Humanes Choriongonadotropin und die Glykoprotein-Hormone: Untereinheiten, Glykane, Referenzstandards

Alle vier Glykoproteinhormone besitzen eine identische Alpha-Untereinheit. Die jeweils hormonspezifische Beta-Untereinheit unterscheidet die Moleküle strukturell voneinander und trägt damit ihre Spezifität. Die Bezeichnungen Alpha und Beta benennen dabei die beiden unterschiedlichen Polypeptidketten des Komplexes. Beide Ketten sind glykosyliert, also mit kovalent gebundenen Kohlenhydratstrukturen versehen, bleiben im Heterodimer jedoch untereinander nicht kovalent verbunden.

Die Kristallstruktur von hCG zeigt für beide Untereinheiten dieselbe grundlegende Topologie, das heißt eine vergleichbare räumliche Anordnung ihrer Strukturelemente. In jeder Untereinheit formen drei Disulfidbrücken einen Cystin-Knoten. Dieses kompakte Faltungsmotiv kommt ebenfalls bei einigen Proteinwachstumsfaktoren vor. Ein Segment der Beta-Untereinheit legt sich um die Alpha-Untereinheit und stabilisiert dadurch den Komplex. Es ist nach Art eines Sicherheitsgurts durch die Disulfidbrücke Cys 26–Cys 110 kovalent verankert. Diese Anordnung bildet eine strukturelle Voraussetzung für die Heterodimer-Bildung (Lapthorn 1994, PMID 8202136).

Die gemeinsame Alpha-Untereinheit wird von einem eigenen, gemeinsam genutzten Alpha-Gen kodiert. Dessen Expression ist unabhängig von den Genen der Beta-Ketten reguliert. Definierte DNA-Abschnitte im Promotor und daran bindende Transkriptionsfaktoren steuern die Transkription, also das Ablesen der genetischen Information in RNA (Maurer 1999, PMID 10548887). Damit stehen der gemeinsamen Alpha-Kette jeweils eigenständige Beta-Ketten gegenüber. Als Klassenmitglieder lassen sich strukturell unterscheiden:

• Humanes Choriongonadotropin (hCG): Alpha- und hCG-spezifische Beta-Untereinheit; plazentar gebildet.
• Luteinisierendes Hormon (LH): gemeinsame Alpha- und LH-spezifische Beta-Untereinheit; in der Adenohypophyse gebildet.
• Follikelstimulierendes Hormon (FSH): gemeinsame Alpha- und FSH-spezifische Beta-Untereinheit; in der Adenohypophyse gebildet.
• Thyreoideastimulierendes Hormon (TSH): gemeinsame Alpha- und TSH-spezifische Beta-Untereinheit; in der Adenohypophyse gebildet.

Glykoproteinhormone tragen neben ihrer Polypeptidstruktur kovalent gebundene Zuckerketten, die als Glykane bezeichnet werden. Diese Kohlenhydratanteile bilden eine zweite Strukturebene: Bei der N-Glykosylierung ist die Zuckerstruktur N-glykosidisch an den Stickstoff der Seitenkette von Asparagin gebunden. O-Glykane sind dagegen O-glykosidisch mit der Hydroxygruppe von Serin oder Threonin verknüpft. Humanes Choriongonadotropin gehört zu den Molekülen, bei denen beide Verknüpfungstypen vorkommen.

Auch bei unveränderter Aminosäuresequenz müssen die angefügten Oligosaccharide nicht einheitlich aufgebaut sein. Insbesondere ihre terminalen, also an den äußeren Enden der Zuckerketten gelegenen Gruppen können variieren. Für Gonadotropine sind Unterschiede in der terminalen Sialylierung und Sulfatierung beschrieben; damit ist die Ausstattung mit Sialinsäure- beziehungsweise Sulfatgruppen gemeint. Aus dieser Variation entsteht molekulare Heterogenität (Ulloa-Aguirre 2001, PMID 11750727).

Ein Präparat eines solchen Glykoproteinhormons ist analytisch daher als Gemisch verwandter Molekülvarianten zu betrachten. Diese können dieselbe Peptidsequenz besitzen, sich jedoch in Zusammensetzung, Verzweigung oder terminaler Modifikation ihres Glykananteils unterscheiden. Eine reine Sequenzbestimmung erfasst diese Unterschiede nicht. Zur vollständigen strukturellen Charakterisierung müssen deshalb Peptid- und Glykanebene getrennt untersucht und anschließend gemeinsam bewertet werden.

Varianten eines Proteins, die sich durch ihre gebundenen Zuckerstrukturen unterscheiden, werden als Glykoformen bezeichnet. Beim Choriongonadotropin hängt das Glykanmuster von der Produktionsquelle ab. Verschiedene Quellen können somit bei gleicher Peptidsequenz unterschiedliche Glykoformen von hCG hervorbringen (Fournier 2016, PMID 27177499). Die Herkunft ist deshalb eine relevante Angabe für die vergleichende Analytik.

Eine weitere Variationsachse betrifft die Beta-Untereinheit. Die Beta-Kette des hCG wird durch eine Genfamilie kodiert. Untersucht wurden die Varianten CGB7 sowie CGB3/5/8, einschließlich ihrer N- und O-Glykosylierungsmuster. CGB3, CGB5 und CGB8 kodieren dabei eine identische Proteinvariante, während sich CGB7 in drei Aminosäuren davon unterscheidet. Die ermittelten Glykanmuster waren insgesamt ähnlich. Im Zellversuch zeigten funktionelle Analysen des ERK1/2-Signalwegs keine wesentlichen strukturell-funktionellen Unterschiede zwischen diesen Isoformen; beobachtet wurde lediglich eine leichte Abweichung in der Aktivierungskinetik. Dieser Befund beschreibt ausschließlich das verwendete Zellmodell (Biskup 2020, PMID 32767150).

