DE102009010942A1 - Serinprotease-Inhibitoren zur spezifischen Inhibition von Gewebs-Kallikreinen - Google Patents

Serinprotease-Inhibitoren zur spezifischen Inhibition von Gewebs-Kallikreinen Download PDF

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Abstract

Serinprotease-Inhibitor, ausgewählt aus der Gruppe von Peptiden bestehend aus einem Peptid mit der in SEQ ID:NO 1 dargestellten Aminosäuresequenz, einem Peptid mit der in SEQ ID:NO 2 dargestellten Aminosäuresequenz, und einem Derivat oder Fragment eines Peptids mit der in SEQ ID:NO 1 oder SEQ ID:NO 2 dargestellten Aminosäuresequenz mit Serinprotease-inhibierender Wirkung.

Description

  • Die Erfindung betrifft Serin-Protease-Inhibitoren zur spezifischen Inhibition von Gewebs-Kallikreinen.
  • Ungefähr 60% der Weltbevölkerung leidet unter dermatologischen Störungen, wobei 25% ärztliche Behandlung benötigen (Hadgraft, J. (2002) Crossing the barrier. In: The Essential Stratum corneum, R. Marks, J. L. Leveque und R. Voegeli, eds., 103–9). Die klinische Diagnose von Hautstörungen ist eine schwierige Aufgabe, da anomale Hautbilder von verschiedensten lokalen oder systemischen Krankheiten verursacht werden können. Hautkrankheiten sind zudem oft schwer zu behandeln, aufgrund der Barriere, die die äußerste Hautschicht, das Stratum corneum, darstellt.
  • Das Stratum corneum wirkt als wichtigste schützende Grenzschicht des Körpers gegen physische und chemische Schaden, Dehydratisierung und mikrobielle Krankheitserreger. Während der normalen Desquamation des Stratum corneum werden die oberflächlichsten Korneozyten von der Hautoberfläche abgeworfen. Dieser Prozess erfordert die Proteolyse der korneodesmosomalen Adhäsionsmoleküle, die durch Serin-Proteasen erfolgt. Bislang wird Serin-Protease-Aktivität im Stratum corneum menschlichen Gewebs-Kallikreine (KLKs, nach neuester Nomenklaturregel „Kallikrein-related peptidases”) zugeschrieben, eine Familie von 15 verschiedenen Trypsin- und Chymotrypsin-artigen Serin-Proteasen. Bei den KLKs ist eine Rolle in der Desquamation des Stratum corneum KLK5 und KLK7 zugeschrieben worden. Weitere Studien haben ergeben, dass zusätzlich zu KLK 5 und 7 andere Kallikreine mit Desquamation in Verbindung stehen: KLK 5, 6, 7, 8, 10, 11, 13 und 14 werden in der Epidermis exprimiert und sind an der Desquamation der Haut und ihrer Barrierefunktion maßgeblich beteiligt (Lundwall, A. und Brattsand, M. (2008) Kallikrein-related peptidases. Cell. Mol. Life Sci. 65: 2019–38).
  • Da Desquamation ein Serin-Protease-abhängiger Prozess ist, wird sie durch Serin-Protease-Inhibitoren (SPIs) reguliert. Die Bedeutung des desquamationsregelndes Serin-Protease/SPI-Gleichgewichtes ist bei der Gendermatose „Netherton Syndrom” (NS) am deutlichsten. NS, eine autosomal rezessive ichthyosiforme Hautstörung, durch Haarschaft-Defekte gekennzeichnet, charakterisiert durch atopische Eigenschaften, übermäßige Desquamation der Korneozyten, und schwerwiegende Funktionsstörungen des Stratum corneum, wird durch frameshift- und nonsense-Mutationen im Kazal-Typ Serin-Protease-Inhibitor 5 Gen (spink5) verursacht (Komatsu, N., Takata, M., Otsuki, N., Ohka, R., Amano, O., Takehara, K. und Saijoh, K. (2002) Elevated Stratum corneum hydrolytic activity in Netherton syndrome suggests an inhibitory regulation of desquamation by SPINK5-derived peptides. J. Invest. Dermatol. 118: 436–43; Chavanas, S., Bodemer, C., Rochat, A., Hamel-Teillac, D., Ali, M., Irvine, A. D., Bonafe, J. L., Wilkinson, J., Taieb, A., Barrandon, Y., et al. (2000) Mutations in SPINK5, encoding a serine protease inhibitor, cause Netherton syndrome. Nat. Genet. 25: 141–2; Sprecher, E., Chavanas, S., DiGiovanna, J. J., Amin, S., Nielsen, K., Prendiville, J. S., Silverman, R., Esterly, N. B., Spraker, M. K., Guelig, E., et al. (2001) The spectrum of pathogenic mutations in SPINK5 in 19 families with Netherton syndrome: implications for mutation detection and first case of prenatal diagnosis. J. Invest. Dermatol. 