TMPRSS2

„Die transmembrane Serinprotease 2 (englisch: transmembrane protease serine subtype 2, TMPRSS2) ist ein Enzym, das in Menschen durch das TMPRSS2–Gen kodiert wird. Es ist eines von 14 identifizierten Mitgliedern (Stand 2017) der Familie der Typ-II-Transmembranserinproteasen.^[1]

Aufbau

Das TMPRSS2-Gen kodiert ein Protein, das zur Familie der Serinproteasen gehört. Das kodierte Protein enthält mehrere Proteindomänen:

• Eine Typ II Transmembrandomäne.
• Eine Klasse A Rezeptor-Domäne, die als Bindungsstelle für Calcium dient.
• Eine Cystein-reiche Domäne als “Scavenger“-Rezeptor der Gruppe A, die für die Bindung an andere Zelloberflächen oder Moleküle zuständig ist.
• Eine Protease-Domäne, die vermutlich an Arginin- oder Lysinresten spaltet.^[2]

Funktion

Serinproteasen sind an vielen physiologischen und pathologischen Prozessen involviert. Es wurde gezeigt, dass das TMPRSS2-Gen durch androgene Hormone in Prostatakrebszellen hochreguliert wird und in Prostatakrebsgewebe, das unabhängig von androgenen Hormonen ist, herunterreguliert wird.

Das TMPRSS2-Gen liegt auf dem Chromosom 21 des Menschen, aber es ist zurzeit unbekannt, welche physiologische Rolle TMPRSS2 in Trisomie 21, die eine Chromosomenaberration darstellt, spielt.^[2]

Die Rolle von TMPRSS2 bei Zelleintritt von Virionen

Die Enzyme Trypsin, Furin und weitere Proprotein-Konvertasen, Cathepsine, Transmembranserinproteasen (TMPRSS) und Elastasen spielen eine Rolle beim Zelleintritt von Coronaviren (Coronaviridae). Die im Atemtrakt vermehrt vorhandenen und an Zelloberflächen exprimierten Proteasen TMPRSS2 und TMPRSS11a begünstigen den Eintritt von SARS-CoV-1-Viren. Für die TMPRSS-Protease TMPRSS11d – auch als human airway trypsin-like protease (HAT) bekannt – wurde eine proteolytische Aktivierung des S-Proteins von SARS-CoV-1 nachgewiesen. TMPRSS2 geht wiederum mit dem ACE2-Rezeptor einen Komplex ein, was ein effizientes Eindringen des Virus direkt an der Zelloberfläche ermöglicht.^[3][4][5] TMPRSS2 und TMPRSS11D aktivieren das S-Protein, indem sie es in die S1- und S2-Untereinheit spalten und somit einen Endosomen-unabhängigen Zelleintritt an der Zellmembran ermöglichen.^[6][4]

Virenbasierte Therapien umfassen monoklonale Antikörper, antivirale Peptide, die an das S-Protein von Viren andocken, virale Nukleinsäuresynthese-Inhibitoren und Inhibitoren zum Andocken an weiteren viralen Strukturen und akzessorischen Proteinen. Camostat ist ein synthetischer niedermolekularer Serinprotease-Inhibitor, der zur Behandlung der chronischen Pankreatitis mit minimalen Nebenwirkungen eingesetzt wird.^[7][8][9]

