Tryptophan ist eine essentielle Aminosäure, die zum Aufbau von Proteinen verwendet wird und ein biosynthetischer Vorläufer zahlreicher neurologisch aktiver Verbindungen ist. Es ist wahrscheinlich am bekanntesten als Ausgangspunkt für die Biosynthese von Serotonin und Melatonin. Während die Erzeugung dieser beiden Verbindungen in der Vergangenheit möglicherweise die meiste Aufmerksamkeit erregt hat, hat ein weniger bekannter Weg für den Tryptophanstoffwechsel, der Kynurenin-Weg, in letzter Zeit stetig zugenommen Forschungstätigkeit. Die Bedeutung des Kynurenin-Weges, der für den Katabolismus von ~ 99% des aufgenommenen Tryptophans verantwortlich ist, das nicht für die Proteinsynthese verwendet wird , wurde ursprünglich seiner Rolle bei der Biogenese von Nicotinamid-Adenin-Dinukleotid (NAD) zugeschrieben, jedoch offensichtliche Verbindungen mit neurodegenerativen Erkrankungen, Tumorproliferation, Entzündung und Depression treiben derzeit die Untersuchung des Kynurenin-Weges voran.
Der Kynureninweg wurde erstmals 1853 durch den Nachweis von Produkten von Tieren entdeckt, die mit Tryptophan gefüttert wurden. Im folgenden Jahrhundert wurde viel Arbeit geleistet, um die chemischen Umwandlungen, die beteiligten Enzyme und mögliche Krankheitsbeziehungen des Kynureninweges festzustellen. In den 1960er Jahren wurden die Komponentenenzyme des Kynureninweges durch die mühsame Arbeit, jedes Komponentenenzym aus Säugetiergewebe zu extrahieren und ihre entsprechenden Aktivitäten zu bestimmen, vollständig aufgeklärt .
Als die Verbindung zwischen dem Kynurenin-Signalweg und der Major Depression deutlicher wurde, wurde die Serotonin-Hypothese vorgeschlagen, die besagt, dass der Kynurenin-Signalweg bei Aktivierung das verfügbare Tryptophan von der Serotoninproduktion in Richtung eines weiteren Katabolismus umleiten würde . Obwohl die Korrelation zwischen der Aktivität des Kynurenin-Signalwegs und der Entzündung in vielen Fällen bestätigt wurde, hat die Serotonin-Hypothese in ihrer ursprünglichen Form nicht überlebt. Es wurde gezeigt, dass die Aktivierung des Kynureninweges durch Interferon-α (IFN-α) die Tryptophankonzentration in der zerebralen Rückenmarksflüssigkeit nicht signifikant senkte, obwohl dies zu einer Entzündung führte, indem die Mengen an Metaboliten des Kynureninweges, nämlich Kynurenin, Kynurensäure und Chinolinsäure (QUIN), erhöht wurden Konzentrationen in Zerebrospinalflüssigkeit . Entzündungen, die durch die Aktivierung des Kynurenin-Signalwegs verursacht werden, wurden auch mit der Behandlungsresistenz einiger Patienten in Verbindung gebracht Depression sowie bei Patienten, die sich einer Chemotherapie unterziehen .
Dank moderner molekularbiologischer Methoden sowie der Entdeckung analoger Kynureninwege in Bakterienspezies konnten die einzelnen Enzyme des Kynureninwegs in jüngster Zeit auf molekularer Ebene untersucht werden. Der erste und geschwindigkeitsbegrenzende Schritt des Kynureninweges erfolgt durch Tryptophan-2,3-Dioxygenase (TDO) oder Indolamin-2,3-Dioxygenase (IDO). Diese häm-abhängigen Enzyme fügen molekularen Sauerstoff über die 2-3-Bindung des Indolteils von Tryptophan ein und waren früher als Tryptophanpyrrolase bekannt. TDO ist ein Homotetramer mit starrer Substratselektivität, das hauptsächlich in Lebergewebe vorkommt, während IDO ein Monomer mit viel entspannterer Spezifität ist, das in den meisten Geweben vorkommt. Insbesondere wird IDO zunehmend als Bindeglied zwischen dem Immunsystem und dem Kynureninweg erkannt, da es durch Zytokine aktiviert wird und einige entzündungshemmende Wirkungen zu haben scheint. Es ist auch an den tumorsuppressiven Fähigkeiten von Interferon-γ beteiligt . Aus mechanistischer enzymologischer Sicht sind diese Enzyme einzigartig, da sie die einzigen bekannten Dioxygenasen sind, die eine hämprothetische Gruppe als Cofaktor verwenden. Darüber hinaus ist IDO das einzige Enzym außer Superoxiddismutase, das Superoxid als Substrat verwenden kann, was es in die oxidative Stressreaktion einbezieht.