117: 179–87). spink5 kodiert für ein SPI mit 15 Inhibitor-Domänen, der lympho-epithelial Kazal-Typ Inhibitor (LEKTI) bezeichnet wird (Mägert, H. J., Ständker, L., Kreutzmann, P., Zucht, H. D., Reinecke, M., Sommerhoff, C. P., Fritz, H. und Forssmann, W. G. (1999) LEKTI, a novel 15-domain type of human serine proteinase inhibitor. J. Biol. Chem. 274: 21499–502). Alle bekannte spink5 Mutationen verursachen vorzeitigen Stoppcodons im LEKTI Transkript und führen zur Entstehung verkürzter LEKTI Formen, denen einige Inhibitor-Domänen fehlen. Infolgedessen verursachen reduzierte LEKTI Expression bzw. Aktivität unkontrollierte, erhöhte Serin-Protease-Aktivität, wie im Stratum corneum von NS-Patienten (Descargues, P., Deraison, C., Prost, C., Fraitag, S., Mazereeuw-Hautier, J., D'Alessio, M., Ishida-Yamamoto, A., Bodemer, C., Zambruno, G., und Hovnanian, A. (2006) Corneodesmosomal cadherins are preferential targets of Stratum corneum trypsin- and chymotrypsin-like hyperactivity in Netherton syndrome. J. Invest Dermatol. 126: 1622–32; Komatsu, N., Takata, M., Otsuki, N., Ohka, R., Amano, O., Takehara, K. und Saijoh, K. (2002) Elevated Stratum corneum hydrolytic activity in Netherton syndrome suggests an inhibitory regulation of desquamation by SPINK5-derived peptides. J. Invest. Dermatol. 118: 436–43; Hachem, J. P., Houben, E., Crumrine, D., Man, M. Q., Schurer, N., Roelandt, T., Choi, E. H., Uchida, Y., Brown, B. E., Feingold, K. R. und Elias, P. M. (2006) Serine protease signaling of epidermal permeability barrier homeostasis. J. Invest. Dermatol. 126: 2074–86) und bei spink5-null Mäusen (Descargues, P., Deraison, C., Bonnart, C., Kreft, M., Kishibe, M., Ishida-Yamamoto, A., Elias, P., Barrandon, Y., Zambruno, G., Sonnenberg, A. und Hovnanian, A. (2005) Spink5-deficient mice mimic Netherton syndrome through degradation of desmoglein 1 by epidermal protease hyperactivity. Nat. Genet. 37: 56–65) beobachtet werden kann, und führen zu übermäßiger Desquamation und zum Abbau des Stratum corneum.
  • LEKTI Mangel verursacht eine anormale Proteolyse der Korneodesmosomen wegen der Hyperaktivität von KLK5 und KLK7. Dies führt zu beschleunigter Abschilferung des Stratum corneum und folglich zum Verlust der Barrierenfunktion der Haut (Yang, T., Liang, D., Koch, P. J., Hohl, D., Kheradmand, F. und Overbeek, P. A. (2004) Epidermal detachment, desmosomal dissociation, and destabilization of corneodesmosin in Spink5-/- mice. Genes Dev. 18: 2354–8.; Descargues, P., Deraison, C., Bonnart, C., Kreft, M., Kishibe, M., Ishida-Yamamoto, A., Elias, P., Barrandon, Y., Zambruno, G., Sonnenberg, A. und Hovnanian, A. (2005) Spink5-deficient mice mimic Netherton syndrome through degradation of desmoglein 1 by epidermal protease hyperactivity. Nat. Genet. 37: 56–65; Hewett, D. R., Simons, A. L., Mangan, N. E., Jolin, H. E., Green, S. M., Fallon, P. G. und McKenzie, A. N. (2005) Lethal, neonatal ichthyosis with increased proteolytic processing of filaggrin in a mouse model of Netherton syndrome. Hum. Mol. Genet. 14: 335–46). LEKTI kann daher als Schlüsselregulator der epidermalen Protease-Aktivität betrachtet werden. Zudem deutet das Vorkommen von LEKTI-Domänen in der Blutzirkulation darauf hin (Mägert, H. J., Ständker, L., Kreutzmann, P., Zucht, H. D., Reinecke, M., Sommerhoff, C. P., Fritz, H. und Forssmann, W. G. (1999) LEKTI, a novel 15-domain type of human serine proteinase inhibitor. J. Biol. Chem. 274: 21499–502; Mägert, H. J., Kreutzmann, P., Ständker, L., Walden, M., Drogemüller, K. und Forssmann, WG. (2002) LEKTI: a multidomain serine proteinase inhibitor with pathophysiological relevance. Int. J. Biochem. Cell Biol. 34: 573–6), dass LEKTI nicht nur direkt an der Haut biologische Effekte aufweisen könnte. Der Umfang der atopischen Manifestationen beim NS spricht dafür, dass LEKTI als Protease-Inhibitor am Entzündungsprozess mitbeteiligt ist (Deraison, C., Bonnart, C., Lopez, F., Besson, C., Robinson, R., Jayakumar, A., Wagberg, F., Brattsand, M., Hachem, J. P., Leonardsson, G. und Hovnanian, A. (2007) LEKTI fragments specifically inhibit KLK5, KLK7, and KLK14 and control desquamation through a pH-dependent interaction. Mol. Biol. Cell 18: 3607–19).
