Transglutaminase 2

Die Transglutaminase 2, auch Gewebe-TG oder als TGc oder Gh bezeichnet, ist in Geweben und Zelltypen weit verbreitet. TG2 ist in erster Linie ein zytosolisches Protein, ist aber auch im Zellkern und an der Plasmamembran nachweisbar. Das Enzym wird durch TGM2-Gen, das auf Chromosom 20q11.23 lokalisiert ist, kodiert.

Neben der Transamidierungsreaktion besitzt die Transglutaminase 2 auch GTPase-, ATPase-, Proteinkinase- und Proteindisulfidisomerase (PDI)-Aktivität. Das Enzym interagiert mit Phopholipase Cδ1, β-Integrinen, Fibronectin, Osteonectin, RhoA, mehrstufigen Kinasen, Retinoblastom-Protein, PTEN und IκBα.

Eine TG2-Dysfunktion trägt zu Zöliakie, neurodegenerativen Störungen und Kataraktbildung, sklerosierenden Hautveränderungen (Balanitis xerotica obliterans) bei.

TG2-Knockout-Mäuse haben jedoch keinen Phänotyp, zeigen aber eine verzögerte Wundheilung und eine schlechte Reaktion auf Stress. Auch Fibroblasten, die von TG2-Mäusen stammen, zeigen eine veränderte Anheftung und Beweglichkeit. Während die Primärstruktur der Transglutaminasen nicht konserviert ist, haben sie alle die gleiche Aminosäuresequenz an ihren aktiven Stellen. Ihre Aktivität ist kalziumabhängig.

Transglutaminasen (TG) gehören zu einer Familie strukturell und funktionell verwandter Enzyme, die Ca2+-abhängige posttranslationale Modifikationen von Proteinen katalysieren, indem sie Protein-Protein-Vernetzungen, Amineinbau und ortsspezifische Deamidierung einführen (Lorand L et al. 2003).

Beim Menschen sind neun Mitglieder der TG-Familie (TG1-TG9) identifiziert worden, von denen acht katalytisch aktiv sind. TG2 ist das am besten untersuchte, multifunktionelle Mitglied der Transglutaminase-Familie und ist unter ihnen einzigartig, da es neben seiner Eigenschaft als Transglutaminase auch enzymatische GTPase-, Proteindisulfid-Isomerase- und Proteinkinase-Aktivitäten besitzt (Fesus L et al. 2002). TG2 wird in fast allen Zellkompartimenten wie dem Zytoplasma, den Mitochondrien, den Recycling-Endosomen und dem Zellkern exprimiert. Es ist auch auf der Zelloberfläche vorhanden und wird über nicht-klassische Mechanismen in die extrazelluläre Matrix sezerniert.

Die Struktur von TG2 enthält vier Domänen: Eine N-terminale β-Sandwich-Domäne, eine katalytische Kerndomäne und zwei C-terminale β-Fass 1 und β-Fass 2 Domänen. Das Protein kann sowohl in einer geschlossenen (in Gegenwart von GTP) als auch in einer geöffneten aktiven Konformation vorliegen, wenn Ca2+ an das Enzym gebunden ist (Pinkas DM et al. 2007). TG2 hat eine konservierte 3D-Struktur und eine katalytische Triade, die auch andere Mitglieder der Familie aufweisen, aber auch andere einzigartige Proteinsequenzen, sehr oft intrinsisch ungeordnete Regionen und kurze lineare Motive, die das Protein zu einem idealen Protein-Protein-Interaktionspartner machen.

Diese und viele andere nicht-enzymatische Interaktionen haben physiologische Funktionen, die in unterschiedlichen Proteinnetzwerken ausgeübt werden. Diese Funktionsvielfalt erklärt auch, warum TG2 als Vermittler bei so vielen menschlichen Krankheiten auftritt.

Exom-Sequenzierungsdaten aus verschiedenen Populationen konnten keine Individuen aufdecken, mit homozygoten Loss-of-Function-Varianten für TG2. Es ist anzunehmen, dass TG2 einer reinigenden Selektion unterliegt, die nicht einmal die Entstehung heterozygoter gemeinsamer Varianten zulässt (Thangaraju K et al. (2017).

