycocalyx tragen, die zum Lumen der Organellen hin gerichtet ist. So ist die Glycocalyx der Lysosomen reich an schwer abbaubaren Zuckerstrukturen, die die Zerstörung der ­lysosomalen Membranen durch die ­vielen aggressiven lysosomalen Moleküle verhindern.

 

In den Membranen werden Zuckerstrukturen durch integrale Membran­lipide (Glykolipide) und Membranproteine (Glykoproteine) verankert.

 

Glykolipide




Abbildung 2: Struktur des Gangliosids GM3. Dieses Glykosphingolipid besteht aus dem Ceramid, das sich aus dem Aminoalkohol Sphingosin mit einer gebundenen Fettsäure aufbaut. Wird an die Hydroxylgruppe des Sphingosins ein Zuckerrest angeknüpft, entsteht ein Cere­brosid, hier ein Glucocerebrosid. Für GM3 werden noch ein Galactose- und ein N-Acetyl­neuraminsäure-Rest angehängt (Zuckersymbole siehe Abbildung 1).

Grafik: Stephan Spitzer


Glykolipide sind wichtige Bestandteile der Zellmembran und steuern einen wesentlichen Anteil zur Glycocalyx bei. Den lipophilen Teil bildet das Sphingosin, an dessen Aminogruppe eine Fettsäure angehängt wird; diese Einheit wird auch als Ceramid bezeichnet (Abbildung 2). An die Hydroxylgruppe können nun verschiedene Zucker als Mono- oder Oligosaccharide gebunden werden. In der einfachsten Form mit einer Glucose entsteht das Glucosyl­ceramid.

 

Allgemein bezeichnet man ein Ceramid, an das nur eine Hexose gebunden ist, als Cerebrosid; entsprechend können Galactocerebroside und Gluco­cerebroside unterschieden werden, die Galactose oder Glucose gebunden haben. Ganglioside sind demgegenüber Glykosphingolipide, bei denen mehrere Zuckermoleküle an das Ceramid geknüpft werden, wobei mindestens eine saure Sialinsäure und eine oder meist mehrere Acetyl­neuramin­säure­(Neu5Ac)-­Reste enthalten sind.

 

Trotz der hohen Diversität und Komplexität an Strukturen gibt es einige prominente Beispiele, von denen die bekanntesten sicherlich die Determinanten der Blutgruppen A und B sind. Diese sind eng miteinander verwandt und haben einen gemeinsamen Vorläufer: Säuglinge exprimieren auf ihren roten Blutkörperchen nur das sogenannte H-Antigen, eine aus fünf Zuckermolekülen bestehende Sequenz, die an ein Lipid oder Protein gebunden ist (Abbildung 3). Aus diesem Vorläufer entwickeln sich die adulten Blutgruppen-Antigene, indem mithilfe spezifischer Glykosyltransferasen entweder ein N-Acetylglucosamin-Rest (Blutgruppe A) oder ein weiterer Galactose-Baustein (Blutgruppe B) an die Galactose-Einheit des H-Antigens angeheftet wird. Träger der Blutgruppe 0 produzieren weder das für die Blutgruppe A noch das für die Blutgruppe B spezifische Enzym, sodass kein weiterer Baustein an das H-Antigen gehängt wird.

 

Interessant ist, dass die Glykosylierung der Blutzellen mit einer unterschiedlichen Suszeptibilität für Pathogene einhergeht und anscheinend hochrelevant für die evolutionäre Entwicklung des Menschen war. So zeigen Menschen der Blutgruppe 0 statistisch mildere Krankheitsverläufe bei einer Malaria-Infektion (2). In äquatornahen Gebieten mit subtropischem Klima, also dem Lebensraum der Anopheles-Mücke, dominiert mit 40 bis 90 Prozent diese Blutgruppe. In kühleren Gebieten hingegen, wo keine Malaria auftritt, ist die Blutgruppe 0 mit maximal 40 Prozent weitaus seltener vertreten.