  • LEKTI gehört zur Familie der Kazal-Typ Serin-Protease-Inhibitoren, deren zahlreiche Mitglieder im Allgemeinen 3–7 Tandem-Kazal-Domänen aufweisen. Interessanterweise besteht LEKTI aus einem Signalpeptid und 15 potentiellen Serin-Protease-Inhibitor-Domänen (D1–D15) getrennt durch 14 spacer-Segmente. Zwei dieser Domänen (D2 und D15) ähneln typischer Kazal-Typ Serin-Protease-Inhibitoren, mit einem charakteristischen Motiv aus sechs Cysteinresten. Die übrigen 13 Domänen weisen eine hohe Homologie mit dieser Inhibitor-Familie, aber ihnen fehlt eine der drei konservierten Disulfidbrücken. Einige Autoren haben die inhibitorische Aktivität verschiedener LEKTI-Formen untersucht. Es wurde gezeigt, dass das gesamte rekombinante LEKTI-Protein Trypsin, Subtilisin A, Plasmin, Kathepsin G und Neutrophilelastase, aber nicht Chymotrypsin (Mitsudo, K., Jayakumar, A., Henderson, Y., Frederick, M. J., Kang, Y., Wang, M., El-Naggar, A. K. und Clayman, G. L. (2003) Inhibition of serine proteinases plasmin, trypsin, subtilisin A, cathepsin G, and elastase by LEKTI: a kinetic analysis. Biochemistry 42: 3874–81) oder KLKs (Deraison, C., Bonnart, C., Lopez, F., Besson, C., Robinson, R., Jayakumar, A., Wagberg, F., Brattsand, M., Hachem, J. P., Leonardsson, G. und Hovnanian, A. (2007) LEKTI fragments specifically inhibit KLK5, KLK7, and KLK14 and control desquamation through a pH-dependent interaction. Mol. Biol. Cell 18: 3607–19) inhibieren kann. Eine andere LEKTI-Form, das Domänen 6–9 (rLEKTI6–9) enthält, inhibiert hingegen Trypsin, Subtilisin A, Chymotrypsin, KLK5 und KLK7, aber nicht Plasmin, Kathepsin G oder Elastase (Jayakumar, A., Kang, Y., Mitsudo, K., Henderson, Y., Frederick, M. J., Wang, M., El-Naggar, A. K., Marx, U. C., Briggs, K. und Clayman, G. L. (2004) Expression of LEKTI domains 6–9' in the baculovirus expression system: recombinant LEKTI domains 6–9' inhibit trypsin and subtilisin A. Protein Expr. Purif. 35: 93–101; Schechter, N. M., Choi, E. J., Wang, Z. M., Hanakawa, Y., Stanley, J. R., Kang, Y., Clayman, G. L. und Jayakumar, A. (2005) Inhibition of human kallikreins 5 and 7 by the serine protease inhibitor lympho-epithelial Kazal-type inhibitor (LEKTI). Biol. Chem. 386: 1173–84). Zudem wurde gezeigt, dass die Domäne D6 Trypsin, KLK5 und KLK7 inhibiert, wohingegen D15 gegenüber dieser zwei Kallikreine keine Wirkung aufweist.
  • Beim Kazal-Typ Serin-Protease-Inhibitor Familienmitglied LEKTI2 (von spink9 kodiert) wurde gezeigt, dass es spezifisch die Aktivität von KLK5 inhibiert, nicht aber von KLK7, 8, und 14 oder humanem Thrombin, bovinem Trypsin und bovinem Chymotrypsin (Stefansson, K. (2008) Kallikrein-related peptidases in human epidermis: studies on activity, regulation, and function. Doctoral thesis, Umeå University, Faculty of Medicine, Public Health and Clinical Medicine, Dermatology and Venerology, http://www.divaportal.org/umu/abstract.xsql?dbid=1644).
  • Serin-Protease-Inhibitoren oder dessen Fragmente, die LEKTI-Domänen enthalten, sind Gegenstand mehrerer Patenten bzw. Patentanmeldungen. So betrifft die Anmeldung PCT/EP 98/08424 Serin-Protease-Inhibitoren, die eine Domäne mit vier Cysteinen aufweisen, wobei sich zwischen dem ersten und einem zweiten Cystein eine Sequenz von 0 bis 20 Aminosäuren befindet oder die Serin-Proteinase-Inhibitoren eine Domäne mit sechs Cysteinen aufweisen und sich zwischen dem ersten und zweiten Cystein eine Sequenz von 7 bis 20 Aminosäuren befindet. Die WO03/070953 A1 beschreibt LEKTI Fragmente und ihre Verwendung zur Inhibierung von Infektionen oder Virusvermehrung. Die WO02/066513 A2 und die EP 1 040 190 B1 betreffen auch biologisch aktive LEKTI Fragmente und ihre Verwendung als Diagnostik und Arzneimittel zur Behandlung verschiedener Indikationen.
  • Aufgrund der bedeutenden physiologischen Rolle, die die geschilderten proteolytischen Prozesse spielen, besitzen bestimmte Protease-Inhibitoren ein hohes therapeutisches Potential. Daher besteht ein ständiger Bedarf an neuen spezifisch-wirkenden Serin-Protease-Inhibitoren, die präventiv oder kurativ eingesetzt werden können.
  • Der vorliegende Erfindung liegt damit die Aufgaben zugrunde, weitere Serin-Proteinase-Inhibitoren bereitzustellen, die als gut zugängliches Arzneimittel mit biologischer und therapeutischer Aktivität eines natürlichen Stoffes verwendet werden können sowie einen Weg zu ihrer Produktion aufzuzeigen.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch den Serin-Proteinase-Inhibitor mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung wieder.
  • Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 eine Übersicht über das LEKTI-3-kodierende spink6 Gen und das LEKTI-3 Protein, nämlich a) eine schematische Darstellung der Exon-Intron-Struktur des spink6 Gens; b) die Nukleotid- und Aminosäurensequenz des humanen spink6 Gens; und c) die schematische Strukturdarstellung der Kazal-Domäne des humanen LEKTI-3 Proteins anhand eines Sequenzvergleiches von LEKTI-3 Proteinen von verschiedenen Spezies;
  • 2 das Expressionsprofil von LEKTI-3 in verschiedenen menschlichen Geweben;
  • 3 die Isolierung von LEKTI-3 aus menschlicher Haut a) in einer C2C18-RP-HPLC Analyse und B9 in einer ESI-MS Analyse;
  • 4 die Identifizierung von LEKTI-3 in menschlicher Haut;
  • 5 KLK3-, KLK5- und KLK7-Aktivität unter Einfluss von hrLEKTI-3;
  • 6 KLK8-, KLK12, und KLK13-Aktivität unter Einfluss von hrLEKTI-3; und
  • 7 KLK14-Aktivität unter Einfluss von hrLEKTI-3.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft die Isolierung und Verwendung des in der Haut vorkommenden Proteins Serin-Proteinase-Inhibitor LEKTI-3.
