Neue Enzymmodelle liefern Einblicke in Krankheiten

Wenn sich Nukleinsäuren wie DNA oder RNA im Zytoplasma einer Zelle ansammeln, löst dies einen Alarmruf beim Immunsystem aus. Normalerweise beseitigen Enzyme diese Nukleinsäuren, bevor sie ein Problem verursachen. Wenn diese Enzyme jedoch nicht funktionieren und das Immunsystem aktiviert wird, kann es zu Autoimmun- und Entzündungserkrankungen kommen.

In einer neuen Studie veröffentlicht In StrukturWissenschaftler von Scripps Research präsentieren die bisher unbeschriebene Struktur von zwei dieser nukleinsäureabbauenden Enzyme – PLD3 und PLD4. Das Verständnis der Strukturen und molekularen Details dieser Enzyme ist ein wichtiger Schritt bei der Entwicklung von Therapien für die verschiedenen Krankheiten, die bei Fehlfunktionen dieser Enzyme auftreten, darunter Lupus erythematodes, rheumatoide Arthritis und Alzheimer.

„Diese Enzyme sind wichtig für die Reinigung der Zellumgebung und legen auch die Schwelle dafür fest, was als Infektion gilt oder nicht“, sagt der leitende Autor David Nemazee, Ph.D., Professor in der Abteilung für Immunologie und Mikrobiologie bei Scripps Research . „Ich hoffe, dass wir den Patienten eines Tages auf der Grundlage dieser Informationen helfen können.“

Enzyme sind Proteine, die chemische Reaktionen beschleunigen, indem sie bestimmte Moleküle, sogenannte Substrate, binden und mit ihnen reagieren. Im Fall von PLD3 und PLD4 ist das Substrat ein RNA- oder DNA-Strang, den die Enzyme Nukleotid für Nukleotid abbauen.

Das Team nutzte Röntgenkristallographie, um atomare Modelle der PLD3 und PLD4 in mehreren Zuständen oder Situationen zu erstellen und so zu untersuchen, wie sich ihre Formen im Verlauf der katalytischen Reaktion veränderten. Dies gilt auch dann, wenn die Enzyme ruhen oder wenn sie aktiv an ein Substrat gebunden sind.

„Mit diesen Modellen können wir PLD3 und PLD4 sehr klar und mit hoher Auflösung visualisieren, sodass wir genau wissen, wie jedes Atom interagiert, was bedeutet, dass wir daraus ableiten können, wie die Enzyme funktionieren“, sagt Erstautor Meng Yuan, wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Abteilung für Integrative Forschung Struktur- und Computerbiologie bei Scripps Research.

Die Strukturanalysen ergaben, dass PLD3 und PLD4 strukturell ähnlich sind und DNA und RNA auf sehr ähnliche Weise abbauen, obwohl PLD4 ein größeres Protein ist. Beide Enzyme bauen Nukleinsäuren in einem zweistufigen Prozess ab.

„Wir nennen diesen Prozess eine zweistufige Katalyse: Zubeißen und Loslassen“, sagt Yuan. „Im ersten Schritt beißt sich das Enzym in den DNA-Strang und trennt einen einzelnen ‚Baustein‘ oder Nukleotid vom Rest des Strangs, und im zweiten Schritt öffnet es sein ‚Mund‘ und gibt den Baustein frei, der recycelt werden kann.“ „

Da die enzymatische Reaktion so schnell abläuft – innerhalb von Millisekunden – mussten die Forscher ein alternatives Substrat verwenden, um die Struktur der Enzyme während der Katalyse sichtbar zu machen. Dazu inkubierten sie die Enzyme zusammen mit einem Molekül, das der DNA, die das Enzym normalerweise abbaut, sehr ähnlich sieht, die Enzyme jedoch viel langsamer abbauen.

Diese Methode deckte eine bisher unbekannte Funktion eines der Enzyme auf: Neben dem Abbeißen von Nukleotiden aus einzelsträngiger RNA und DNA zeigte PLD4 auch Phosphataseaktivität, was bedeutet, dass es möglicherweise auch am Abbau des Phosphatrückgrats der DNA beteiligt ist.

„Ich finde es erstaunlich, dass uns die Kristallstruktur etwas über diese Phosphataseaktivität verrät“, sagt Nemazee. „Die Entdeckung einer neuen enzymatischen Aktivität ist in der Strukturbiologie noch nie dagewesen. Nur weil Meng in der Lage war, eine so erstaunlich genaue und detaillierte Struktur aufzuklären, konnte er uns über diese zusätzliche enzymatische Aktivität informieren, von der wir keine Ahnung hatten.“

Nachdem sie die übliche Struktur von PLD3 und PLD4 aufgeklärt hatten, untersuchten die Forscher die Struktur von Varianten, die mit Krankheiten wie Alzheimer und spinozerebellärer Ataxie in Zusammenhang stehen. Diese Analysen ergaben, dass einige dieser Varianten eine verringerte enzymatische Fähigkeit aufwiesen, während andere – darunter eine Mutation, die mit der spät einsetzenden Alzheimer-Krankheit in Verbindung gebracht wird – aktiver zu sein schienen.

„Einige unserer Daten deuten darauf hin, dass eine dieser Alzheimer-assoziierten Enzymvarianten möglicherweise besser funktioniert, was für mich überraschend war, aber möglicherweise auch weniger stabil ist und sich leichter aggregieren lässt“, sagt Nemazee.

Die Forscher wollen die Struktur und Funktion dieser Enzyme weiter untersuchen. Zu ihren nächsten Schritten gehört die Erforschung möglicher Wege zur Hemmung der Enzyme in Szenarien, in denen sie überaktiv sind. Außerdem planen sie, die Möglichkeit zu untersuchen, die Enzyme bei Menschen zu ersetzen, die nicht funktionierende (oder nicht funktionierende) Versionen tragen.

Neben Nemazee und Yuan waren Linghang Peng, Deli Huang, Amanda Gavin, Fangkun Luan, Jenny Tran, Ziqi Feng, Jeanne Matteson und Ian Wilson, alle von Scripps Research.