Abbildung 3: Schematische Darstellung der AB0-Blutgruppen-Antigene (Zuckersymbole siehe Abbildung 1)

Grafik: Stephan Spitzer


Die Bedeutung der Glykolipide sieht man auch daran, dass veränderte Strukturen häufig mit Krebserkrankungen oder Autoimmunerkrankungen assoziiert sind. Beispielsweise resultieren die IgA-Nephropathie und die Rheumatoide Arthritis aus einer pathologischen Fehlsteuerung beim Aufbau von Glykan-Determinanten, was zu einer entzündlichen Immunantwort führt.

 

Prominente Beispiele für Krankheiten, bei denen Glykolipide entscheidend ­involviert sind, sind außerdem die ­lysosomalen Speicherkrankheiten wie Morbus Gaucher, Morbus Pompe oder Morbus Fabry. Hier ist der lysosomale Abbau der Strukturen betroffen, da die Patienten bestimmte Glykosidasen nicht exprimieren können.

 

Glykoproteine

 

In extremer Vielfalt kommen auch Glykoproteine vor, bei denen drei größere Gruppen zu unterscheiden sind:

 

  • N-Glykoproteine,
  • O-Glykoproteine und
  • GPI-verankerte Glykoproteine (3).

Während die über ein Glycosylphosphatidylinositol-Molekül (GPI) verankerten Glykoproteine immer mit einer Membran assoziiert sind und ebenfalls die Glycocalyx mitgestalten, kommen N- und O-Glykoproteine sowohl in lös­licher Form als auch membrangebunden vor.




Abbildung 4: Schematische Darstellung von N-Glykanen an Proteinen (Beispiele). Je nachdem, welche und wie viele Zuckermoleküle an der Core-Struktur (weiß unterlegt) angehängt werden, unterscheidet man zwischen mannosereichen, komplexen und Hybrid-Glykosylierungen. Eine wichtige Funktion hat ein möglicher Fucose-Rest am ersten N-Acetylglucosamin (Zuckersymbole siehe Abbildung 1).

Grafik: Stephan Spitzer


Beim Menschen sind mehr als 100 Glykosyltransferasen, Glykosidasen und Transporter an den Glykosylierungsprozessen beteiligt. Diese Enzyme sind im Zytosol, im endoplasmatischen Retikulum (ER), im Golgi-Apparat und in den Lysosomen lokalisiert. Die Hauptaktivitäten der Protein-Glykosylierung finden im ER und im Golgi-­Apparat statt. Bei der sogenannten ­N-Glykan-Prozessierung werden die Oligosaccharid-Strukturen auf ihrem Weg zur Zelloberfläche oder in bestimmte Organellen, beispielsweise die Lysosomen, durch Auf- und Abbau geordnet, aber sehr komplex modelliert.

 

Eine N-Glykosylierung findet in einem Protein immer an einer Konsensus-Sequenz statt, die aus einem Asparagin, einer beliebigen Aminosäure und einem Serin oder Threonin besteht (Asn-X-Ser/Thr). An die Amid-Seitengruppe des L-Asparagins (Asn) wird der Kohlenhydrat-Anteil in der Regel über N-Acetyl-D-Glucosamin (GlcNAc) mit der Peptidkette verknüpft (4-6).

 

Allen N-Glykantypen gemeinsam ist die exklusive Core-Struktur Man3GlcNAc2 (»Trimannosyl-chitobiosyl-core«, Abbildung 4). Durch die N-Acetylglucosaminyl-Transferasen (GnT) I bis VI können bis zu fünf N-Acetylglucosamine (GlcNAc) spezifisch angeknüpft werden. Entsprechend der Anzahl angeknüpfter GlcNAc unterscheidet man zwischen bi-, tri-, tetra- und penta-antennären komplexen N-Glykanen. Die terminalen Sialinsäuren sind aufgrund ihrer Größe, Position und negativen Ladung hoch relevant für die Proteinkonformation und -funktion. Zudem stellen Sialinsäuren eine wichtige Erkennungssequenz für Rezeptoren dar.