• Aminosäuresequenz: innerhalb einer definierten Proteinvariante konstant
• Glykanbesetzung: bei gleicher Peptidsequenz variabel
• Isoform der Beta-Kette: genetisch variabel

Humanes Choriongonadotropin (hCG) und luteinisierendes Hormon (LH) binden denselben Rezeptor, den LH/Choriongonadotropin-Rezeptor (LHCGR). Beide Moleküle sind Liganden aus der Klasse der Glykoproteinhormone. Als Ligand wird ein Molekül bezeichnet, das an eine definierte Bindungsstelle eines Rezeptors bindet. Der LHCGR gehört zu den G-Protein-gekoppelten Rezeptoren und besitzt eine große extrazelluläre Domäne. Dieser außerhalb der Zellmembran gelegene Proteinabschnitt stellt die Kontaktfläche für die Ligandenbindung bereit.

Die gemeinsame Rezeptorzuordnung von LH und Choriongonadotropin macht den LHCGR zu einem Modell für die molekulare Erkennung strukturell verwandter Liganden. Die Rezeptorforschung untersucht dabei die Beziehung zwischen Domänenaufbau, Ligandenbindung, Konformationsänderungen und Regulation sowie die hierfür maßgeblichen Abschnitte der Rezeptorsequenz. Eine Übersichtsarbeit charakterisiert den LH/Choriongonadotropin-Rezeptor ausdrücklich unter den Gesichtspunkten Struktur, Funktion und Regulation (Ascoli 2002, PMID 11943741). Im Mittelpunkt stehen somit Eigenschaften des Rezeptormoleküls und seiner kontrollierten Zustandsänderungen, nicht organbezogene Abläufe.

Glykoproteinhormone liegen aufgrund ihrer variablen Glykanstrukturen als heterogene Molekülpopulationen vor. Bei Angaben in Internationalen Einheiten (IE/IU) handelt es sich um Aktivitäts- und nicht um Masseneinheiten; sie beziehen sich auf einen definierten Internationalen Standard. Davon zu unterscheiden sind Referenzreagenzien für die analytische Vergleichbarkeit: Für humanes Choriongonadotropin und verwandte Molekülformen wurden hochgereinigte Präparate hergestellt, anhand chemischer und analytischer Merkmale charakterisiert und über Aminosäureanalyse in Stoffmengenkonzentrationen kalibriert (Birken 2003, PMID 12507971).

Die WHO führt Referenzreagenzien für sechs molekulare Formen: hCG 99/688, hCGbeta 99/650, hCGalpha 99/720, hCGn 99/642, hCGbetan 99/692 und hCGbetacf 99/708. Das Reagenz hCG 99/688 unterscheidet sich in seiner Zusammensetzung vom älteren 3. Internationalen Standard 75/537: Es enthält kein hCGn und nur vernachlässigbare Mengen freier Untereinheiten (Birken 2003, PMID 12507971).

Die WHO nahm die sechs Standards formal als First International Reference Reagents an. Die IFCC übernahm die Nomenklatur der hCG-verwandten Moleküle; beschleunigte Abbaustudien ergaben eine hohe Stabilität der Standards (Bristow 2005, PMID 15514095). Für die Chargenprüfung sollte ein Zertifikat daher mindestens die verwendete Bezugsgröße, das Referenzpräparat, das Analyseverfahren und die Zuordnung des Messwerts ausweisen. Diese Angaben ermöglichen eine nachvollziehbare Einordnung analytischer Resultate zwischen Präparationen, Chargen und Messsystemen unter klar dokumentierten Vergleichsbedingungen. Hinweise zur Dokumentenprüfung bietet das Analysezertifikat einer Charge.

• HCG 5000 IU — Datenblatt und Chargenunterlagen zum Glykoprotein-Hormon
• Peptid-Lexikon — weitere Stoffklassen-Einträge
• Analysezertifikat lesen — was ein COA belegt und was nicht

1. Pierce JG, Parsons TF. Glycoprotein hormones: structure and function. Annu Rev Biochem. 1981;50:465-95. PMID 6267989. DOI 10.1146/annurev.bi.50.070181.002341
2. Lapthorn AJ, Harris DC, Littlejohn A, Lustbader JW, Canfield RE, Machin KJ, Morgan FJ, Isaacs NW. Crystal structure of human chorionic gonadotropin. Nature. 1994;369(6480):455-61. PMID 8202136. DOI 10.1038/369455a0
3. Maurer RA, Kim KE, Schoderbek WE, Roberson MS, Glenn DJ. Regulation of glycoprotein hormone alpha-subunit gene expression. Recent Prog Horm Res. 1999;54:455-84. PMID 10548887.
4. Ulloa-Aguirre A, Maldonado A, Damián-Matsumura P, Timossi C. Endocrine regulation of gonadotropin glycosylation. Arch Med Res. 2001;32(6):520-32. PMID 11750727. DOI 10.1016/s0188-4409(01)00319-8
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Hinweis: Dieser Eintrag dient ausschließlich der Laborforschung und wissenschaftlichen Einordnung. Die beschriebenen Materialien sind Forschungsmaterial für Forschungszwecke und nicht für den menschlichen oder tierischen Gebrauch bestimmt. Es werden keine Eigenschaften eines zugelassenen Arzneimittels beschrieben.