  • In der menschlichen Chromosomregion 5q32 gibt es verschiedene Spink-Gene, die einen Cluster mit den bereits charakterisierten Spink5, Spink7 und Spink9 bilden, u. a. Spink6 (Gen-Bank accession No. NM_205841). Spink6 kodiert für das Protein LEKTI-3. Um das menschliche Spink6 zu charakterisieren, haben die Erfinder die LEKTI-3-cDNA aus kultivierten Keratinozyten isoliert. Das gesamte durch spink6-kodierte Protein LEKTI-3 hat die Aminosäuresequenz (SEQ ID: NO 1):
    Figure 00070001
  • Aus menschlicher Haut wurde zudem ein LEKTI-3 Fragment isoliert, mit der Aminosäuresequenz (SEQ ID: NO 2):
    Figure 00080001
  • Das oben beschriebene LEKTI-3 Fragment SEQ ID: NO 2) wurde in E. coli exprimiert und anschließend aufgereinigt. Das rekombinante LEKTI-3-Fragment inhibiert dosisabhängig und in selektiver Weise die Aktivität von KLK 5, 7, 12, 13 und 14, aber nicht die von KLK3 und KLK8.
  • Weitere Einzelheiten der Erfindung sind der folgenden Beschreibung zu entnehmen, in der die Erfindung anhand der Figuren näher erläutert ist.
  • 1 zeigt eine Übersicht über das LEKTI-3-kodierende spink6 Gen und das LEKTI-3 Protein. Die Struktur des Spink6-Gens wird in 1a) veranschaulicht. Spink6 umfasst 4 Exons und 3 Introns. Die nicht-kodierenden Regionen sind in 1a) grau dargestellt. Die cDNA-Sequenzdaten sind unter der GenBank beim ”National Center for Biotechnology Information” (NCBI) unter Zugangsnummer AY358716 verfügbar. Der offene Leserahmen (schwarz in 1a)) umfasst 243 Nukleotide, die für ein 80 Aminosäurereste langes Peptid (SEQ ID: NO 1, GenBank AAQ89078) kodieren, das humane LEKTI-3 Protein.
  • Durch RACE („Rapid Amplification of cDNA Ends”) wurden zwei cDNA-Klone aus Keratinozyten charakterisiert. Die 5'-Experimente ergaben zwei Extensionsprodukte mit unterschiedlichen Transkriptionsstarstellen (transcription start site, TSS in 1b)). Die 3'-Experimente ergaben ein einziges Extensionsprodukt mit einem Polyadenylierungssignal (AATAAA, doppelt unterstrichen in 1b)) 214 Nukleotide 5' vom Poly(A). Die cDNAs (947 bp für den längeren Transkript; 883 bp für den kürzeren) enthalten den gleichen offenen Leserahmen (243 bp; 1b)). Das resultierende 80 Aminosäurereste-lange LEKTI-3 Protein enthält eine leader-Sequenz mit einem Signalpeptid (Reste 1–24, nicht unterstrichen bei der Proteinsequenz in 1b)). Der Sequenzvergleich der Kazal-Domänen, die bei Säugetieren und Vögeln von Spink6 kodiert werden, zeigt, dass diese Sequenzen sehr konserviert sind (1c). Die markierten putativen Disulfidbrücken bei der Konsensus-Sequenz entsprechen den Disulfidbrücken, die sich bei einer Kazal-Inhibitor-Domäne ausbilden.
  • Das Expressionsprofil von LEKTI-3 in verschiedenen menschlichen Geweben wird in 2 veranschaulicht. Die mRNA Expression von Spink6 wurde mittels real-time RT-PCR untersucht. Dabei wurde Spink6 mRNA in allen untersuchten Geweben und Zellen nachgewiesen, einschließlich Atemwege (Lunge und Trachea), Magen-Darm-Trakt (Speicheldrüsen, Magen, Dünndarm, Kolon und Leber), Fortpflanzungsapparat und Harnwege (Niere, Blase, Prostata, Hoden, Milchdrüse, Knochenmark und Plazenta), endokrines System (Schild- und Adrenaldrüse), Gehirn und Lymphgewebe (Mandeln, Gehirn, Milz, Thymus, Herz), Vorhaut-Hauproben, primäre Keratinozyten aus Zellkultur und HaCat Zellen.