Aprotinin, ein aus der Rinderlunge gereinigtes Polypeptid bestehend aus 58 Aminosäureresten, hemmt Serinproteasen und unterdrückt die Spaltung des Hämagglutinins an der Virushülle des Influenzavirus und stoppt somit seine Reproduktion.^[10] Camostat ist ein Therapeutikum gegen Krebs, Pankreatitis und Leberfibrose. Bei der Behandlung von menschlichen Flimmerepithel-Zellen (englisch human tracheal epithelial, HTE) mit einer Camostat-Konzentration von 10 mg/mL reduziert sich der Influenza-A-Virus-H1N1–Titer im Überstand der Viruskultur des Stammes A/PR/8/34 erheblich. Eine weitere Studie zeigte, dass Camostat zu einer zehnfachen Reduzierung des SARS-CoV-Titers in Calu3-Zellen (menschliche Lungenkrebs-Zelllinie) führt.^[4] Bei einer Camostat-Konzentration von 10 μM wird der Zelleintritt von MERS-CoV in Vero-Zellen um das 14-Fache gehemmt. Drei Tage nach einer MERS-CoV-Infektion wird bei einer Camostat-Konzentration von 100 μM die Menge viraler RNA im Überstand der Calu3-Zellkultur um das 270-Fache reduziert.^[9] Der Serinprotease-Inhibitor Nafamostat blockiert die MERS-CoV-Infektion in vitro durch Unterdrückung der TMPRSS2-Aktivität und führt bei einer Konzentration von 1 nM zur 100-fachen Reduzierung des Viruseintritts, was effizienter als Camostat ist.^[11] Bromhexin-Hydrochlorid (ein Bestandteil von Antitussiva, das ebenfalls die Prostatakrebs–Metastase von Mäusen unterdrückt) könnte ebenfalls als Inhibitor von TMPRSS2 zur Behandlung von Influenzavirus- und Coronavirus-Infektionen eingesetzt werden.^[12]

Weitere FDA-anerkannte Serinprotease-Inhibitoren wie 4-(2-Aminoethyl)benzolsulfonylfluorid-Hydrochlorid und Leupeptin weisen unterschiedliche antivirale Aktivitäten auf.^[11][13][14] Ovomucoid, ein Trypsin-Inhibitor, hemmt bei einer Konzentration von 50 µM die Influenza-A-Virus-H1N1-Ausbreitung (Stamm A/Memphis/14/96) effizienter als Aprotinin.^[13] 3-Amidinophenylalanylderivate könnten TMPRSS2 mit einer Konzentration im Nanomolbereich hemmen.^[15] Außerdem wurde gezeigt, dass drei Benzamidinderivate als Peptidmimetika die Influenza-A-Virus-H1N1-Infektion der Stämme A/Memphis/14/96 und A/Hamburg/5/2009 in TMPRSS2- und HAT-exprimierten Zellen unterschiedlich hemmen.^[16]

Bei Knockout-Mäusen, bei denen das TMPRSS2-Gen deaktiviert ist, wies man bei intranasaler Stimulation mit Polyinosinsäure:Polycytidylsäure (eine Immunstimulans, im Englischen kurz poly I:C) eine abgeschwächte Chemokin- und/oder Zytokin-Reaktion auf, die im Immunsystem eine Rolle spielen. Außerdem verloren sie an Gewicht und die Virendynamik in der Lunge nahm ab. Daher spielt TMPRSS2 eine wichtige Rolle bei der Virenausbreitung von SARS-CoV und MERS-CoV innerhalb der Atemwege von Mausmodellen und in der murinen Immunpathologie.^[17]

SARS-CoV-2

Eine Studie,^[18] die von Markus Hoffmann und Hannah Kleine-Weber vom Deutschen Primatenzentrum zusammen mit anderen Forschern durchgeführt wurde, bestätigt, dass auch das SARS-CoV-2-Virus die Präsenz des ACE2-Rezeptors und des TMPRSS2-Enzyms in der Zellmembran von Lungenzellen benötigt, welches das S-Protein an der Virushülle spaltet, um in die Lungenzelle eindringen zu können. Der bekannte Inhibitor für TMPRSS2, Camostat, verringert dieser Studie zufolge im Zellversuch in vitro deutlich die Eindringwahrscheinlichkeit von SARS-CoV-2 und könnte zur Behandlung geeignet sein. Dies könnte auch die Ursache dafür sein, dass Kinder nur selten schwer erkranken, da deren TMPRSS2 Spiegel deutlich geringer als bei alten Menschen ist.^[19]