Transglutaminase 2 bei fibroproliferativen Erkrankungen: Fibroproliferative Erkrankungen (z.B. Lungenfibrosen, systemische Sklerose, Leberzirrhose und kardiovaskulärer Erkrankungen) beruhen teilweise auf einer Aktivierung der Fibroblastentätigkeit durch TGM2 (Wynn TA 2007). Unter gesunden Bedingungen wird nach einer Verletzung ein Regenerationsprogramm eingeleitet, an dem aktivierte T-Lymphozyten beteiligt sind, die profibrotische Zytokine wie den transformierenden Wachstumsfaktor (TGF)-β und Interleukin (IL)-13 produzieren, sowie aktivierte B-Lymphozyten, die IL-6 produzieren. Diese Zytokine aktivieren sowohl Makrophagen als auch Fibroblasten. Infolgedessen verwandeln sich aktivierte Fibroblasten in alpha-SMA-exprimierende, Kollagen produzierende Myofibroblasten (Phillips RJ et al. 2004; Varga J et al. 2007).

TG2 kann die Gewebefibrose auf verschiedene Weise fördern. Zunächst einmal sind TG2 und die Produktion von aktivem TGF-β eng miteinander verbunden. TGF-β wird in latenter Form sezerniert und ist nicht kovalent an sein gespaltenes Propeptid gebunden, das disulfidisch mit Proteinen der Familie der latenten TGF-β-Bindungsproteine (LTBP) verknüpft ist, die bei seiner Faltung, Sekretion und Lokalisierung helfen und die mechanische Aktivierung des Zytokins ermöglichen (Troilo H et al. 2016). Der N-Terminus der LTBPs ist nachweislich ein Substrat für TG2. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass TG2 zur Aktivierung von  Makrophagen-TGF-β beiträgt und die Transkription von TGF-β1 fördert (Yen JHet al. (2015).

TG2 wird nicht nur mit der aktiven TGF-β-Bildung in Verbindung gebracht, sondern hat auch eine profibrotische Wirkung, da es verschiedene Matrixproteine vernetzen kann, wodurch diese resistenter gegen den Proteinabbau werden (Colligham RJ et al. 2014; Sarang Z et al. 2005). TGF-β selbst fördert wiederum die Transkription von TG2. Somit treibt TGF-β die TG2-Expression an, während TG2 zur Transkription, Sekretion und Aktivierung von TGF-β beiträgt, was zur Bildung einer zusätzlichen Ebene der Selbstverstärkungsschleife in der Pathogenese der Fibrose führt. Bemerkung: Es ist zu vermuten, dass die Hemmung der extrazellulären TG2-Aktivität bei der Behandlung fibrotischer Erkrankungen von Nutzen sein könnte.

Transglutaminase 2 und Neoplasien: Eine weitere Gruppe von Krankheiten, bei denen die Hemmung von TG2 von Nutzen sein könnte, sind Krebserkrankungen. Versch. Studien deuten darauf hin, dass Krebszellen erhöhte TG2-Konzentrationen aufweisen, und dass erhöhte TG2-Konzentrationen bei den meisten dieser Tumoren mit einem aggressiven Krebs-Phänotyp und Arzneimittelresistenz einhergehen (Huang L et al. 2015). So wurde ein Zusammenhang zwischen erhöhten TG2-Konzentrationen und der Aggressivität von Krebs bei Darmkrebs, Brustkrebs, Pankreaskarzinom,  Ovarialkarzinom, Ösophaguskarzinom, Glioblastomen, malignen Melanomen (Fok JYet al. 2006) u.a. festgestellt. Obwohl mehrere Mechanismen bekannt sind, durch die TG2 das Überleben von Krebs, die Tumorprogression und die Invasion fördert, werden viele dieser Wirkungen dem extrazellulär lokalisierten TG2 zugeschrieben.