  • Um natürlich prozessiertes LEKTI-3 Protein in menschlicher Haut zu identifizieren, wurde das affinitätsgereinigte polyklonale Spink6-Antikörper (Beispiel 4) zur affinitätschromatographischen Isolierung von LEKTI-3 Formen aus menschlichen Hautextrakten verwendet. Die Fraktion des einzigen dabei erhaltenen Peaks (nicht gezeigt) wurde anschließend durch C2C18-RP-HPLC aufgereinigt (3a): die durchgehende Linie zeigt die Absorption bei 215 nM, die darunterliegende – siehe Anfang des Chromatogrammes – bei 254 nM und die unterste bei 280 nM). ESI-MS Analysen (3b)) zeigten eine einzige proteinhaltige HPLC Fraktion mit dem Molekulargewicht (5933,75 Da) des vorausgesagten Spink6-Fragmentes (Reste 25 bis 80). Die Identität dieser Fraktion wurde außerdem durch MS/MS Analysen bestätigt. Dieses natürlich prozessierte Spink6-Fragment hat folgende Sequenz (SEQ ID: NO 2) und unterscheidet sich von der bereits bekannten cDNA Sequenz (SEQ ID: NO 1) in einem Aminosäurerest (unterstrichen):
    Figure 00090001
  • Immunohistochemische Analysen haben gezeigt, dass LEKTI-3 in der menschlichen Haut in der Epidermis exprimiert wird (4), mit einem erhöhten Expressionsniveau von basalen bis terminal differenzierten Keratinozyten. LEKTI-3 Immunoreaktivität wurde zudem in Haarfollikel, Schweiß- und Talgdrüsen nachgewiesen (nicht gezeigt).
  • Zur Charakterisierung der inhibitorischen Aktivität von LEKTI-3 wurde die prozentuale Inhibition von rekombinantem LEKTI-3 SEQ ID: NO 2 für verschiedene Serin-Proteasen bestimmt (Tabelle 1; Beispiel 7). Inhibition durch LEKTI-3 wurde dabei nur für die getesteten KLK-Familienmitglieder festgestellt, aber nicht für andere untersuchte Serin-Proteasen, einschließlich Trypsin, Chymotrypsin und Thrombin.
  • Daraufhin wurde vermutet, dass es sich bei LEKTI-3 um einen KLK-selektiven Inhibitor handelt. Für die Inhibition von KLK3, 5, 7, 8, 12, 13, 14 wurden anschließend Konzentrations-abhängige Versuche durchgeführt. 5 zeigt die dosisabhängige Inhibition von KLKs durch rekombinantes LEKTI-3. Mit in vitro Assays (5; Beispiel 7) konnten die Erfinder zeigen, dass LEKTI-3 dosisabhängig und in selektiver Weise die Aktivität von KLK5, 7, 12, 13 und 14 inhibiert. Es ließ sich eine Ki von 0,6 nM für KLK5 und von 0,1 nM für KLK14 ermitteln. KLK 3 und 8 wurden nicht von LEKTI-3 inhibiert.
  • Die vorliegende Erfindung stellt des Weiteren ein Herstellungsverfahren für die erfindungsgemäßen Peptide bereit. Neben der gentechnischen Herstellung der Peptide ist auch die aufbauende Totalsynthese an üblichen Festphasen im Sinne der Merrifield-Synthese oder einer Flüssigphasensynthese möglich. Die Synthesestrategie und der Aufbau der Peptide und von ihnen abgeleiteten Derivaten mit den entsprechend geschützten Aminosäuren sind dem Fachmann bekannt. Gegenstand der Erfindung ist daher neben der Verwendung der beschriebenen Peptide auch die Verwendung deren biologisch aktive Fragmente. Biologisch aktiv bedeutet, dass die Fragmente gemäß dem in den Beispielen angegebenen Messverfahren einen maximal 10-fach so hohen Ki-Wert aufweisen wie die zugrunde liegenden kompletten Peptide. Bevorzugt handelt es sich um Derivate, bei dem N- oder C-Terminal eine oder mehrere Aminosäuren fehlen. Es können jedoch auch Aminosäuren aus der Sequenz deletiert sein. Solche Fragmente weisen bevorzugt nicht mehr als 10% deletierte Aminosäuren auf.
  • Gegenstand der Erfindung ist weiterhin die Verwendung solcher Peptide, bei denen einzelne Aminosäuren ausgetauscht sind. Bevorzugt handelt es sich dabei um konservative Austausche, d. h. Aminosäuren mit ähnlichen Eigenschaften werden ersetzt, beispielweise Alanin gegen Serin, Leucin gegen Isoleucin, etc. Auch hier wird bevorzugt, dass nicht mehr als 10% der Aminosäuren in den Peptiden ersetzt werden.
  • Darüber hinaus können auch einzelne Aminosäuren durch nicht-natürliche Aminosäuren ersetzt sein, d. h. durch Aminosäuren, die weitere funktionelle Gruppen tragen, beispielsweise Hydroxyproline, Methylthreonine, Homocysteine, etc. Auch in diesem Fall sind bevorzugt nicht mehr als 10% der Aminosäuren entsprechend modifiziert. Weiterhin können die Peptide Derivatisierungen tragen, beispielsweise glycosiliert, amidiert, acetyliert, sulfatiert oder phosphoryliert sein.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft des Weiteren die Verwendung der erfindungsgemäßen Peptide als Arzneimittel für verschiedene therapeutische Indikationen. Dazu können die Peptide als hochreine Stoffe oder – wenn für die Verwendung ausreichend – innerhalb eines teilweise aufgereinigten Peptidgemisches oder als Gemisch mehrerer erfindungsgemäßer Peptide verwendet werden.
  • Da LEKTI-3 natürlicherweise im Bereich der Epidermis gefunden wird und eine spezifische Wirkung als Inhibitor von KLK5, 7, 12, 13 und 14 aufweist, eignen sich die erfindungsgemäßen Peptide besonders gut zur Behandlung von Hauterkrankungen mit geschädigter epidermaler Barriere wie Neurodermatitis, dishydrosiformes Hand-Fußekzem, nummuläres Ekzem und Netherton Syndrom.
  • Für die erfindungsgemäßen Peptide sind auch kosmetische Anwendungen möglich, wenn ein raues, rissiges Hautbild behandelt werden soll.
