Duale Oxidase

Beim Menschen existieren zwei DUOX-Gene – DUOX1 und DUOX2 – die sich beide auf Chromosom 15 am Genlokus 15q21.1 befinden. Sie kodieren für zwei eng verwandte Isoformen. Beide Gene werden von den Schilddrüsenepithelzellen exprimiert. DUOX1 kommt zudem im respiratorischen Epithel vor, DUOX2 hingegen im Gastrointestinaltrakt und den Speicheldrüsen.

DUOX-Enzyme bestehen aus einem katalytischen Kern und einer extrazellulären Peroxidase-ähnlichen Domäne. Ihre Aktivität erfordert die Bindung des Cofaktors Flavinadenindinukleotid (FAD) sowie Calcium für die Regulation. DUOX katalysiert folgende Reaktion:

$${\displaystyle \mathrm{N}\mathrm{A}\mathrm{D}\mathrm{P}\mathrm{H}+\mathrm{H}{\phantom{A}}^{+}+2\mathrm{O}{\phantom{A}}_2⟶\mathrm{N}\mathrm{A}\mathrm{D}\mathrm{P}{\phantom{A}}^{+}+2\mathrm{O}{\phantom{A}}_2{\phantom{A}}^{-}+2\mathrm{H}{\phantom{A}}^{+}}$$

In einer zweiten, spontan ablaufenden oder enzymatisch katalysierten Dismutation entsteht Wasserstoffperoxid:

$${\displaystyle 2\mathrm{O}{\phantom{A}}_2{\phantom{A}}^{-}+2\mathrm{H}{\phantom{A}}^{+}⟶2\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}{\phantom{A}}_2}$$

DUOX arbeitet in Tandem mit der Peroxidase, indem es H₂O₂ als Substrat liefert.

• Schilddrüsenhormonsynthese: In der Schilddrüse liefert DUOX2 H₂O₂, das für die Iodierung von Thyreoglobulin durch die Thyreoperoxidase (TPO) notwendig ist. Ein Mangel an H₂O₂ führt zu einer eingeschränkten Hormonproduktion.
• Immunabwehr: DUOX1 spielt in der Schleimhaut der Atemwege eine Rolle bei der Abwehr von pathogenen Mikroorganismen, indem es reaktive Sauerstoffspezies (ROS) erzeugt, die antimikrobielle Eigenschaften besitzen.
• Signaltransduktion: DUOX1 und DUOX2 tragen zur ROS-basierten Signalweiterleitung bei, was für die Zellproliferation, Differenzierung und Stressantwort wichtig ist.

Mutationen im DUOX2-Gen sind die häufigste monogenetische Ursache einer Dyshormonogenese und zählen zu den häufigsten genetischen Ursachen der kongenitalen Hypothyreose (KH). Biallelische Loss-of-Function-Mutationen führen zu einer permanenten KH, während heterozygote Mutationen überwiegend eine transiente KH bedingen.^[1]

Pathogene DUOX2-Varianten erzeugen ein funktionell insuffizientes DUOX2-Enzym mit verminderter H₂O₂-Produktion an der apikalen Membran der Thyreozyten. Da H₂O₂ der limitierende Faktor für die TPO-abhängige Iodierung von Thyreoglobulin ist, resultiert ein Iodisationsdefekt mit normaler oder vergrößerter Schilddrüse (Struma).^[2] Neuere Studien zeigen zudem, dass DUOX2-Varianten auch bei der Schilddrüsendysgenesie gehäuft vorkommen, was auf zusätzliche Rollen im Schilddrüsenentwicklungsprozess hinweist.^[2]

Tierexperimentell zeigt sich, dass DUOX1-Defizienz die Suszeptibilität gegenüber Influenza-A-Infektionen erhöht.^[3] Gegenüber Mycobacterium tuberculosis hingegen scheint DUOX1 im Mausmodell entbehrlich zu sein, auch wenn es die lokale Zytokin- und Chemokinumgebung sowie die B-Zell-Rekrutierung in pulmonalen Entzündungsherden beeinflusst.^[3]

• Heinrich et al., Löffler/Petrides Biochemie und Pathobiochemie, 10. Auflage, Springer, 2023