Abbildung 5: ­Schematische Darstellung von O-Glykanen an ­Proteinen (Beispiele). Es ist keine Core-Struktur zu erkennen.

Grafik: Stephan Spitzer


Komplexe N-Glykane können zusätzlich am N-Acetyl-D-Glucosamin an der Basis fucosyliert sein. Diese Core-Fucosylierung von IgG-Antikörpern ist äußerst relevant für das Ausmaß einer Antikörper-vermittelten Zellzytotoxizität (ADCC), die heute für jeden in der Onkologie eingesetzten Antikörper bestimmt wird.

 

O-Glykosylierungen modifizieren Serin- oder Threonin-Reste. Sie sind komplexer und weniger erforscht als die N-Glykosylierungen. Bislang ist keine fixe Aminosäuren-Sequenz für die O-glykosidisch gebundenen Kohlenhydrate bekannt. Das erste mit der Aminosäure verknüpfte Kohlenhydrat ist entweder N-Acetylgalactosamin (GalNAc), N-Acetylglucosamin (GlcNAc), Mannose (Man), Fucose (Fuc) oder Glucose (Glc) (Abbildung 5). Eine O-Glykosylierung der besonderen Art befindet sich innerhalb der Zelle und hier sogar innerhalb des Zellkerns. Die Modifika­tion von Histonen mit O-GlcNAc-Resten ist eine Spielart des Histon-Codes, die die Genexpression mitreguliert.

 

Glykosylierung als Grenze und Proteaseschutz

 

Extrazelluläre Proteine liegen in den meisten Fällen glykosyliert vor. Die hy­drophilen, durch die negativ geladenen Sialinsäuren meist sauren Glykane tragen wesentlich zur Wasserlöslichkeit der Proteine bei. Wahrscheinlich werden erst durch diese Modifikationen die beim Menschen bemerkenswert hohen Protein-Konzentrationen im Blutplasma von etwa 50 bis 70 mg/ml möglich. Zudem verleihen die negativ geladenen Sialinsäuren der Glycokon­jugate sowie die Sulfat- und Carb­oxylat-Reste der Glycosaminoglycane den Zellen ihre negative Oberflächenladung und definieren kritische Diffusions­barrieren.

 

Die dichte Schicht von Mucinen, die vielen Epithelien, zum Beispiel der Atemwege und des Darms, aufgelagert ist, fungiert als kritische Barriere und schützt den Organismus vor einer Invasion durch Mikroorganismen. Werden diese Schichten beispielsweise infolge genetischer Defekte unterbrochen, kann dies sehr ernste Konsequenzen wie rezidivierende Entzündungen und ein erhöhtes Krebsrisiko haben.

 

Die Barrierefunktion wird dadurch unterstützt, dass die dicht mit O-Glycanen bepackten Mucine deutlich vor ­einer Spaltung durch Proteasen geschützt sind. Tatsächlich lassen sich ausgedehnte Segmente einiger Mucine nicht einmal durch die experimentell viel eingesetzte Proteinase K spalten. Den Schutz, den eine starke Glykosylierung vor Proteasen bietet, nutzt man gezielt auch für Arzneistoffe, zum Beispiel beim Erythropoetin-Abkömmling Darbepoetin alfa.

 

Zudem verleihen die Zuckermodifikationen den Mucinen ihre wichtige Schmierfunktion. Wie wichtig diese ­Eigenschaft ist, wird deutlich, wenn es zu Ausfällen kommt. Patienten, deren Speicheldrüsenfunktion durch eine ­Radiotherapie oder durch das Sjögren-Syndrom beeinträchtigt ist, leiden an erheblichen funktionellen Problemen im Kopf-Hals-Bereich und Problemen bei der Nahrungsaufnahme durch erschwertes Schlucken. Man denke auch an die kritische Schmierfunktion von Hyaluronan, einem hochmolekularen Polysaccharid im Bindegewebe, in Körperflüssigkeiten wie der Synovialflüssigkeit in den Gelenkhohlräumen und in der Tränenflüssigkeit des Auges. Hier müssen Defizite therapeutisch substituiert werden.