TG2 kann als Proteinvernetzungsenzym die Struktur und Stabilität der extrazellulären Matrix (ECM) so verändern, dass es die integrinabhängige ECM-Bindung und Migration von Krebszellen unterstützt. Extrazelluläres TG2 kann S100A4 vernetzen und so die Metastasierung fördern. TG2 fungiert auch als Integrin-Corezeptor für die β1-, β3-, β4- und β5-Integrine und erleichtert Integrin-vermittelte Signalwege, die zum Teil den Wachstumsfaktor-Signalweg fördern und damit das Zellwachstum fördern (Multhaupt HA et al. 2016). Es scheint, dass chronische Entzündungen, die eine starke Prädisposition für die Krebsentstehung darstellen, und Hypoxie, die für schnell wachsende Krebszellen charakteristisch ist, die beiden Hauptantriebskräfte sind, die zur Überexpression von TG2 in Krebszellen führen, da die TG2-Expression direkt von den pro-inflammatorischen Zytokinen, die NF-κB aktivieren, von TGF-β und von den durch Hypoxie aktivierten HIFs reguliert wird.

Transglutaminase 2 bei kardiovaskulären Erkrankungen: Unter normalen Umständen ist TG2 in Makrophagen, glatten Muskelzellen und Endothelzellen weit verbreitet. Es wurde berichtet, dass es sich in atherosklerotischen Plaques anreichert (Haroon ZA et al. 2001) und auf verschiedene Weise mit atherosklerotischen Prozessen interagiert. So konnte gezeigt weren, dass TG2 den NFκB-Signalweg aktiviert und die Entzündung fördert, indem es den NFκB-Inhibitor IKB-α vernetzt, was zur Expression von TNF-α und Stickstoffmonoxid-Synthase führt. Der Promotor von TG2 enthält ein auf NFκB und Zytokine reagierendes Element, das zur Bildung einer Aktivierungsschleife in entzündlichen Makrophagen beiträgt. Auf diese Weise könnte TG2 die anfängliche Schädigung von Endothelzellen durch Förderung der Entzündungsreaktion in Makrophagen erleichtern.

TG2 und Thrombozyten: TG2 kann auch in Blutplättchen nachgewiesen werden (Lorand Let al. 1987). Während der Aktivierung der Thrombozyten setzen diese den Inhalt ihrer α-Granula und Dense Bodies frei, um die Blutgerinnung zu fördern. Aktivierte Thrombozyten binden mehrere aus den α-Granula freigesetzte Proteine, darunter Fibrinogen, von-Willebrand-Faktor, Thrombospondin und Fibronektin, die alle ein Substrat für TG2 darstellen. Sowohl die Freisetzung des Inhalts der α-Granula als auch die Bindung dieser Prokoagulantien erfolgt durch TG2-vermittelte kovalente Bindung von Serotonin an Proteine, die so genannte Serotonylierung (Walther DJ et al. (2003).

Transglutaminase 2 bei Zöliakie und anderen gastroenterologischen Erkrankungen: Bei der Zöliakie ist TG2 ein spezifisches Ziel eines Autoimmunmechanismus, der durch exogene Getreidepeptide (Glutene) ausgelöst wird. Bei genetisch prädisponierten Personen führt der Verzehr von Weizen, Roggen und Gerste zu einer Atrophie der Dünndarmzotten, zu Malabsorption und zur Bildung von Antikörpern gegen TG2. Die aus diesen Getreidesorten stammenden Glutenpeptide sind reich an Glutamin- und Prolinresten (insbesondere die aus der alkohollöslichen Gliadinfraktion des Glutens) und sind gute Substrate für die, von TG2 katalysierte, transamidierende Enzymreaktion (Qiao SWet al. 2009). Die Deamidierung nach dem für TG2 charakteristischen Muster (Q-X-P-Motive) macht Gliadinpeptide immunogener, da sie dadurch besser in die HLA-DQ-Rille von Antigen-präsentierenden Zellen passen (Sollid LM et al. 2011). In diesem Zusammenhang ist wichtig, dass nur HLA-DQ2.5, 2.2 und DQ8 Gliadinpeptide an T-Zellen präsentieren können. Insofern tritt Zöliakie auch nur bei Personen mit diesen genetischen Allelen auf. Dies ist der Grund dafür, dass die Zöliakie in der kaukasischen Bevölkerung, in der arabischen Bevölkerung und in Indien weit verbreitet ist. HLA-DQ2- und DQ8-Moleküle sind in anderen afrikanischen und asiatischen Ländern, in denen Zöliakie nur in Ausnahmefällen auftritt, selten (Korponay-Szabô IR et al. 2015).  HLA-DQ2- und DQ8-Moleküle benötigen saure Reste an bestimmten Positionen, damit Peptide andocken und eine effektive Bindung von Gliadin-spezifischen T-Zellen erfolgen kann. Aufgrund des hohen Anteils an Prolin-Resten sind Gliadin-Peptide resistent gegen proteolytische Enzyme des Gastrointestinaltraktes sind, so dass längere Peptide durch die absorbierende Epithelschicht transportiert und von T-Zellen aufgenommen werden (Shan L et al. 2002).

