Funktionen der PDI

2.4.2.1 Die Redox-Isomerase-Funktion der PDI

PDIs sind multifunktionale Proteine. Sie katalysieren die Bildung von Disulfidbindun-gen, was Reaktionen wie Reduktionen, Oxidationen und Isomerisationen beinhaltet.

Sie sind für die korrekte Ausbildung der Disulfidbindungen und somit für die Stabilität der Proteine verantwortlich (FREEDMAN et al. 1994). Die Basis für die Redox-Aktivität der PDI bilden, wie oben erwähnt, die beiden Thioredoxin-ähnlichen Motive -Cys-Gly-His-Cys- in den Domänen a und a´ (EDMAN et al. 1985). Sie weisen einige, jedoch nicht alle funktionellen Eigenschaften des kompletten PDI-Moleküls auf. Auch wenn feststeht, dass die PDI aus mehreren Domänen besteht, konnte noch nicht deutlich gemacht werden, in welchem Umfang die Domänen unabhängig voneinander

fungie-ren (KEMMINK et al. 1996). In der katalytischen Aktivität der a- und a´-Domänen konn-te kein entscheidender Unkonn-terschied aufgezeigt werden. Die a´-Domäne zeigkonn-te sich nur etwas weniger aktiv als die a-Domäne, was auf ihre geringere Stabilität zurückzu-führen ist. Diese Beobachtungen lassen auf ähnliche und unabhängige Aktivitäten in der PDI schließen (LYLES u. GILBERT 1994). Aufgrund der Tatsache, dass die isolier-ten a- und a´-Domänen zusammen die gleiche Aktivität bei der Einführung von Disul-fidbindungen in den reduzierten bovinen pankreatischen Trypsin-Inhibitor (BPTI) besitzen wie die komplette PDI, gibt es kaum mehr Zweifel daran, dass diese beiden Domänen die funktionellen Teile der PDI bei der Einführung von Disulfidbindungen in ungefaltete Proteine darstellen (DARBY u. CREIGHTON 1995). Der wesentliche Unter-schied in der Funktion der kompletten PDI und ihrer isolierten a- und a´-Domänen liegt in der Fähigkeit, die Neuanordnung von Disulfiden zu katalysieren. Die a- und a´-Domänen waren dabei weit weniger aktiv. Diese Gegebenheiten machen deutlich, dass auch andere Teile der PDI für ihre Aktivität mitverantwortlich sind (DARBY u.

CREIGHTON 1995). Untersuchungen zu den einzelnen Domänen zeigten, dass die b´-Domäne für die Katalyse des gesamten Reaktionsspektrums unentbehrlich ist. Im Speziellen wurde demonstriert, dass für einfache Oxidations-Reaktionen nur die a- und a´-Domänen und für einfache Isomerisationen eine Kombination der Domä-nen b´ und a bzw. b´ und a´ benötigt wird, während Isomerisations-Reaktionen, die spezielle Konformationswechsel im Substrat erfordern, nur von der gesamten PDI katalysiert werden können (DARBY et al. 1998).

2.4.2.2 Die Chaperon-Funktion der PDI

Eine weitere Funktion der PDI ist die Katalyse der Reaktivierung von Proteinen ohne Disulfidbindungen. Sie wird als Chaperon-Funktion bezeichnet und ist von der Re-dox/Isomerase-Funktion unabhängig (CAI et al. 1994). Es wird vermutet, dass die PDI die Fähigkeit besitzt, ungefaltete Polypeptide zu binden oder mit ihnen zu inter-agieren (KLAPPA et al. 1997). 1993 wurde von NOIVA et al. erstmals über eine Peptid-bindungsstelle der PDI berichtet, die am Ende der a´-Domäne, nahe des sauren C-Terminus, lokalisiert ist. Eine weitere Substratbindungsstelle wurde fünf Jahre später identifiziert. Dabei stellte sich heraus, dass die b´-Domäne essentiell für die

Bindung aller Substrate und sogar ausreichend für die Bindung kurzer Peptide ist (KLAPPA et al. 1998).

2.4.2.3 Die PDI als ß-Untereinheit der Kollagen-Prolyl-4-Hydroxylase

Die PDI stellt außerdem die ß-Untereinheit der Kollagen-Prolyl-4-Hydroxylase (C-P4H) (EC 1.14.11.2), einem Enzym, das die Bildung von 4-Hydroxyprolinen in Kollagenen katalysiert, dar. Die Hydroxylierung von Prolinen ist eine wichtige Modifi-kation zur Ausbildung der Tripelhelix-Struktur von Kollagenen (PIHLAJANIEMI et al.

1987). In Vertebraten ist die C-P4H ein α2ß2-Tetramer mit einem Molekulargewicht von ca. 240 kDa. Es treten zwei verschiedene α-Untereinheiten (α(I) und α(II)) auf, die jeweils mit der gleichen ß-Untereinheit (PDI) ein [α(I)]2ß2- bzw. ein [α(II)]2ß2 -Tetramer bilden (HELAAKOSKI et al. 1995; ANNUNEN et al. 1997). Die α(I)- und α(II)-Untereinheiten besitzen fünf konservierte Cystein-Reste. Das [α(I)]2ß2-Tetramer, auch Typ I C-P4H genannt, ist die Hauptform der meisten Zelltypen und Gewebe, während das [α(II)]2ß2-Tetramer (Typ II C-P4H) nur annähernd 30% der gesamten C-P4H-Aktivität ausmacht (ANNUNEN et al. 1997). 2003 wurde außerdem von VAN DEN DIEPSTRATEN et al. noch eine dritte α-Untereinheit (α(III)) identifiziert. Die PDI scheint die α-Untereinheit der C-P4H in Lösung zu halten. Außerdem könnte sie für das Zurückhalten der C-P4H im Lumen des ER verantwortlich sein, da die α-Untereinheit kein ER-Retentionssignal enthält (VUORI et al. 1992).