 

Fehlerhafte Glykosylierung: Ursache für Krankheiten




Kleiner Unterschied, große Wirkung: Ein ­einziger Zuckerrest entscheidet über die Blutgruppe.

Foto: Your Photo Today


O- und N-Glykoside sind maßgeblich an der korrekten Faltung der Proteine in die native dreidimensionale Struktur beteiligt. Experimentell ließ sich dies mithilfe des Proteinglykosylierungs-­Inhibitors Tunicamycin bestätigen: Gibt man dieses Stoffgemisch zu eukaryontischen Zellen dazu, wird die GlcNAc-Phosphotransferase gehemmt und es findet keine N-Glykosylierung von Proteinen mehr statt. Es resultieren Pro­teine, die nicht korrekt gefaltet und ­somit auch nicht funktionsfähig sind.

 

Wie relevant die korrekte N-Glykosylierung für die Proteinfaltung, den zielgerichteten Transport, die Stabilität und die Plasmamembran-Expression von Glykoproteinen ist, verdeutlicht das Beispiel eines mutierten Cystic fibrosis transmembrane conductance regulator-Gens (CFTR), das für die Ausprägung einer Mukoviszidose maßgeblich mitverantwortlich ist. Eine fehlerhafte N-Glykosylierung des CFTR-Proteins reduziert offensichtlich dessen Zelloberflächenexpression, weil sowohl der frühe sekretorische als auch der endozytotische Transport von CFTR beeinträchtigt sind. Das nicht korrekt glykosylierte CFTR-Protein liegt nicht in der stabilen Konformation vor und induziert dadurch eine Ubiquitinierung, sodass das Kanalprotein schnell entfernt wird (7).

 

Allgemein werden derartige erblich bedingte Defekte der Glykoprotein-Biosynthese als »Congenital Disorders of Glycosylation« (CDG) zusammengefasst. Sie können zu Multiorgan-Erkrankungen mit oft schweren neurologischen Störungen führen und stellen eine relativ neue, sich rasch vergrößernde Gruppe von Stoffwechseldefekten beim Menschen dar, die noch vor 25 Jahren völlig unbekannt war. Das klinische Erscheinungsbild der CDG ist sehr heterogen; daher ist wohl eine ­erhebliche Zahl von Patienten noch gar nicht identifiziert.




Ohne die richtigen Zuckermoleküle am richtigen Platz reißt der Tränenfilm und das Auge trocknet aus.

Foto: Fotolia/erllre


Etwa 20 molekulare Ursachen für ­CDG-Erkrankungen sind bis heute beschrieben. Viele Organe können betroffen sein, aber häufig stehen neurolo­gische Defekte im Vordergrund. Man unterscheidet CDG-Typ-I- von CDG-Typ-II-­Erkrankungen. Bei den Typ-I-Erkrankungen sind die Glyko­sy­lie­rungs­störungen im Zytosol und im en­do­­plasmatischen Retikulum loka­lisiert. CDG-II-Erkrankungen entstehen durch Defekte, die die nachfolgenden Prozessierungsschritte betreffen (Körner und von Figura, 2006).

 

Diese Krankheiten verdeutlichen noch einmal, dass Glykoproteine an vielen lebenswichtigen Vorgängen wie Wachstum, Differenzierung, Entwicklung von Organen, Signalübertragung und Abwehr, aber auch an Entzündung und maligner Entartung beteiligt sind. Die Zuckeranteile der Glykoproteine sind für die korrekte Faltung der Proteine, den gerichteten Transport und die biologische Aktivität essenziell.

 

Rekombinante Proteine und ihre Glykosylierung

 

Die Proteinglykosylierung bietet viel Raum zur gentechnischen Optimierung von Funktion und Eliminationshalbwertzeit therapeutischer Proteine (8, 9). Mit zunehmender Optimierung ­können die Applikationsdosen und -häufigkeiten sowie die Kosten gesenkt werden.




