Gegenwärtig sind elf humane Cystein-Cathepsine bekannt, die zur Familie der Papain-ähnlichen Cysteinproteasen zählen. Basierend auf ihrem Aktivitätsmuster können sie in vier Exopeptidasen (Cathepsine B, C, H und X) und sieben Endopeptidasen (Cathepsine F, K, L, O, S, V und W) eingeteilt werden. Abgesehen von einer Bevorzugung für hydrophobe Reste in P2-Position zeigen sie keine ausgeprägte Substratspezifität, was ihre seit langem bekannte Rolle beim lysosomalen Proteinabbau klar widerspiegelt. Heute zeichnet sich aber immer deutlicher ab, dass einzelne Cystein-Cathepsine auch ganz spezifische physiologische Aufgaben übernehmen. So spielt zum Beispiel Cathepsin L bei der Homöostase der Haut eine wichtige Rolle. Um diese Cystein-Cathepsine in ihren Funktionen besser voneinander abzugrenzen oder sogar neue Funktionen zu identifizieren, sind synthetische Affinitätssonden, die ihre Zielproteasen selektiv erkennen und kovalent markieren, wertvolle molekulare Werkzeuge.

Bei der Entwicklung dieser Affinitätssonden sind wir vom Naturstoff E-64 (1) ausgegangen, dessen privilegiertes Elektrophil (2S,3S)-Oxiran-2,3-dicarbonsäure in spezifischer Weise nur mit Cystein-Cathepsinen reagiert. Die Leucinseitenkette, die in die konservierte hydrophobe S2-Tasche bindet, vermittelt zum einen die spezifische Erkennung und sorgt zum anderen dafür, dass die thiolreaktive Gruppe optimal zum katalytischen Cystein positioniert wird.

Um innerhalb der Cystein-Cathepsine differenzieren zu können, verfolgen wir zwei Strategien:

• Adressierung der strukturellen Besonderheiten, die für die jeweilige Exopeptidase-Aktivität verantwortlich sind.

Beispiel Cathepsin B: Adressierung der Reste His-110 und His-111, die diesem Enzym Dipeptidylcarboxypeptidase-Aktivität verleihen. Mithilfe des Biotin-funktionalisierten Inhibitors konnten bereits zwei neuartige Cathepsin B-Funktionen identifiziert werden:

• • Cathepsin B ist aktiv am Selbstschutzmechanismus zytotoxischer T-Lymphozyten beteiligt (Kooperationspartner: Dr. P. Henkart, NIH Bethesda, USA) und
  • ermöglicht HaCaT Keratinozyten die Migration, ein Prozess der bei der Wundheilung eine wichtige Rolle spielt (Kooperationspartnerin: Prof. K. Brix, Jacobs Universität, Bremen).
• Erschließen von Wechselwirkungen jenseits des Aktivzentrums auf der Proteaseoberfläche, wobei die jeweiligen Propeptid-Domänen als strukturelle Wegweiser dienen.
  

Beispiel Cathepsin L: Anknüpfung des Fragments ProCL [78p - 91p] der Prodomäne (in der Procathepsin L-Struktur rot hervorgehoben) an die thiolreaktive Gruppe.