Das Produkt der TDO/IDO-katalysierten Reaktion, N-Formylkynurenin, wird dann zu Kynurenin hydrolysiert. Je nach Gewebetyp setzt sich Kynurenin entweder in Richtung Tricarbonsäurezyklus fort oder wird in Mikrogliazellen bzw. Astrozyten in Kynurensäure umgewandelt . Kynurenin und seine unmittelbaren Metaboliten scheinen keine direkten Auswirkungen auf Neuronen zu haben; Sie besitzen jedoch verschiedene pro- und antioxidative Aktivitäten. Alternativ antagonisiert Kynurensäure kompetitiv Glutamatrezeptoren und hemmt nicht kompetitiv den α7-Nikotinacetylcholinrezeptor .
Weiter unten im Kynureninweg wird eine zweite Dioxygenase, die 3-Hydroxyanthranilsäuredioxygenase (HAO), verwendet, um den verbleibenden aromatischen Ring zu öffnen, der einst zu Tryptophan gehörte. HAO ist eine Typ-III-, nicht-Häm-, Eisen-abhängige Extradiol-Dioxygenase . Obwohl nicht so einzigartig wie TDO / IDO, hat HAO immer noch interessante Funktionen. Insbesondere enthalten HAOs aus bakteriellen Quellen häufig eine zusätzliche, Rubredoxin-ähnliche Metallbindungsdomäne, die für die Katalyse nicht erforderlich ist. Diese Domäne wird in HAOs aus tierischen Quellen nicht gefunden, so dass die Frage nach der Funktion und Bedeutung einer solchen zusätzlichen Metallbindungsdomäne offen bleibt. HAO spaltet den Ring von 3-Hydroxyanthranilsäure, einem bekannten Radikalgenerator, unter Bildung von α-Amino-β-carboxymuconat-ε-semialdehyd, einer Verbindung, die nicht enzymatisch zum NAD-Vorläufer Chinolinsäure (QUIN) zerfällt. Das erneute Interesse am Kynurenin-Signalweg ist zum großen Teil auf die Entdeckung zurückzuführen, dass QUIN selektiv N-Methyl-D-aspartat (NMDA) -Rezeptoren aktivieren kann . Obwohl die Basalspiegel von QUIN nicht so sind, dass sie NMDA-Rezeptoren signifikant anregen können, kann die Aktivierung des Kynurenin-Signalwegs zu gefährlichen QUIN-Spiegeln führen, die mit zahlreichen neurologischen Erkrankungen assoziiert sind: Alzheimer-Krankheit, Angstzustände, Depressionen, Epilepsie, mit dem Human Immunodeficiency Virus assoziierte neurokognitive Störungen und Huntington-Krankheit . Es wird angenommen, dass die Erzeugung von QUIN die Hauptverbindung zwischen dem Kynureninweg und der Entzündungsreaktion darstellt .
Das nächste Enzym im Kynureninweg weist nicht nur eine einzigartige Chemie auf, sondern ist auch der Hauptverzweigungspunkt zwischen einer nicht-enzymatischen Bildung des exzitotoxischen NAD-Vorläufers QUIN und dem weiteren Metabolismus. Dieses Enzym ist α-Amino-β-carboxymuconat-ε-Semialdehyddecarboxylase (ACMSD), die einzige bekannte metallabhängige, sauerstoffunabhängige Decarboxylase. Die Röntgenkristallstruktur dieses Enzyms wurde kürzlich gelöst, und biochemische Arbeiten haben einen potenziellen Mechanismus zur Regulierung der Aktivität dieses Enzyms gezeigt. Es wurde gezeigt, dass nur die Homo-Dimer-Form von ACMSD in der Lage ist, die Decarboxylierung des Substrats zu katalysieren, was die Tür für die Möglichkeit öffnet, dass die Modulation der quartären Struktur von ACMSD der dominierende Regulationsmechanismus für dieses Enzym sein kann . Ein weiteres interessantes Merkmal von ACMSD ist, dass sowohl sein Substrat als auch sein Produkt instabil sind und Elektrozyklisierungen zu QUIN bzw. Obwohl es eine Fülle von Studien gibt, die die schädlichen Wirkungen von Chinolinsäure belegen, ist die Literatur zu Picolinsäure viel spärlicher, und es wurde noch kein Konsens über ihre physiologischen Rollen und Wirkungen erzielt . Es scheint eine metabolische Sackgasse für den Kynureninweg darzustellen, da es ausgeschieden wird.