Das Genom des Nematoden C. elegans enthält zwei Gene, phy-1 und phy-2, die für die α-Untereinheit der P4H kodieren und in der Synthese von Kollagenen der Kutiku-la involviert sind (VEIJOLA et al. 1994; FRIEDMAN et al. 2000). Im Gegensatz zu den C-P4Hs der Vertebraten ist die P4H von C. elegans ein αß-Dimer (VEIJOLA et al.

1994, 1996). Es können drei verschiedene P4Hs aus diesen Polypeptiden zusam-mengesetzt werden, ein PHY-1/PHY-2/PDI2-Tetramer und zwei PHY-1/PDI- und PHY-2/PDI-Dimere, wobei das gemischte Tetramer in vivo am häufigsten und das PHY-1/PDI-Dimer in geringen Mengen vorkommt. PHY-2/PDI-Dimere werden in vivo nicht aufgefunden (MYLLYHARJU et al. 2002). Auch in den Filarien O. volvulus und B. malayi wurden P4Hs kloniert und charakterisiert (MERRIWEATHER et al. 2001).

P4Hs kommen ebenso bei D. melanogaster (ANNUNEN et al. 1999), verschiedenen

Pflanzen (KIVIRIKKO et al. 1992) und Viren (SMITH et al. 1998; ERIKSSON et al. 1999) vor. Sie gehören zu der Gruppe der 2-Oxoglutarat- und nicht-Häm-Fe(II)-abhängigen Dioxygenasen. Die von ihnen katalysierte Hydroxylierung von Peptidyl-Prolin-Resten in den Pro-α-Ketten von Prokollagen benötigt Fe²⁺, 2-Oxoglutarat, O2 und Ascorbat und beinhaltet die oxidative Dekarboxylierung von 2-Oxoglutarat (KIVIRIKKO u. M YL-LYHARJU 1998; KIVIRIKKO u. PIHLAJANIEMI 1998). Der katalytische Mechanismus der P4Hs wird ihrer α-Untereinheit zugeschrieben, während es möglich sein kann, dass die ß-Untereinheit nur zur Erzeugung der Cofaktoren benötigt wird (WELLS et al.

1990). Zusätzlich zu den beschriebenen C-P4Hs wurde eine neue und eigene Fami-lie cytoplasmatischer P4Hs identifiziert, die bei der Regulation des Hypoxie-induzierbaren Transkriptionsfaktors HIFα eine wichtige Rolle spielen (BRUICK u.

MCKNIGHT 2001; EPSTEIN et al. 2001).

2.4.2.4 Die PDI als Untereinheit des mikrosomalen Triglycerid-Transfer-Proteins

Das mikrosomale Triglycerid-Transfer-Protein (MTP) besitzt ein Molekulargewicht von 155 kDa und katalysiert den Transport von Triglycerid, Cholesterylester und Phosphatidylcholin durch Membranen und wird für die Ansammlung von apoB-enthaltenden Lipoproteinen in der Leber und in den Zellen des Darms benötigt. Es ist ein αß-Heterodimer, dessen Untereinheiten Molekulargewichte von ca. 97 und 55 kDa aufweisen, wobei die kleinere Untereinheit als PDI identifiziert wurde (W ET-TERAU et al. 1990). Die isolierte PDI-Untereinheit besitzt keine Lipidtransfer-Aktivität und die größere Untereinheit ist nur im Komplex aktiv. Wie in der C-P4H scheint die PDI das MTP in einem löslichen Zustand zu halten und ist für seine Zurückhaltung im ER verantwortlich (WETTERAU et al. 1991).

2.4.2.5 Weitere Funktionen der PDI

In der Literatur werden viele weitere Funktionen der PDI beschrieben. So wurde ein 3,3´,5-Trijodthyronin-bindendes Protein (THBP) im Lumen des ER identifiziert, wobei es sich, wie sich später durch Sequenzanalysen herausstellte, um eine PDI handelte (CHENG et al. 1986). Die physiologische Wichtigkeit dieser Entdeckung ist allerdings unklar. Ebenso wurde aufgezeigt, dass die PDI identisch zu der

Iodothyronin-5´-Monodeiodinase ist, deren Aktivität für die Bildung des Trijodthyronins, der aktiven Form des Schilddrüsenhormons, verantwortlich ist (BOADO et al. 1988). Die PDI ist außerdem mit R-Cognin, einem Protein, das in die Adhäsion von Retinalzellen invol-viert ist, identisch (KRISHNA-RAO u. HAUSMAN 1993) und sie ist ebenfalls ein Haupt-protein der Plasmamembran kornealer Fibroblasten beim Menschen (AHMAD u.

CHURCH 1991). Weiterhin zeigt die PDI eine Kalzium-bindende Aktivität (MACER u.

KOCH 1988) und neuere Studien weisen auf eine Transglutaminase-ähnliche Aktivität der PDI hin (CHANDRASHEKAR et al. 1998). Letztendlich wird der PDI eine Anti-Chaperon-Aktivität zugeschrieben, da sie unter bestimmten Bedingungen inkorrekte Faltungen und Aggregationen von Substraten erleichtert (PUIG u. GILBERT 1994).