  • Die Erfindung wird anhand der folgenden Beispiele näher beschrieben.
  • Beispiel 1: Klonierung der LEKTI-3 cDNA
  • Mit Hilfe gängiger molekularbiologischer Methoden gelang die Klonierung der cDNA aus kultivierten menschlichen Keratinozyten. Die Gesamt-RNA wurde mit TRIzol (Invitrogen, Hamburg, Germany) aus kultivierten Keratinozyten menschlicher Vorhäute gewonnen. Um eine Kontamination mit genomischer DNA auszuschließen wurden nach Behandlung mit RNase freier DNaseI (Roche Diagnostics, Mannheim, Germany) 3 μg der DNA-freien Gesamt-RNA zur Synthese der First-strand cDNA für die RACE („Rapid Amplification of cDNA Ends”) mit dem SMART RACE cDNA Amplifikations Kit (BD Bioscience Clontech, Heidelberg, Germany) nach Angaben des Herstellers verwendet.
  • Um das 5'-Ende der spink6 cDNA zu gewinnen, wurde 5'-RACE mit einem genspezifischen Antisenseprimer (5'-AGG CAC ATT TAT TGC CAT ATG TCT GGC CAT C-3') und einem Universalprimergemisch (10 × UPM) nach dem Clontech SMART RACE cDNA Ampilfizierungsprotokoll durchgeführt. Die 5'-RACE PCR wurde folgendermaßen durchgeführt: 1 min, 95°C; 5 Zyklen 95°C, 20 s, 3 min, 72°C; 5 Zyklen 95°C, 20 s, 3 min, 70°C; 25 Zyklen 95°C, 20 s, 3 min, 68°C; abschließend 10 min Extension bei 72°C.
  • Um das 3'-Ende der spink6 cDNA zu erhalten, wurde der erste PCR Zyklus mit einem genspezifischen Senseprimer (5'-GTG AGT TCC AGG ACC CCA AGG TCT ACT G-3') und 10 × UPM durchgeführt. Anschließend wurden 0,5 μl des PCR-Produktes als Template für die nested-PCR verwendet mit nested genspezifischen Primern (5'-nest: 5'-GCC ACA GTG TGG GTT AGA TTC CCG AGT G-3'; 3'-nest: 5'-CCA CAC TGT GGC TCT GAT GGC CAG A-3'). Die Reaktion fand unter folgenden Bedingungen statt: 1 min, 95°C; 30 Zyklen 95°C, 20 s, 3 min 70°C; abschließend 10 min Extension bei 70°C. Das amplifizierte Fragment wurde Gel-gereinigt, in den Vektor pGEM-T (Promega, Mannheim, Germany) subkloniert und anschließend sequenziert.
  • Beispiel 2: Bestimmung der Expression von LEKTI-3 durch Real-time RT-PCR
  • Gesamt-RNA aus kultivierten Keratinozyten menschlicher Vorhäute, aus HaCaT-Zellen und aus Haut wurde mit TRIzol (Invitrogen, Hamburg, Germany) gewonnen. Andere Gesamt-RNAs aus verschiedenen Geweben wurden von BD Bioscience Clontech (Heidelberg, Germany) bezogen. Die reverse Transkription erfolgte aus 2 μg Gesamt-RNA mit einem oligo(dT)18 Primer und der Superscript II RNaseH-Reversen Transcriptase (Invitrogen). Das verwendete Paar Gen-spezifischer PCR-Primer (forward Primer: 5'-ACC TCA GCT GGA CAA AGC AG-3'; reverse Primer: 5'-TGG CAA GTC ACC AAG AAA CA-3') ermöglicht die Amplifizierung eines 322 bp LEKTI-3-Fragmentes, das alle drei Exon-Intron-Grenzen umfasst. Die Real-time RT-PCR Experimente wurden mit dem SYBR® Premix Ex TaqTM Kit (Takara Bio, Heidelberg, Germany) in einem Fluoreszenz-Thermocycler nach den Angaben des Herstellers (LightCycler, Roche Molecular Biochemicals, Hamburg, Germany) durchgeführt. Die Amplifikationsprodukte wurden durch 2,0% Agarose-Gelelectrophorese analysiert und, wenn nötig, noch aufgereinigt und sequenziert, um ihre Identität zu bestätigen. Durch Quantifizierung bei jeder cDNA in einer gesonderten PCR-Reaktion wurde das ”housekeeping”-Gen GAPDH (Glyceraldehyd Phosphodehydrogenase) als interne Kontrolle verwendet.
  • Beispiel 3: Expression eines rekombinanten LEKTI-3-Fragmentes
  • Die rekombinante Expression der spink6 cDNA wurde in E. coli durchgeführt. Dazu wurde die spink6 cDNA in die prokaryotischen Expressionsvektoren pET-32a (Novagen, North Ryde, Australia) und pET-SUMO (Invitrogen), wie beschrieben (Wu and Meyer-Hoffert et al., J Invest Derm in press) subkloniert. Das SUMO-His-tagged Fusionsprotein wurde mit SUMO Protease nach Angaben des Herstellers (Lifesensors Inc., Pennsylvania, USA) verdaut und über eine Jupiter-5μg-C4-300A HPLC Säule (Phenomenex, Aschaffenburg, Germany) aufgereinigt. Die Reinheit und die Sequenz des Peptides wurden mittels ESI-QTOF-Massenspektrometrie überprüft (Micromass, Manchester, U. K.).
