12.05.2020 13:45
„Vier gewinnt“ bei Glutaredoxinen
Forscher aus Düsseldorf, Kaiserslautern und dem Saarland konnten die genauen strukturellen Unterschiede herausfinden, die ausschlaggebend dafür sind, ob ein Protein zu einem aktiven Enzym oder zu einem Gerüst für Eisenionen wird: Um ein inaktives Glutaredoxin vollständig in ein aktives umzuwandeln, war die Einführung von vier Mutationen aus einem aktiven Glutaredoxin notwendig. Diese Erkenntnis, über die aktuell in der Fachzeitschrift Nature Communications berichtet wird, bietet einen tieferen Einblick in grundlegende zelluläre Prozesse wie die DNA-Synthese und den Eisenstoffwechsel.
Glutaredoxine sind Proteine, die von zentraler Bedeutung für lebenswichtige Stoffwechselwege sind. Sie existieren in Form von zwei Klassen: Glutaredoxine der Klasse I sind Enzyme, die wichtige Redoxreaktionen katalysieren, wie z. B. die Synthese der Ausgangsverbindungen der DNA. Glutaredoxine der Klasse II sind keine aktiven Biokatalysatoren, sondern dienen als Überträger und Sensoren für Eisen-Schwefel-Cluster, die eine wichtige Rolle im Eisenstoffwechsel spielen. Obwohl diese Proteine seit mehr als 20 Jahren untersucht werden, war es bislang unklar, welche strukturellen Unterschiede für die verschiedenen Funktionen verantwortlich sind.
Ausgangpunkt war eine strukturbasierte Analyse, die vier Bereiche identifizierte, die Unterschiede oder Mutationen zwischen den Aminosäuresequenzen der Klasse I und der Klasse II enthielten. Um den Beitrag dieser Mutationen für den Klassenunterschied zu bestimmen, wurden systematisch Abschnitte im inaktiven Klasse-II-Protein durch entsprechende Abschnitte aus den aktiven Klasse-I-Proteinen ersetzt und umgekehrt.
Der auffälligste strukturelle Unterschied zwischen den beiden Klassen ist dabei eine in den inaktiven Klasse-II-Proteinen verlängerte Schleife. Nachdem die Forscher aus Kaiserslautern die lange Schleife herausgeschnitten und durch die kürzere Schleife aus einem Protein der Klasse I ersetzt hatten, konnten sie eine leicht erhöhte katalytische Aktivität beobachten. In Kombination mit anderen Mutationen nahm die Aktivität des Klasse-II-Proteins beständig zu. Dies führte zu dem Schluss, dass die lange Schleife wie ein Ausschalter in der inaktiven Klasse II wirkt und dass die Einführung aller vier Mutationen aus Glutaredoxinen der Klasse I erforderlich war, um das inaktive Protein vollständig in ein aktives umzuwandeln. Somit gelang es, inaktive Proteine, deren Aufgabe normalerweise darin besteht, Eisen-Schwefel-Cluster zu erkennen oder zu übertragen, in aktive Enzyme, die Redoxreaktionen katalysieren, umzuwandeln und umgekehrt. Dies konnte durch Versuche in Hefezellen durch die Forscher aus dem Saarland bestätigt werden.
Plötzlich gesund
Fortschreitende Naturerkenntnis, ganz allgemein gesprochen, ‘Wissenschaft’, ist der stärkste Feind des medizinischen Wunders. Was unseren Vorfahren als Wunder erschien, was einfache Naturvölker heute noch in heftige Erregung versetzt, das berührt den zivilisierten Menschen längst nicht mehr.
Doch es gibt einen Gegensatz, der jedem Denkenden sofort auffällt: der unerhörte, durchaus nicht abgeschlossene Aufstieg der wissenschaftlichen Heilkunde und die ebenso unerhörte Zunahme der Laienbehandlung und der Kurpfuscherei. Man schätzt die Zahl der Menschen, die der Schulmedizin kein Vertrauen schenken, auf immerhin 50 Prozent.
Wie kann es sein, daß Laienbehandler und Kurpfuscher immer wieder spektakuläre Erfolge aufweisen, von denen die Sensationspresse berichtet?
Der Autor geht dieser Frage nach und kommt zu interessanten Erkenntnissen, aus denen er Vorschläge für eine bessere Krankenbehandlung durch seine ärztlichen Standesgenossen ableitet.
Durch extensive Molekulardynamiksimulationen konnten die Düsseldorfer Forscher auf der atomaren Ebene zeigen, dass Unterschiede in den Enzymaktivitäten der Klasse-I-Proteine auf Unterschieden im Substratzugang zur aktiven Tasche beruhen. Interessanterweise fördert das Einsetzen der Klasse-I-Schleife in Klasse-II-Proteinen auch dort den Substratzugang und somit deren Aktivität (siehe Abbildung).
Basierend auf den beiden komplementären experimentellen Ansätzen und den molekularen Simulationen konnte so ein überzeugendes Bild von der Funktionsweise der Glutaredoxine gewonnen werden, die in verschiedenen Bereichen wie Bakterien, Hefe, Pflanzen bis hin zum Menschen relevant sind. In Menschen spielen Glutaredoxine z.B. beim Redoxsignaling und der Regulation des Glucosemetabolismus eine Rolle.
Wissenschaftliche Ansprechpartner:
Prof. Dr. Holger Gohlke, Institut für Pharmazeutische und Medizinische Chemie, Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf, gohlke@hhu.de
Originalpublikation:
Liedgens, L., Zimmermann, J., Wäschenbach, L., Geissel, F., Laporte, H., Gohlke, H.*, Morgan, B.*, Deponte, M.*, “Quantitative assessment of the determinant structural differences between redox-active and inactive glutaredoxins”, Nature Comm. 2020, 11, 1725. DOI: 10.1038/s41467-020-15441-3 (04/2020)
Weitere Informationen:
https://www.nature.com/articles/s41467-020-15441-3
Merkmale dieser Pressemitteilung:
Journalisten, Wissenschaftler
Medizin
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Forschungsergebnisse, Wissenschaftliche Publikationen
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