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Zellpenetrierendes Peptid

(Weitergeleitet von Protein transduction domain)
CPP mit a) doppelsträngiger DNA oder RNA, b) einzelsträngiger DNA oder RNA, c) Plasmid-DNA oder d) Proteinen

Ein zellpenetrierendes Peptid (engl. {{Modul:Vorlage:lang}} Modul:Multilingual:149: attempt to index field 'data' (a nil value), CPP, oder {{Modul:Vorlage:lang}} Modul:Multilingual:149: attempt to index field 'data' (a nil value), Transduktionsdomäne, PTD) bezeichnet ein Peptid, das Zellmembranen durchdringen (penetrieren) kann. Dadurch kann auch ein an das Peptid angehängtes Fusionsprotein, sowie kovalent oder nicht-kovalent mit dem zellpenetrierenden Peptid verbundene Nukleinsäuren oder Nanopartikel, in Zellen eingeschleust werden. Es wurden mit zellpenetrierenden Peptiden auch small molecules wie Zytostatika, Virustatika, Kontrastmittel oder auch Quantum Dots in Zellen gebracht.[1]

Diese Proteintransduktion wurde 1988 gleichzeitig von zwei Arbeitsgruppen entdeckt, als festgestellt wurde, dass das Tat-Protein des Humanen Immundefizienz-Virus (HIV) von verschiedenen Zelltypen in Zellkultur aufgenommen wurde.[2] Seitdem sind weitere Beispiele der CPP bekannt geworden.[3] Auch bei polykationischen Proteinen, wie z. B. gegen DNA gerichtete Antikörper[4] oder Histone[5] konnte eine Aufnahme in Zellen gezeigt werden.

Mechanismus

Die meisten zellpenetrierenden Peptide bestehen überwiegend aus basischen und unpolaren Aminosäuren, vor allem Lysin und Arginin, Tryptophan, Phenylalanin, Leucin und Isoleucin (polykationischer Typ). Die kationischen Aminosäuren binden an negativ geladene Rezeptoren auf der Zelloberfläche wie z. B. Sialinsäuren[6] oder Heparansulfat,[7] während die unpolaren Aminosäuren eine Adsorption an die Lipide der Zellmembran vermitteln. Ein weiterer Typ besteht aus abwechselnd polaren und unpolaren Aminosäuren (amphipathischer Typ).

Endozytosewege
Invertierte Micelle

Zellpenetrierende Peptide haben unterschiedliche Sequenzen und es existieren drei Hypothesen, wie die Zellpenetration erfolgt:[8][9]

  • über direkte Penetration der Zellmembran durch Porenbildung
  • über hygroskopische Puffereffekte (engl. {{Modul:Vorlage:lang}} Modul:Multilingual:149: attempt to index field 'data' (a nil value)), die nach Endozytose zu einem Anschwellen des Endosoms und Rissen in der Endosomenmembran führen.
  • über Membraninsertion und Bildung invertierter Micellen

Teilweise wird die Bindung an Zellen und die Endozytose durch Bindung an Rezeptoren verstärkt, z. B. Chemokinrezeptoren,[10] Syndekane,[11] Neuropiline,[12] oder Integrine.[13] Nachdem eine Zellpenetration auch ohne Endozytose bei 4 °C auftrat, wurde eine direkte, sowie Endozytose- und ATP-unabhängige Penetration vermutet,[14][15][16] jedoch wurde auch über Artefakte der Fixierung und Färbung berichtet.[17][18] Für die direkte Penetration spricht die Tatsache, dass sich CPP auch durch ER-Membrane oder künstliche Lipiddoppelschichten verteilen können.[19][20] Die Bildung einer Membranpore an der endosomalen Membran oder der Zellmembran wurde experimentell verifiziert.[21] Allerdings spricht für die Endozytose eine Ungleichverteilung der CPP in unterschiedlichen Zellkompartimenten, eine Verminderung der Verteilung des CPPs Penetratin bei Zugabe von Endozytosehemmern[22], eine mikroskopische Kolokalistion mit Caveolin[22] und eine Aufnahme über Pinozytose.[17][23] Möglicherweise läuft mehr als ein Aufnahmemechanismus parallel ab,[24][25] insbesondere verändern sich die Anteile dieser Mechanismen bei Veränderung der Größe des angehängten Moleküls oder Partikels.[26] Der dritte Mechanismus vermutet die Bildung einer invertierten Micelle, bei dem die Phosphatgruppen der Membranlipide um das CPP und die aliphatischen Anteile nach außen orientiert sind. Dadurch verbleibt das Peptid in einer hydrophilen Umgebung.[27][28][29]