Einzelnachweise

• B. Knudsen, J. Lucas, P. Nelson: Serine Proteases (Type II) Spanning the Plasma Membrane. In: M. Schwab (Hrsg.): Encyclopedia of Cancer. Springer, Berlin, Heidelberg, 2011. doi:10.1007/978-3-642-16483-5_5257
• Ariane Paoloni-Giacobino, Haiming Chen, Manuel C. Peitsch, Colette Rossier, Stylianos E. Antonarakis: Cloning of the TMPRSS2 Gene, Which Encodes a Novel Serine Protease with Transmembrane,LDLRA, and SRCR Domainsand Maps to 21q22.3. In: Genomics. Band 44. Geneva, Schweiz 1997, S. 309–320.
• Jean Kaoru Millet,Gary R. Whittaker: Host cell proteases: critical determinants of coronavirus tropism and pathogenesis. In: Virus Res. 16. April 2015, doi:10.1016/j.virusres.2014.11.021 (englisch).
• A. Shulla, T. Heald-Sargent, G. Subramanya, J. Zhao, S. Perlman, T. Gallagher: A transmembrane serine protease is linked to the severe acute respiratory syndrome coronavirus receptor and activates virus entry. In: Journal of Virology. Band 85, Nummer 2, Januar 2011, S. 873–882, doi:10.1128/JVI.02062-10, PMID 21068237, PMC 3020023 (freier Volltext).
• Shirato K, Kanou K, Kawase M, Matsuyama S.: “Clinical Isolates of Human Coronavirus 229E Bypass the Endosome for Cell Entry.” In: J Virol. Dec 2016, doi:10.1128/JVI.01387-16, PMID 27733646 .
• A. Zumla, J. F. Chan, E. I. Azhar, D. S. Hui, K. Y. Yuen: Coronaviruses – drug discovery and therapeutic options. In: Nature reviews. Drug discovery. Band 15, Nummer 5, 05 2016, S. 327–347, doi:10.1038/nrd.2015.37, PMID 26868298 (Review).
• J. K. Sai, M. Suyama, Y. Kubokawa, Y. Matsumura, K. Inami, S. Watanabe: Efficacy of camostat mesilate against dyspepsia associated with non-alcoholic mild pancreatic disease. In: Journal of gastroenterology. Band 45, Nummer 3, März 2010, S. 335–341, doi:10.1007/s00535-009-0148-1, PMID 19876587.
• R. Talukdar, R. K. Tandon: Pancreatic stellate cells: new target in the treatment of chronic pancreatitis. In: Journal of gastroenterology and hepatology. Band 23, Nummer 1, Januar 2008, S. 34–41, doi:10.1111/j.1440-1746.2007.05206.x, PMID 17995943 (Review).
• Chan JFW, Lau SKP, To KKW, Cheng VCC, Woo PCY, Yuen K-Y: Middle East respiratory syndrome coronavirus: another zoonotic betacoronavirus causing SARS-like disease. In: Clin Microbiol Rev. 15. März 2015, doi:10.1128/CMR.00102-14 (englisch).
• A. V. Ovcharenko, O. P. Zhirnov: Aprotinin aerosol treatment of influenza and paramyxovirus bronchopneumonia of mice. In: Antiviral research. Band 23, Nummer 2, Februar 1994, S. 107–118, doi:10.1016/0166-3542(94)90038-8, PMID 7511880.
• M. Yamamoto, S. Matsuyama, X. Li, M. Takeda, Y. Kawaguchi, J. I. Inoue, Z. Matsuda: Identification of Nafamostat as a Potent Inhibitor of Middle East Respiratory Syndrome Coronavirus S Protein-Mediated Membrane Fusion Using the Split-Protein-Based Cell-Cell Fusion Assay. In: Antimicrobial agents and chemotherapy. Band 60, Nummer 11, 11 2016, S. 6532–6539, doi:10.1128/AAC.01043-16, PMID 27550352, PMC 5075056 (freier Volltext).