TG2-Antikörper: Ursprünglich wurden Zöliakie-Antikörper mit der indirekten Immunfluoreszenzmethode durch Inkubation von Patientenserum auf normalen Gewebeschnitten nachgewiesen. Die sich daraus ergebenden Bindungsmuster (im 20. Jahrhundert als endomysiale [EMA], Retikulin [ARA] oder anti-jejunale Antikörper [JEA] bezeichnet) sind ausschließlich TG2-abhängig und somit stellen EMA, ARA und JEA zöliakiespezifische TG2-Autoantikörper gegen extrazelluläre TG2-Epitope dar  (Dahlbom I et al. 2010) .

TG2-spezifische Antikörper werden bei allen Zöliakiepatienten gebildet (Simon-Vecsei Zet al. 2013). Obwohl bei bis zu 10 % der Patienten TG2-Antikörper nicht im Serum nachgewiesen werden können, finden sich im Gewebe gebundene TG2-Autoantikörper auch bei diesen Patienten und verursachen dort eine inflammatorische Reaktion. Extraintestinale Manifestationen der Zöliakie betreffen fast alle Organe, einschließlich Leber, Herz, Niere, Pankreas, Haut, Gehirn und Plazenta (Mogyorosy G et al. 2014). Insofern wird die Zöliakie heute als eine systemische Autoimmunerkrankung  angesehen (Husby S et al. 2012)  und nicht nur als eine malabsorptive Darmerkrankung. Einige Zöliakie-Antikörper können sich neben TG2 auch gegen TG3 (epidermale Transglutaminase ) oder TG6 (im Gehirn) richten (Zone JJ et al. 2011; Hadjivassiliou M et al. 2006; Giersiepen K et al. 2012).

Gliadin-spezifische T-Zellen sind als Helfer für die Aktivierung spezifischer Gruppen von B-Zellen verantwortlich, die Antikörper gegen Gliadinpeptide und auch gegen dei Transglutaminase 2 (TG2) produzieren. Möglicherweise besteht auch eine gewisse molekulare Mimikry zwischen Gliadin-Peptiden und TG2. In jedem Fall läuft die Autoimmunreaktion auf TG2 nur in Gegenwart von Gliadinpeptiden ab und hört auf, wenn der Patient auf eine glutenfreie Diät gesetzt wird. Eine glutenfreie Diät führt auch zur Rückbildung aller Krankheitsmanifestationen (sofern sie noch reversibel sind) und stellt eine wirksame Behandlung der Zöliakie  und der Dermatitis herpetiformis dar.

Eine hohe Konzentration zirkulierender Anti-TG2-Antikörper (über dem 10-fachen der oberen Nachweisgrenze im ELISA), die auch durch ein positives EMA-Ergebnis im Serum bei Patienten mit malabsorptiven Symptomen und HLA-DQ2 oder DQ8-Hintergrund bestätigt wird, sagt zuverlässig eine Zottenatrophie voraus und kann daher gemäß den neuen europäischen Diagnoseleitlinien als Ersatz für eine histologische Beurteilung verwendet werden. Bei einer glutenfreien Diät kommt es zu einem Rückgang der Antikörper. Sollten sie unter Kontrolle mehr als 1-2 Jahre lang positiv bleiben, so deutet dies auf Diätfehler hin, so dass Anti-TG2-Messungen auch in der täglichen Praxis mit Erfolg als Folgeuntersuchungen eingesetzt werden (Dahlbom I et al. 2010).