Mukoviszidose – eine Folge einer genetisch bedingten fehlerhaften Glykosylierung von ­Proteinen

Foto: Your Photo Today


Beispielsweise schützen endständige Sialinsäuren vor der Bindung und anschließenden Endozytose durch ­Asialoglykoprotein- und Mannose-Rezeptoren (10). Andererseits können Mannose-Rezeptoren Proteinen den Zugang ins Zellinnere öffnen. Dieser Ansatz erwies sich als Durchbruch für diverse Substitutionstherapeutika, die zur Therapie von lysosomalen Speicherkrankheiten eingesetzt werden. So muss beispielsweise die in CHO-Zellen produzierte rekombinante Glucocere­brosidase (Imiglucerase) nach Isolierung und Reinigung noch durch drei Glykosidasen modifiziert werden, bevor sie als Substitutionstherapeutikum zur Behandlung von Gaucher-Patienten eingesetzt werden kann.

 

Ebenfalls einen stabilitätssteigernden Effekt nutzt man bei der Herstellung anderer rekombinanter Arzneistoffe. Beispielsweise ist Corifollitropin alfa (Elonva®) ein gezielt modifiziertes Follikel-stimulierendes Hormon (FSH), dessen spezifische β-Kette von einem Gen kodiert wird, das man als eine ­Zwischenform zwischen einem »modifizierten Gen« und einem »Kunst-Gen« charakterisieren kann. Die β-Kette des Hormons wurde mit einem carboxyterminalen Peptid (CTP) von 28 Aminosäuren aus der β-Kette des humanen Choriongonadotropins (hCG) verlängert. Dadurch wird die Eliminationshalbwertszeit von Corifollitropin alfa im Vergleich zu unmodifiziertem rekombinanten Follitropin alfa nahezu verdoppelt. Innerhalb der CTP-Sequenz befinden sich vier zusätzliche O-gebundene Glykosylierungsstellen. Dies schützt offensichtlich das modifizierte Protein vor Hydrolyse. Hinzu kommt, dass der höhere Sialinsäure-Gehalt innerhalb der zusätzlichen Kohlenhydratgruppen mehr Schutz vor einer hepatischen Elimination durch Asialo-Glykoprotein-Rezeptoren auf Leberzellen bietet.




Erythropoetin kann mithilfe von Zuckern erheblich modifiziert werden.

Foto: Fotolia/molekuul.be


Ein weiteres Beispiel ist Darbepoetin alfa. Bei diesem Erythropoetin-Derivat wurden durch Sequenzmodifikationen zwei neue N-Glykosylierungsstellen durch Substitution zweier Aminosäuren mit Asparagin eingeführt. Die zusätzlichen Zuckerketten verringern zwar die Rezeptoraffinität, schützen aber das modifizierte Protein erheblich vor dem proteolytischen Abbau. Insgesamt resultiert eine deutlich längere Halbwertszeit (25,3 Stunden bei Darbepoetin alfa versus 8,5 Stunden bei Erythropoetin alfa). Dadurch kann das ­Dosierungsintervall auf einmal pro ­Woche bei gleicher Wirksamkeit verlängert werden.

 

Bei den rekombinanten Antikörperwirkstoffen trägt die Glykosylierung nicht nur zur Stabilisierung, sondern auch zur Wirksamkeit bei. Moleküle, die an ihrem Fc-Teil keine Fucose tragen, haben eine höhere Affinität zum Rezeptor FcγRIIIa und zeigen eine stärkere antikörperabhängige zelluläre ­Zytotoxizität (ADCC). Ein erster Antikörper, der bezüglich der Fucosylierung optimiert wurde, ist mit Obinutuzumab (Gazyvaro®) bereits zugelassen. Er scheint gegen chronisch-lymphatische Leukämie effektiver zu sein als Rituximab (MabThera®), das normal glykosyliert vorliegt.