Typische Vertreter der zellpenetrierenden Peptide sind z. B. Penetratin,[30] Transportan,[31] HIV1-Tat-Peptid48–60,[32] HIV1-Rev-Peptid34–50,[33] Antennapedia43–58[33] und Octaarginin.[34]

Anwendungen

Kovalente Kopplung und Adsorption von CPP, A mit dsDNA oder dsRNA, B mit ssDNA oder ssRNA, C mit Plasmiden, D mit anderen Makromolekülen
Kovalente Kopplungsarten von CPP an Nukleinsäuren

Zellpenetrierende Peptide können in Forschung und Therapie als Transfektionsreagens zum Transport von RNA, DNA, PNA[35][36][37] und Morpholinos[38][39][40] genutzt werden.[41][42][43][44] Zyklische Octaarginine wurden für den Endozytose-unabhängigen Transport von Antigen-bindenden Proteinen verwendet.[45] Modifizierte CPP-Konstruktionen sind durch spezielle Enzyme wie MMP oder durch photonische Signale aktivierbar und ermöglichen so die gezielte Transfektion bestimmter Zelltypen.[46]

Zellpenetrierende Peptide können über verschiedene Bindungen an Nukleinsäuren gekoppelt werden, darunter mit spaltbaren Linkern, z. B. mit Disulfidbrücken,[47] Amiden, Thiazolidin, Oximen und Hydrazinen.[48] Allerdings wirken sich diese Gruppen vermutlich auf die biologische Aktivität aus.[49] Daher werden auch nichtkovalente Methoden der Verbindung zwischen CPP und Nukleinsäuren verwendet.[50][51] Bei siRNA wurden kovalente[52][53] und nichtkovalente Methoden verwendet.[54] Ebenso wurden CPP mit kompetitiv hemmender DNA,[55][56][57] Plasmiden,[58][59] Proteinen[60][61][62] Kontrastmitteln,[63][64][65] Quantenpunkten,[66][67][68][69][70][71] Gadolinium-Komplexen und superparamagnetischem Eisenoxid (SPIO) eingesetzt.[72][73][74][75]

Übersichtsliteratur

Weblinks

  • Instant insight into cell penetrating peptides from the Royal Society of Chemistry
  • www.cell-penetrating-peptides.com Fully dynamic web page built by scientists to condense and organize the latest advances on drug delivery and Cell-Penetrating Peptides
  • CPPsite: A web site for maintaining cell penetrating peptides (CPP)