  • Beispiel 4: Herstellung von Antikörper gegen LEKTI-3
  • Die polyklonalen Antisera gegen die Aminosäuresequenz des humanen LEKTI-3-Fragmentes (SEQ ID: NO 2) wurden in der Ziege hergestellt. Die Gesamtmenge 1,0 mg des Fusionsproteins (pET-32a-LEKTI-3) wurde mit der Glutarataldeyd Methode (Briand, J. P., Müller, S. und Van Regenmortel, M. H. (1985). Synthetic peptides as antigens: Pitfalls of conjugation methods. J. Immunol. Methods. 78: 59–69) zu Maleimid-aktiviertem keyhole limpet Hemocyanin (KLH) (Protein KLH 1:1 w/w) konjugiert und anschließend für den Gebrauch als Immungen mit 500 μg pET-32a-LEKTI-3 gemischt.
  • Die Immunisierung der Ziege wurde viermal durchgeführt an den Tagen 0, 14, 28 und 35. Das Blut der Ziege wurde 2 Wochen nach dem letzten „booster” entnommen. Das Serum wurde bis zum Gebrauch bei –70°C aufbewahrt. Die Antisera wurden durch die Absorption an hiT rap NHS-aktivierte HP 1 ml Säulen (American Biosciences, Freiburg, Germany) mit kovalent-gebundenem rLEKTI-3 Affinitäts-gereinigt. Die Spezifität wurde mit gereinigtem rLEKTI-3 und Stratum corneum Extrakten mittels Western Blot getestet.
  • Beispiel 5: Isolierung von natürlichem LEKTI-3 aus menschlichen Hautproben
  • Gesamtprotein wurde aus Hornmaterial von verschiedenen Probanden (80–120 g Stratum corneum aus Fersengewebe) wie beschrieben isoliert Meyer-Hoffert et al., 2009 (PLoS ONE. 2009; 4(2): e4372.) und Affinitäts-gereinigt. Dafür wurden anti-humanen LEKTI-3-Antikörper (Beispiel 4) zu HiTrap NHS-aktivierten HP 1 ml Säulen (Amersham Biosciences) kovalent gebunden. Die Affinitäts-gereinigten Fraktionen wurden ferner durch C2C18 RP-HPLC aufgetrennt. Jede Fraktion wurde anschließend durch ESI-Massenspektrometrie im positiven Ionisierungsmodus mit einem Quadrupol orthogonal beschleunigenden Flugzeit-Massenspektrometer (QTOF-II hybrid mass spectrometer; Micromass, Manchester, United Kingdom) analysiert. MS/MS wurde zudem angewendet, um die Identität der Fraktionen zu analysieren.
  • Beispiel 6: Bestimmung der Expression von LEKTI-3 in der Haut
  • Die Expression von LEKTI-3 in der Haut wurde mit Hilfe von immunhistochemischer Färbung von Paraffin-Schnitten untersucht. Die Fixierung der Gewebeproben wurde in 4% Paraformaldehyd durchgeführt. Es wurden Paraffin Bereiche (5 μm) der Gewebeproben deparaffiniert und rehydriert, bevor eine hitzeinduzierte Antigen Rückgewinnung in 0,01 M Citratpuffer (pH 6,0) durchgeführt wurde. Diese Paraffin Bereiche wurden anschließend vor der Färbung mit normalem Hasenserum (1:75, Dako Cytomation, Glostrup, Denmark) blockiert. Die immunohistochemische Färbung wurde mit Affinitäts-gereinigten polyklonalen Ziegen-LEKTI-3 Antikörper (1:200 Verdünnung) für 1 Stunde bei Raumtemperatur durchgeführt. Die Bereiche wurden mit biotiniliertem Anti-Ziege IgG (1:100, Dako Cytomation) inkubiert, anschließend mit dem Vector Universal ABC Alkaline Phophatase Substrate Kit (Vector, Burlingame, CA, USA) inkubiert und mit Vector NovaRED Substrate (Vector) entwickelt. Schließlich wurde eine Gegenfärbung mit Hematoxylin durchgeführt. Die Spezifität wurde durch Blockieren des primären Antikörpers mit dem rekombinanten LEKTI-3-Peptid getestet, und die Negativ-Kontrollen erfolgten durch Färbung der Bereiche mit präimmunen Ziegen-Sera.
  • Beispiel 7: Bestimmung der biologischen Aktivität von LEKTI-3
  • Zur Charakterisierung der Protease-inhibitorischen Aktivität von LEKTI-3 wurde die prozentuale Inhibition für verschiedene Serin-Proteasen bestimmt (Tabelle 1). Alle Protease-Assays erfolgten durch Bestimmung der Freisetzung von chromogenischem Substrat durch die Proteasen. Die Aktivität aller Proteasen (Tabelle 1) wurde im vom Hersteller empfohlenen Puffer bestimmt. Die spezifischen Protease-, Substrat- und Inhibitorkonzentrationen sind in Tabelle 1 angegeben. Die Veränderung der Absorbanz bei 405 nm wurde über 16 Stunden verfolgt und mit Enzym-freien Kontrollreaktionen verglichen. KLK-Inhibition wurde nach Präinkubation des Enzyms mit dem Inhibitor für 15 min bei 21°C bestimmt.
  • KLK14 (R & D, Systems), ursprünglich als inaktive Proform, wurde nach den Angaben des Herstellers aktiviert. Die Konzentration des aktiven KLK14 war 3,19 μM (89 μg/ml). KLK5 (R & D), bereits als aktive Form, wurde in der Konzentration 3,7 μM (0,149 mg/ml) verwendet.