 

Fazit

 

Der erste spontane Gedanke an »Zucker« wird der Fülle an Funktionen der verschiedenen Kohlenhydrate keineswegs gerecht. Mittlerweile sind viele Strukturen und Aufgaben der Oligo- und Polysaccharide in pro- und eukaryontischen Organismen aufgeklärt, aber noch immer sind viele Variationsmöglichkeiten weitgehend unbekannt. ­Besonders die genetisch bedingten Glykosylierungsdefekte bei Glykolipiden und -proteinen sind nach wie vor nur unzureichend aufgeklärt. /

 

Literatur 

  1. Alberts, B., et al, Molekularbiologie der Zelle. Wiley-VCH Verlag 2004.
  2. Cserti, C. M., Dzik, W. H., (2007), The ABO blood group system and Plasmodium falciparum malaria. Blood 110, 2250-2258.
  3. Lindhorst, T. K., (2000), Struktur und Funk­tion von Kohlenhydraten. Chemie in unserer Zeit 34, 38-52.
  4. Johansen, P. G., Marshall, R. D., Neuberger, A., (1961), Carbohydrates in protein. 3 The preparation and some of the properties of a glycopeptide from hen’s-egg albumin. Biochem J. 78, 518–527.
  5. Nuenke, R. H., Cunningham, L. W., (1961), Preparation and structural studies of ovalbumin glycopeptides. J Biol Chem. 236, 2452-2460.
  6. Yamashina, I., Makino, M., (1962), The properties of a carbohydrate-amino acid complex from ovalbumin. J. Biochem. 51, 359-364.
  7. Glozman, R., et al., (2009), N-glycans are ­direct determinants of CFTR folding and stability in secretory and endocytic membrane traffic. J Cell Biol 184, 847-862.
  8. Von Horsten, H. H., et al., (2010), Production of Non-fucosylated Antibodies by Co-Expression of Heterologous GDP-6-deoxy-D-lyxo-4-hexulose reductase. Glycobiology 20, 1607-1618.
  9. Raju, T S., (2008), Terminal sugars of Fc ­glycans influence antibody effector functions of IgGs. Curr Opin Immunol. 20, 471-478.
  10. Ashwell, G., Harford, J., (1982), Carbohydrate-Specic Receptors of the Liver. Annu. Rev Biochemistry. 51, 531-554.


Die Autoren

Theodor Dingermann studierte Pharmazie in Erlangen. Nach der Approbation 1976 folgten Promotion und 1987 Habilitation. Von 1991 bis 2013 war er Geschäftsführender Direktor des Instituts für Pharmazeutische Biologie an der Goethe-Universität Frankfurt/Main. Jetzt ist er Seniorprofessor der Universität. Dingermann war von 2000 bis 2004 Präsident der Deutschen Pharmazeutischen Gesellschaft und arbeitete in zahlreichen wissenschaftlichen Gremien, unter anderem beim BfArM. Die Apotheker kennen ihn als Referenten, Autor und Co-Autor von wissenschaftlichen Fach- und Lehr­büchern. Seit April 2010 ist er externes Mitglied der Chefredaktion der PZ.

 

Ilse Zündorf studierte Biologie von 1984 bis 1990 an der Universität Erlangen. Nach einem Forschungsaufenthalt an der University of Kentucky, Lexington, USA, wurde sie 1995 am Institut für Pharmazeutische Biologie der Universität Frankfurt promoviert. Zunächst als Akademische Rätin, seit 2001 als Akademische Oberrätin arbeitet sie am Institut für Pharmazeutische Biologie der Goethe-Universität Frankfurt. Ihre Forschungsthemen betreffen Herstellung und Charakterisierung monoklonaler Antikörper, Herstellung und Modifikation rekombinanter Antikörperfragmente sowie die Etablierung von zellulären Testsyste­men zur Wirkstoffsuche.

 

E-Mail: Dingermann@em.uni-frankfurt.de




Beitrag erschienen in Ausgabe 41/2017

 

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