Einzelnachweise

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11.10.2024
Klimawandel | Meeresbiologie
Klimawandel in der Nordsee: Austernriffe als Küstenschutz?
Forscher haben die Wachstumsraten von Riffen der Pazifischen Auster und deren Eignung als natürliche Wellenbrecher untersucht. Die nicht-heimische Muschelart hat die bisherigen Miesmuschelbänke in der Nordsee fast vollständig durch Riffe ersetzt, die zum Küstenschutz beitragen könnten.
10.10.2024
Klimawandel | Ökologie
Europäische Waldpflanzen wandern gen Westen
Die Verbreitung europäischer Waldpflanzen verschiebt sich überraschend nach Westen. Stickstoffeinträge – und in geringerem Maße der Klimawandel – sind die Hauptursachen.
10.10.2024
Ethologie | Primatologie
Neues von weiblichen Schopfgibbons und ihrer Bewegungsmuster
Weibliche Schopfgibbons zeigen abgehackte, fast geometrische wirkende Bewegungsmuster. Forschende aus Düsseldorf, aus Oslo und Paris haben diese auffälligen, mit Tänzen vergleichbare Bewegungen studiert.
08.10.2024
Klimawandel | Land-, Forst-, Fisch- und Viehwirtschaft | Ökologie
Deutschlands Wälder: Älter, vielfältiger, aber keine CO2-Senke mehr
Am 8. Oktober 2024 lagen die Ergebnisse der Bundeswaldinventur 2022 vor. Das Ergebnis der umfangreichsten Bestandsaufnahme im deutschen Wald hat Licht und Schatten. Die Wälder werden strukturreicher, es gibt mehr ältere Bäume und etwas mehr bewaldete Fläche.
07.10.2024
Anthropologie | Physiologie | Primatologie
Makaken gebären leichter als Frauen: keine Müttersterblichkeit bei Geburten
Trotz gleichem Becken-Kopf-Verhältnis gibt es bei Japanmakaken keine Geburtskomplikationen wie beim Menschen.
07.10.2024
Bionik, Biotechnologie und Biophysik | Toxikologie | Vogelkunde
Neue Wirkstoffe aus toxischen Vögeln
Untersuchung der Symbiose zwischen Bakterien und Vögeln führt zur Entdeckung neuer Naturstoffe mit antimikrobiellen Eigenschaften.
07.10.2024
Biochemie | Toxikologie
Enzyme in Spinnengiften zeigen bioökonomisch nutzbares Potenzial
Als Gifttiere setzen Spinnen die von ihnen produzierten Wirkstoffe zum Beutefang oder zur Verteidigung ein. Dabei wirken kleine Neurotoxine schädigend auf das zentrale Nervensystem des Gegenübers.
04.10.2024
Biochemie | Evolution | Paläontologie
Giftgaseinsatz unter Mikroben: Kampf ums Eisen in den Ozeanen der frühen Erde
Team der Universitäten Tübingen und Bristol erforscht, welche Bakterien die Gesteinsablagerungen der gebänderten Eisenerze bildeten.
02.10.2024
Anthropologie | Biodiversität | Ethologie | Vogelkunde
Der Storch kam erst im Mittelalter nach Norddeutschland
In Sagen und Fabeln bringt er Glück, Kinder und Wohlstand. Heute gilt sein Auftreten als ein Zeichen für eine intakte Natur. Kaum ein Vogel ist in Europa so positiv besetzt wie der Weißstorch Ciconia ciconia.
01.10.2024
Mikrobiologie | Morphologie
Was bringt Bakterien in Form?
Bakterien kommen in vielen verschiedenen Formen vor, die eine wichtige Rolle für das Überleben in ihrer jeweiligen ökologischen Nische spielen. Wie sie ihre Zellform bestimmen, ist bisher in vielen Fällen trotz intensiver Forschung nicht bekannt. Forschende um Prof.
30.09.2024
Anthropologie | Ökologie | Säugetierkunde
Angepasst – Auch Wildtiere gewöhnen sich an den Menschen
Wildtiere sind weniger anfällig für Störungen durch den Menschen, wenn sie in Gebieten mit großem menschlichen Fuaßbdruck leben. Das zeigt die Auswertung von Potsdamer Forschenden einer groß angelegten Besenderung von mehr als 1.500 Wildtieren für ein internationales Forschungsprojekt.
29.09.2024
Biodiversität | Primatologie
Waldverlust zwingt Languren zu Kreuzungen zwischen Arten
Neue Forschungsergebnisse zeigen eine bedrohliche Entwicklung für zwei gefährdete Primatenarten in Bangladesch: Phayre-Brillenlanguren (Trachypithecus phayrei) und Kappenlanguren (Trachypithecus pileatus). In gemischten Gruppen dieser beiden Arten wurden bereits Hybride gefunden und genetisch bestätigt.
27.09.2024
Genetik | Land-, Forst-, Fisch- und Viehwirtschaft | Säugetierkunde
Rückkehr der See-Elefanten: von wenigen zu Tausenden
Eine neue internationale Studie hat die genetischen Auswirkungen der Jagd auf die Nördlichen See-Elefanten nachgewiesen. Die Studie zeigt, dass diese Robbenart nur knapp dem Aussterben durch die Jagd entgangen ist, was nachhaltige genetische Auswirkungen auf die heutige Population hat.
27.09.2024
Primatologie | Taxonomie
Mausmakis neu sortiert
Ein Konsortium aus 36 internationalen Forschenden analysierte alle bisher verfügbaren Daten zur Klassifizierung unterschiedlicher Mausmaki-Arten. In einer wissenschaftlichen Veröffentlichung stellen sie jetzt ein System vor, neue Arten zu definieren.
25.09.2024
Meeresbiologie | Ökologie
Nördliche Adria: Zusammenbruch der Räuber-Beute-Beziehungen ab den 1950er-Jahren
Raubschnecken bohren Löcher in die Schalen ihrer Beutetiere. Über diese Bohrlöcher gelang es einem Forschungsteam unter der Leitung des Paläontologen Martin Zuschin von der Universität Wien, eine Zeitreihe der Räuber-Beute-Beziehungen in der nördlichen Adria über die vergangenen Jahrtausende zu erstellen.
24.09.2024
Genetik | Insektenkunde
Wie eine Schmetterlingsinvasion die genetische Vielfalt minimiert
Der Karstweissling war bis vor einigen Jahren nördlich der Alpen kaum anzutreffen. Dann trat er eine europaweite Invasion an. Dabei hat sich das Insekt nicht nur massenhaft ausgebreitet – gleichzeitig ist die genetische Vielfalt innerhalb der Art rapide zurückgegangen.
20.09.2024
Biodiversität
Korbblütler auf isolierten Inseln
Die Asteraceae, auch bekannt als Korbblütler oder Asterngewächse, sind die Gruppe der Blütenpflanzen mit der größten Artenvielfalt der Welt. Zu dieser Pflanzenfamilie gehören rund 34.000 Arten.