Pressemitteilung der Universität des Saarlandes vom 05.12.2011

Von tödlichen Giften bis zu heilenden Antibiotika: Eine Vielzahl von Substanzen, die sich in Pflanzen, Pilzen, Bakterien und anderen Organismen finden, gehören zur Klasse der Polyketide. Dieser heterogenen Gruppe von Naturstoffen gemeinsam ist die Art ihrer Herstellung. Dem Verständnis der Biosynthese von Polyketiden sind jetzt Forscher des Braunschweiger Helmholtz-Zentrums für Infektionsforschung (HZI), des Helmholtz-Instituts für Pharmazeutische Forschung Saarland (HIPS) und der Universität des Saarlandes einen entscheidenden Schritt näher gekommen. Dabei untersuchten sie eine bestimmte Klasse von Proteinen, die sogenannten CCR-Proteine. Diese Enzyme binden jeweils bestimmte Bausteine aus der Umgebung an sich und bereiten sie anschließend für den Einbau in das schrittweise wachsende Polyketid-Molekül vor. Dabei klärten sie erstmals auf, wie ein spezielles CCR-Protein den spezifischen Baustein erkennt, ihn bindet und für einen Einsatz aktiviert. Die Ergebnisse veröffentlicht das renommierte Wissenschaftsmagazin „Nature Chemical Biology“ in seiner aktuellen Ausgabe. Für die Zukunft erhoffen sich die Forscher, die Polyketid-Synthese in der Zelle „umprogrammieren“ zu können – und so zu neuen Wirkstoffen zu gelangen.

Die Polyketide bilden eine der größten Naturstoffklassen; viele von ihnen wurden bei der Suche nach neuen biologischen Wirkstoffen gefunden und aus Mikroorganismen oder Pflanzen isoliert. Ihre Funktionen sind äußerst vielfältig: Sie dienen als Signalmoleküle, als Farbstoffe und als Verteidigungswaffen gegen Fressfeinde oder Konkurrenten. Das Antibiotikum Erythromycin, die Krebsmedikamente Doxorubicin und Epothilon sowie das Antiparasiten-Mittel Avermectin sind prominente Vertreter dieser vielfältigen Stoffklasse. So unterschiedlich ihre Struktur und biologische Rolle sein mögen: Die Polyketide werden bei verschiedenen Organismen immer auf die gleiche Weise hergestellt.

Spezielle Enzymkomplexe, sogenannte Polyketid-Synthasen, bilden sie in Mikroorganismen schrittweise durch die Verknüpfung einzelner Bausteine. „Der Zusammenbau von Polyketiden ist reine Fließbandarbeit“, erklärt Professor Rolf Müller, Direktor und Abteilungsleiter am HIPS sowie Professor für Pharmazeutische Biotechnologie an der Universität des Saarlandes. „Man könnte die Polyketid-Synthase mit einer Fertigungsstraße in einer Fabrik vergleichen. Sie erhält ein Bauteil von einer bestimmten Zuliefer-Einheit, das nächste von einer anderen. So wie bei der Produktion eines Autos eine bestimmte maschinelle Einheit nur die Türen bereitstellt, die nächste nur Motorhauben und so weiter. Die Polyketid-Synthase verknüpft dann die Bauteile chemisch miteinander. So entsteht schließlich ein fertiges Polyketid.“

Die Forscher haben sich nun die Zulieferer der einzelnen Bausteine am Beispiel des Bakteriums Streptomyces genauer angesehen. Die Zulieferer sind eine Klasse von Proteinen mit dem komplexen Namen „Crotonyl-CoA-Carboxylase/Reduktase“, kurz CCR. Ihre Aufgabe ist es, die Bausteine für die Synthasen bereit zu stellen. Dabei liefert jede CCR nur einen ganz bestimmten Baustein. Wie die CCRs die erstaunliche Vielfalt von Polyketid-Strukturen gewährleisten können, war bisher nicht bekannt.