• J. M. Lucas, C. Heinlein, T. Kim, S. A. Hernandez, M. S. Malik, L. D. True, C. Morrissey, E. Corey, B. Montgomery, E. Mostaghel, N. Clegg, I. Coleman, C. M. Brown, E. L. Schneider, C. Craik, J. A. Simon, A. Bedalov, P. S. Nelson: The androgen-regulated protease TMPRSS2 activates a proteolytic cascade involving components of the tumor microenvironment and promotes prostate cancer metastasis. In: Cancer discovery. Band 4, Nummer 11, November 2014, S. 1310–1325, doi:10.1158/2159-8290.CD-13-1010, PMID 25122198, PMC 4409786 (freier Volltext).
• E. Böttcher, C. Freuer, T. Steinmetzer, H. D. Klenk, W. Garten: MDCK cells that express proteases TMPRSS2 and HAT provide a cell system to propagate influenza viruses in the absence of trypsin and to study cleavage of HA and its inhibition. In: Vaccine. Band 27, Nummer 45, Oktober 2009, S. 6324–6329, doi:10.1016/j.vaccine.2009.03.029, PMID 19840668.
• G. Simmons, S. Bertram, I. Glowacka, I. Steffen, C. Chaipan, J. Agudelo, K. Lu, A. J. Rennekamp, H. Hofmann, P. Bates, S. Pöhlmann: Different host cell proteases activate the SARS-coronavirus spike-protein for cell-cell and virus-cell fusion. In: Virology. Band 413, Nummer 2, Mai 2011, S. 265–274, doi:10.1016/j.virol.2011.02.020, PMID 21435673, PMC 3086175 (freier Volltext).
• D. Meyer, F. Sielaff, M. Hammami, E. Böttcher-Friebertshäuser, W. Garten, T. Steinmetzer: Identification of the first synthetic inhibitors of the type II transmembrane serine protease TMPRSS2 suitable for inhibition of influenza virus activation. In: The Biochemical journal. Band 452, Nummer 2, Juni 2013, S. 331–343, doi:10.1042/BJ20130101, PMID 23527573.
• E. Böttcher-Friebertshäuser, C. Freuer, F. Sielaff, S. Schmidt, M. Eickmann, J. Uhlendorff, T. Steinmetzer, H. D. Klenk, W. Garten: Cleavage of influenza virus hemagglutinin by airway proteases TMPRSS2 and HAT differs in subcellular localization and susceptibility to protease inhibitors. In: Journal of Virology. Band 84, Nummer 11, Juni 2010, S. 5605–5614, doi:10.1128/JVI.00140-10, PMID 20237084, PMC 2876594 (freier Volltext).
• Iwata-Yoshikawa N, Okamura T, Shimizu Y, Hasegawa H, Takeda M, Nagata N.: TMPRSS2 contributes to virus spread and immunopathology in the airways of murine models after coronavirus infection. In: “J Virol”. 5. März 2019, doi:10.1128/JVI.01815-18 (englisch).
• Markus Hoffmann, Hannah Kleine-Weber, Simon Schroeder, Nadine Krüger, Tanja Herrler, Sandra Erichsen, Tobias S. Schiergens, Georg Herrler, Nai-Huei Wu, Andreas Nitsche, Marcel A. Müller, Christian Drosten,Stefan Pöhlmann: SARS-CoV-2 Cell Entry Depends on ACE2 and TMPRSS2 and Is Blocked by a Clinically Proven Protease Inhibitor. Cell (2020), doi:10.1016/j.cell.2020.02.052

19. Bryce A. Schuler, A. Christian Habermann, Erin J. Plosa, Chase J. Taylor, Christopher Jetter, Nicholas M. Negretti, Meghan E. Kapp, John T. Benjamin, Peter Gulleman, David S. Nichols, Lior Z. Braunstein, Alice Hackett, Michael Koval, Susan H. Guttentag, Timothy S. Blackwell, Steven A. Webber, Nicholas E. Banovich, Jonathan A. Kropski, and Jennifer M. S. Sucre1 Age-determined expression of priming protease TMPRSS2 and localization of SARS-CoV-2 in lung epithelium. JCI (2020) doi:10.1172/JCI140766

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