Cyanopeptoline und Scytocyclamide: Zyklische Peptide aus Scytonema hofmanni PCC7110; Struktur und biologische Aktivität
Die vorliegende Arbeit beschreibt die Isolierung und Charakterisierung von Cyanopeptolinen und Scytocyclamiden aus Zellen des Cyanobakteriums Scytonema hofmanni PCC 7110. Es wurden drei Peptide vom Cyanopeptolin-Typ isoliert und mit den Scytocyclamiden A bis C eine, für Scytonema hofmanni PCC 7110 bisher nicht beschriebene Peptidklasse identifiziert. Die neu isolierten Cyanopeptoline 946A, 1060A and 1067A wurden als Derivate mit Molekülmodifikationen zu den von Matern et al. (2001 und 2003) beschriebenen Scyptolinen A und B, sowie Hofmannolin identifiziert. Cyanopeptolin 1067A unterscheidet sich von Hofmannolin durch den Austausch von Tyrosin gegen die basische Aminosäure Arginin auf N-terminaler Seite der 3-Amino-6-hydroxypiperidon-Gruppe. Mit Cyanopeptolin 1060A wurde eine weitere verwandte Struktur zu Hofmannolin aufgeklärt: anstatt 2-Hydroxy-3-methylvaleriansäure findet man 2-Hydroxyisovaleriansäure als Acylrest am N-Terminus der Seitenkette. Bei Cyanopeptolin 946A wurde das Fehlen der Chlorierung am N-methylierten Tyrosin im Vergleich zu Scyptolin A belegt. Scytocyclamid A gleicht zu großen Teilen Laxaphycin A, einem Peptid, welches erstmals bei Anabaena laxa beschrieben wurde. Es ist ein zyklisches Undecapeptid. Im Vergleich zu Laxaphycin A ist Homoserin gegen Glutamin ausgetauscht. Zwei weitere Peptide aus dieser Substanzklasse wurden strukturell aufgeklärt: Scytocyclamid B weist eine zu Laxaphycin D identische Masse und Aminosäuresequenz auf. Scytocyclamid C unterscheidet sich von Scytocyclamid B durch das Fehlen einer Hydroxylgruppe am Leucin. Beide sind zyklische Dodecapeptide. Die Strukturen der bearbeiteten Peptide wurden durch Massenspektometrie, IR- und NMR-Spektroskopie gelöst. Aufgrund der geringen Ausbeute musste bei den Cyanopeptolinen auf eine Konfigurations-analyse verzichtet werden. Analog zu allen anderen beschriebenen Cyanopeptolinen liegt jedoch vermutlich jeweils die L-Konformation der Aminosäuren vor. Bei Scytocyclamid A wurde die Konfiguration durch GC-MS-Versuche an chiralen Phasen soweit möglich bestimmt. Die Cyanopeptoline sowie die Scytocyclamide wurden in verschiedenen Testsystemen auf ihre antimikrobielle, enzyminhibierende, zytotoxische und toxische Wirkung überprüft. Eine antimikrobielle Wirksamkeit wurde für keine der Substanzen festgestellt. Bei den Enzymhemmtests hatte Cyanopeptolin 946A eine vergleichbare Wirkung auf Elastase (IC50 von 0,45 µg/ml entsprechend 0,47 µmol) wie Scyptolin A (0,16 µmol), bzw. Scyptolin B (0,14 µmol). Bei allen anderen getesteten Enzymen wurde keine Wirkung beobachtet. Cyanopeptolin 1060A konnte kein Zielenzym zugeordnet werden. Die Strukturvariante des Cyanopeptolins 1067A mit der basischen Aminosäure Arginin neben der Ahp-Gruppe hatte deutliche Wirkung gegenüber Trypsin (IC50 von 0,064 µg/ml entsprechend 60 nmol). Neben Trypsin wurde auch Plasmin gehemmt (IC50 von 1,0 µg/ml entsprechend 0,94 µmol). Für die Klasse der Scytocyclamide wurden toxische Effekte auf Primärkonsumenten belegt: Im 24 h Toxizitätsassay hatten die genannten Substanzen bereits nach 2 h letale Wirkungen bei Thamnocephalus platyurus (LD50 für Scytocyclamid B von 4 µmol und für Scytocyclamid A von 12 µmol). Bei den Tests zu einer möglichen Wirkung der isolierten Peptide auf humane Zelllinien waren die Cyanopeptoline unwirksam, während Scytocyclamide eine ausgeprägte Zellzytotoxizität aufwiesen. Bei den Zellzytotoxizitätstests wurden alle getesteten Zelllinien bei einer Konzentration von 10 µg/ml (entsprechend ca. 8 µmol) gleichermaßen beeinflusst und die Zellen abgetötet. Die Wirkung wurde neben Aufnahmen mit dem Phasenkontrastmikroskop durch ein Differential-Interferenz-Kontrastmikroskop dokumentiert. Bei den Ansätzen zur Frage nach der Ursache der Zytotoxizität wurden verschiedene apoptotische Prozesse überprüft. Eine für Apoptose charakteristische Caspase-Aktivität oder der Verlust des Mitochondrien-Membranpotentials wurden allerdings nicht bestätigt. Es gab jedoch andere Hinweise auf mögliche Apoptose-Mechanismen, wie die Translozierung von Phosphatidylserin von der Membraninnenseite auf die Membranaußenseite, welche mittels Durchflusszytometrie verfolgt wurde. Eine mögliche Induktion der Apoptose könnte über reaktive Sauerstoffspezies erfolgen, welche durch die Oxidierung von Hydroethidin zu Ethidium nachgewiesen wurden. Membranschädigung durch Porenbildung in künstlichen Membranen mit Diphytanoyl- phosphatidylcholin als Membranbestandteil durch die isolierten Peptide wurde nicht beobachtet. Bei cholesterolhaltigen Membranen wurde jedoch erhöhte Leitfähigkeit gemessen. Die vermutete Membranschädigung wurde durch Rubidium-Efflux-Experimente an HT-29-Zellen belegt. Als weiterer zellschädigender Effekt wurde der Abbau von alpha-Tubulin durch Scytocyclamide mittels Immunfluoreszenzfärbung nachgewiesen.
Cyanobakterien, Peptide, Cyanopeptolin, Scytocyclamid, Laxaphycin, cyanobacteria, peptides, scytocyclamide
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