Um diese Frage zu beleuchten, analysierten die Forscher jetzt erstmals die biochemische Funktion und die atomare Struktur einer bestimmten CCR. Sie wählten dafür das Enzym 2-Oktenoyl-CoA Synthase, kurz CinF. „Wir konnten erstmals in atomarer Auflösung sehen, wie CinF sein Substrat bindet“, sagt Dr. Nick Quade, Wissenschaftler in der Abteilung Molekulare Strukturbiologie am HZI. Eine Tasche im Protein ermöglicht es dem Bindungspartner, direkt mit CinF in Wechselwirkung zu treten. Schließlich verglichen die Forscher am Computer die Struktur der Bindungstasche von CinF mit derjenigen von weiteren CCRs, die andere Substrate bereitstellen. Deren Bindungstasche ist genau an das jeweilige Substrat angepasst, ähnlich dem Schlüssel-Schloss-Prinzip. Die Forscher stellten fest: Je nach der Größe ihrer Bindungstasche sind manche CCRs auf kurzkettige Moleküle als Substrat spezialisiert, andere „fischen“ sich bevorzugt langkettige Bausteine aus der Umgebung und bereiten sie für den Einbau in das Polyketid vor.

Weil Polyketide oft medizinisch interessante Wirkungen haben, erhoffen sich die Wissenschaftler vom Verständnis ihrer Synthese wichtige Hinweise für die Arzneimittelentwicklung. „Wir wollen verstehen, wie CCRs arbeiten und die einzelnen Bausteine bereitstellen“, erklärt Professor Dirk Heinz, Wissenschaftlicher Geschäftsführer des HZI und Koautor der Veröffentlichung. „In Zukunft könnte es so möglich sein, Medikamente maßgeschneidert herzustellen und bestimmte Bausteine gezielt einzubauen oder zu verändern.“

Originalpublikation:
Unusual Carbon Fixation Giving Rise to Diverse Polyketide Extender Units. Nick Quade, Liujie Huo, Shwan Rachid, Dirk W. Heinz, Rolf Müller.
Nature Chemical Biology,
Advanced Online Publication, DOI: 10.1038/NChemBio.734

Externer Link: www.uni-saarland.de

Presseinformation der LMU München vom 28.11.2011

Entstehung UV-induzierter DNA-Dewar-Schäden aufgeklärt

Ultraviolette (UV) Anteile im Sonnenlicht können zu Schädigungen der Haut bis hin zum Hautkrebs führen. Grund dafür sind gefährliche DNA-Mutationen, die zur Folge haben, dass die Erbinformation nicht mehr oder nicht mehr korrekt abgelesen werden kann. Eine mögliche Mutation ist der sogenannte Dewar-Schaden, der selbst wieder erbgutverändernde Schäden auslöst – eine Aufklärung der Mechanismen, die zur Dewar-Bildung führen ist also von großem Interesse. LMU-Wissenschaftler konnten nun nachweisen, dass das DNA-Rückgrat dabei eine entscheidende Rolle spielt: Erst ein intaktes Rückgrat macht die Mutation möglich – ist das Rückgrat offen und damit flexibel, kann die Reaktion nicht ablaufen. Damit zeigt sich eine überraschende Doppelrolle des Rückgrats: Einerseits ist es die Grundvoraussetzung für die Funktion der DNA und somit von fundamentaler Bedeutung für alle lebenden Organismen. Andererseits ist es die Ursache für den Dewar-Schaden und trägt dadurch zur UV- induzierten Mutagenese bei. (Angewandte Chemie, 23. November 2011)