Zumindest in den In-vitro-Studien ist das Substrat von ACMSD um eine Größenordnung stabiler als sein Produkt , was die natürliche Frage aufwirft, wie die Raten dieser beiden nicht-enzymatischen Zerfallsreaktionen in der Zelle gesteuert werden. Die Beantwortung dieser Frage erfordert detaillierte Kenntnisse des enzymatischen Mechanismus von HAO, ACMSD und des nächsten Enzyms im Weg, α-Aminomuconat-ε-Semialdehyd-Dehydrogenase (AMSDH). Die Struktur und der Mechanismus von ACMSD sind relativ gut untersucht und die Struktur von HAO ist definiert . Über dieses dritte Enzym, das vermutlich die Aufteilung zwischen weiterem Metabolismus und Picolinsäurebildung steuert, war jedoch bis vor kurzem, als die Kristallstruktur gelöst und der katalytische Mechanismus vorgeschlagen wurde, wenig bekannt . AMSDH ist ein Mitglied der Aldehyddehydrogenase-Superfamilie und der erste Energy-Harvesting-Schritt des Kynurenin-Weges, der sein Semialdehydsubstrat oxidiert und gleichzeitig NAD reduziert.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der primäre Stoffwechselweg für den Tryptophankatabolismus bei Säugetieren neuroaktive Verbindungen produziert, von denen eine, Chinolinsäure, sowohl der biosynthetische Vorläufer der NAD-Produktion als auch ein Agonist von NMDA-Rezeptoren ist. Eine Erhöhung der Chinolinsäurekonzentrationen in Zerebrospinalflüssigkeiten wurde bei mehreren neurodegenerativen Erkrankungen beobachtet, und die Injektion von exogener Chinolinsäure kann bei Mäusen eine Neurodegeneration verursachen. Der Kynureninweg kann im Gehirn durch Behandlung mit IFN-α stimuliert werden. Diese Ergebnisse weisen auf die Produktion von Chinolinsäure durch den Kynurenin-Weg als einen beitragenden Faktor für neurodegenerative Erkrankungen hin, die mit Entzündungen assoziiert sind.
Zusammenfassend ist der Kynureninweg der Hauptweg für den Tryptophankatabolismus in Säugetierzellen, und viele der Zwischenprodukte und Produkte dieses Weges sind an zahlreichen neurologischen Erkrankungen beteiligt. Als solches ist der Kynurenin-Signalweg ein reifes Ziel für die Wirkstoffentdeckung, zumal über seine Regulation so wenig bekannt ist. Der Kynurenin-Signalweg hat auch eine Verbindung zum Tumorwachstum und zur Tumorproliferation durch eines seiner initiierenden Enzyme, IDO, und es gibt IDO-Inhibitoren, die sich derzeit in klinischen Phase-II-Studien befinden . In den letzten Jahren hat der Kynurenin-Weg erhöhte Aufmerksamkeit von Klinikern, Biologen und Biochemikern erhalten, da seine medizinische Relevanz deutlicher wurde. Trotz der erneuten Bemühungen fehlt es immer noch an Verständnis dafür, wie die Produktion des wohl schädlichsten Metaboliten QUIN kontrolliert wird, und es muss daran gearbeitet werden, seine Produktion therapeutisch zu steuern. Es besteht ein aktueller Bedarf an Untersuchungen der Mechanismen, durch die der Kynureninweg reguliert wird, insbesondere der Enzyme, die an der QUIN-Bildung beteiligt sind.