Transglutaminase 2 und andere Entzündungskrankheiten: TG2-Antikörper können auch bei anderen Autoimmun- oder Entzündungskrankheiten gebildet werden, aber die Verwendung von Epitopen und IgG-Unterklassen unterscheidet sich von der Zöliakie.  Die klinische Bedeutung dieser Antikörper ist ungewiss.

TG2 wird sowohl von apoptotischen Zellen als auch von Makrophagen exprimiert. Im Rahmen des Apoptose-Phagozytose-Programms wirkt TG2 entzündungshemmend, da es in den apoptotischen Zellen die Apoptose fördert. Die Freisetzung des entzündungsfördernden Zellinhalts wird verhindert, indem TG2 die Proteine der apoptotischen Zellen vernetzt (Piredda L et al. 1997) . Weiterhin beschleunigt TG2 das Auftreten von Phosphatidylserin auf der Zelloberfläche, dem wichtigsten Erkennungssignal für die Makrophagen. Es konnte auch gezeigt werden, dass die TG2-Expression im Synovialgewebe und in den mononukleären Zellen der Synovialflüssigkeit von Patienten mit Gichtarthritis hochreguliert ist (Yen JH et al. 2015).

Psoriasis: Auch in Hautbiopsien von Patienten mit Psoriasis wurde eine erhöhte TG2-Expression festgestellt, wobei jedoch keine Korrelation zwischen TG2-Expressionsniveau und Krankheitsdauer, Krankheitsstadium und Subtyp der Psoriasis gefunden werden konnte (Su CC et al. (2017). Es wurde berichtet, dass TG2 aus Mastzellen an der Pathogenese der chronischen Urtikaria beteiligt ist.

Multiple Sklerose: TG2 ist ebenfalls in die Pathogenese der experimentellen Multiplen Sklerose, der rheumatoiden Arthritis involviert.

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TG2-Therapieansätze: TG2 ist ein potenzielles therapeutisches Ziel. Es gibt verschiedene Strategien zur Herunterregulierung der TG2-Aktivität. Der klassische Ansatz besteht darin, die katalytische Aktivität des Enzyms zu hemmen.

Auf der Grundlage ihres Wirkmechanismus lassen sich die TG2-Inhibitoren in drei Hauptgruppen einteilen:

• kompetitive Amine
• reversible

und

• irreversible Inhibitoren.

Die ersten TG2-Inhibitoren waren Amine, z. B. Kadaverin-Derivate und Putrescin, die mit biogenen Amin- oder Lysin-Donorproteinsubstraten konkurrieren und die Bildung der natürlich vorkommenden Isopeptidvernetzung verhindern. Oberflächlich betrachtet enthält diese Gruppe Cystamin, ein spezielles Disulfiddiamin, mit vielfältigen Hemmungsmechanismen und Nebeneffekten wie der Hemmung von Caspase-3.

Eine Gruppe reversibler Inhibitoren sind nicht-hydrolysierbare GTP-Analoga und -Mimics, die die inaktive, geschlossene Konformation des Enzyms stabilisieren. So wurden „small molecules“ beschrieben, die auf die GTP-Bindungstasche von TG2 abzielen und deren Funktion blockieren (Keillor JWet al. 2016). Bisher gibt es nur einen TG2-Inhibitor in der klinischen Prüfung (Phase IIa). Die positiven Ergebnisse dieser Studie liegen vor. Zedira (Deutschland) hat ZED1227 (Dr. Falk Pharma), ein kleines Pyridinon-Derivat, für die Behandlung von Zöliakie entwickelt, das die TG2-vermittelte Deamidierung von Gliadin-Peptiden blockiert (Schuppan Det al. 2021).