UV-induzierte DNA-Schäden entstehen durch molekulare Veränderungen, die zu Strukturänderungen führen und Mutationen oder sogar den Zelltod einleiten können. Zunächst erzeugt die energiereiche UV-Strahlung hauptsächlich zwei Arten von Mutationen: sogenannte CPD-Schäden und (6-4)-Photoschäden. Beide entstehen, indem benachbarte DNA-Bausteine eine Verbindung eingehen. Aus dem (6-4)-Schaden kann bei fortgesetzter Aufnahme von UV-Strahlung eine weitere Strukturänderung erfolgen. Auf diese Weise entsteht ein sogenannter Dewar-Schaden, der bei kontinuierlicher Sonnenbestrahlung ein stabiles Endprodukt darstellt – und hochmutagen ist, also selbst wieder erbgutverändernde Schäden auslöst. „Während die Entstehung der CPD- und (6-4)- Schäden bereits gut untersucht ist, traf dies für die Dewar-Schäden bisher nicht zu“, sagt der LMU-Chemiker Professor Thomas Carell, der auch dem Exzellenzcluster „Center for Integrated Protein Science Munich“ (CIPSM) angehört.

In einem gemeinsamen Projekt im Rahmen des SFB749 konnte Carells Gruppe nun zusammen mit Teams um den LMU-Physiker Professor Wolfgang Zinth (CIPSM) und Regina de Vivie-Riedle vom Department Chemie zeigen, dass das DNA-Rückgrat eine entscheidende Rolle spielt. Das Rückgrat besteht aus sich regelmäßig abwechselnden Zucker- und Phosphat-Molekülen, die den Protein-codierenden DNA-Bausteinen Halt geben. „Zu unserer Überraschung stellte sich heraus, dass der Dewar-Schaden nur dann eintritt, wenn ein intaktes Rückgrat den betroffenen DNA-Bereich stützt“, erklärt Carell, „weder die chemisch identische Substanz mit offenem Rückgrat, noch die freien Basenpaare zeigen die Dewar-Bildung bei Bestrahlung mit Sonnenlicht.“ Die interdisziplinäre Zusammenarbeit der drei Arbeitsgruppen aus den Bereichen Chemie, Physik und Theorie ermöglichte es, die photochemische Dewar-Bildung erstmals auf  atomarer Ebene direkt zu verfolgen. „Dabei zeigten unsere Ergebnisse, dass die Dewar-Bildung bemerkenswert effektiv ist und zu einer der effizientesten lichtinduzierten Reaktionen der DNA gehört“, erläutert der Physiker Zinth.

Einblicke in die mechanistischen Details der photochemischen Dewar-Bildung kamen aus der Theorie. „Um die Photochemie auf hohem Niveau verfolgen zu können, haben wir eine neue Hybridmethode konzipiert, mit der wir die Dynamik in zusammengesetzten Molekülbereichen auf unterschiedlich hohem quantenmechanischem Niveau verfolgen können“, sagt de Vivie-Riedle. Basierend auf ihren Berechnungen konnten die Wissenschaftler eindeutig klären, welche Rolle das DNA-Rückgrat für die Dewar-Bildung spielt: Ein offenes Rückgrat macht die Moleküle flexibel – dieser Zustand erlaubt nach einem (6-4)-Schaden nur den photophysikalischen Rückweg zum Ausgangsprodukt. Ein intaktes Rückgrat dagegen macht das Molekül starr: Die Ringspannung unterdrückt die Flexibilität, nur die Atome der neu zu bildenden Dewar-Bindung bleiben beweglich. Damit ist der Weg zum Dewar-Schaden frei.

Die Arbeiten wurden von der DFG im Rahmen des Sonderforschungsbereichs (SFB) 749 „Dynamik und Intermediate molekularer Transformationen“ und des Exzellenzclusters „Center for Integrated Protein Science Munich“ (CIPSM) gefördert. Regina de Vivie-Riedle und Wolfgang Zinth sind auch Mitglied des Exzellenzclusters „Munich Centre of Advanced Photonics“ (MAP). (göd)

Publikation:
„Mechanism of UV-Induced DNA Dewar-Lesion Formation“:
Karin Haiser, Benjamin P. Fingerhut, Korbinian Heil, Andreas Glas, Teja T. Herzog, Bert M. Pilles, Wolfgang J. Schreier, Wolfgang Zinth, Regina de Vivie-Riedle, Thomas Carell;
Angewandte Chemie. Article first published online: 23. Nov. 2011;
DOI: 10.1002/ang.201106231

Externer Link: www.uni-muenchen.de