  • Um den Ki-Wert zu bestimmen, wurden die aktiven Formen beider Enzyme in der Konzentration 4 nM mit steigenden rLEKTI-3 Mengen in 100 μl TNT Puffer (50 mM Tris; 0,15 mM NaCl; 0,05% Tween-20) präinkubiert. Die Konzentration des Inhibitors wurde anhand von Sequenz-basierten molaren Extinktionskoeffizienten und Messungen der Absorbanz bei 280 nm berechnet. Die Inkubation mit dem Inhibitor erfolgte für 15 Minuten bei 21°C, gefolgt von der Beigabe des Substrates (Trypsin Substrat Tosyl-Gly-Pro-Arg-pNa (Sigma)). Zu jeder Probe wurden 100 μl T-GPR-pNa-Lösung hinzugefügt, und die Kinetik-Messungen (Absorbanz bei 405 nm) wurde anschließend sofort in einem Mikroplatten-Leser (Sunrise) durchgeführt. Die Endkonzentration jedes Enzyms in einem Gesamtvolumen von 200 μl betrug 2 nM, die Substratkonzentration 1 mM und die LEKTI-3-Konzentration bis zu 2000 nM. Die Absorbanz wurde im Falle von KLK14 für eine Stunde und für KLK5 übernacht gemessen. Die Ergebnisse wurden anhand der Methode von Baici analysiert (Baici, A. (1981) The Specific Velocity Plot: A Graphical Method for Determining Inhibition Parameters for Both Linear and Hyperbolic Enzyme Inhibitors. Eur. J. Biochem. 119: 9–14). Tabelle 1: LEKTI-3 Inhibition verschiedener Serin-Proteasen.
    Proteinase (Endkonzentration) LEKTI-3 (nM) Inhibition (%) Substrat (0,33 mM)
    Bovines Trypsin (2 nM) 400 0 N-(p-Tosyl)-Arg-Gly-Val 5-Nitroanilid
    Cathepsin G (1 nM) 666 0 N-Succinyl-Ala-Ala-Pro-Phe p-Nitroanilid
    Chymase (2 nM) 666 0 N-Succinyl-Ala-Ala-Pro-Phe p-Nitroanilid
    Humanes Chymotrypsin (2 nM) 400 0 3-Carbomethoxypropionyl-Arg-Pro-Tyr p-Nitroanilin
    Humanes Kallikrein 14 (2 nM) 400 99,9 N(p-Tosyl)-Arg-Gly-Val 5-Nitroanilid
    Humanes Kallikrein 5 (5,3 nM) 400 99,9 N(p-Tosyl)-Arg-Gly-Val 5-Nitroanilid
    Humanes Kallikrein 7 (15,8 nM) 400 88,3 3-Carbomethoxypropionyl-Arg-Pro-Tyr p-Nitroanilin
    Humanes Leukozyt Elastase (2 nM) 400 0 N-Methoxysuccinyl-Ala-Ala-Pro-Val p-Nitroanilid
    Humanes Plasmin (2 nM) 400 0 N-(p-Tosyl)-Gly-Pro-Lys 4-Nitroanilid
    Humanes Thrombin (1 nM) 400 0 N-(p-Tosyl)-Gly-Pro-Arg p-Nitroanilid
    Matriptase (0,5 nM) 400 0 H-D-Ile-Pro-Arg p-Nitroanilin
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Claims (11)

  1. Serinprotease-Inhibitor, ausgewählt aus der Gruppe von Peptiden bestehend aus – einem Peptid mit der in SEQ ID: NO 1 dargestellten Aminosäuresequenz, – einem Peptid mit der in SEQ ID: NO 2 dargestellten Aminosäuresequenz, und – einem Derivat oder Fragment eines Peptids mit der in SEQ ID: NO 1 oder SEQ ID: NO 2 dargestellten Aminosäuresequenz mit Serinprotease-inhibierender Wirkung.
  2. Serinprotease-Inhibitor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Derivat oder Fragment ein zyklisches, amidiertes, acetyliertes, sulfatiertes, phosphoryliertes, glycolysiertes oder oxidiertes Peptid ist.
  3. Serinprotease-Inhibitor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Derivat oder Fragment bis zu 10% konservativ ausgetauschte Aminosäuren aufweist.
  4. Serinprotease-Inhibitor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Derivat oder Fragment bis zu 10% nicht-natürlich vorkommende Aminosäuren aufweist.
  5. Serinprotease-Inhibitor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die nicht-natürlich vorkommenden Aminosäuren ausgewählt sind aus der Gruppe von nicht-natürlich vorkommenden Aminosäuren bestehend aus Hydroxyprolin, Methylthreonin, Homocystein.
  6. Verwendung des Serinprotease-Inhibitors nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Inhibierung einer der Serinproteasen KLK4, KLK5, KLK7, KLK12, KLK13 oder KLK14.
  7. Verwendung des Serinprotease-Inhibitors nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zur Herstellung eines Arzneimittels zur Behandlung von Hauterkrankungen des menschlichen oder tierischen Organismus.
  8. Verwendung des Serinprotease-Inhibitors nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zur Herstellung eines Arzneimittels zur Behandlung von Neurodermitits, dyshidrosiformem Hand-Fußekzem, nummulärem Ekzem oder Netherton Syndrom.
  9. Medizinisches Instrument, Katheter, medizinisches Implantat oder Kontaktlinse, gekennzeichnet durch eine den Serinprotease-Inhibitor nach einem der Ansprüche 1 bis 6 aufweisende Beschichtung.
  10. Arzneimittel gekennzeichnet durch den Serinprotease-Inhibitor nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
  11. Kosmetische Zusammensetzung, gekennzeichnet durch den Serinprotease-Inhibitor nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
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