Acetylgalactosaminidase

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α-N-Acetylgalactosidase (α-NAGAL, EC 3.2.1.49) ist eine lysosomale Exoglykosidase, die terminale α-N-Acetylgalactosamin-Reste von Glykopeptiden und Glykolipiden abspalten kann. Beim Menschen kann eine unzureichende α-NAGAL-Aktivität lysosomale Speicherkrankheiten verursachen, namentlich die Schindler- und die Kanzaki-Krankheit. Die lysosomale Speicherkrankheit wurde erstmals 1987 beschrieben; sie führt zur Akkumulation von Substraten im Gewebe, was letztlich zur Ausprägung klinischer Symptome führt. Bei der Schindler-Krankheit kann der Verlust der funktionellen α-NAGAL-Enzymaktivität zur Anreicherung von Glykolipiden und Glykopeptiden führen, was schließlich neurologische und weitere Erkrankungen nach sich zieht. Der Phänotyp der Schindler-Krankheit wird in drei Klassen unterteilt. Typ I ist eine schwere infantile neurodegenerative Erkrankung. Bei Typ II (auch als Kanzaki-Krankheit bezeichnet) kann ein Krankheitsbeginn im Erwachsenenalter zu leichten kognitiven Beeinträchtigungen und charakteristischen Hautläsionen (Angiokeratome) führen. Typ III zeigt ein Symptomspektrum einschließlich Krampfanfällen, Kardiomyopathie und Autismus. Derzeit steht keine Behandlung für diese Erkrankungen zur Verfügung.

Die Struktur der humanen α-NAGAL liefert die molekulare Grundlage der Schindler-Krankheit. Die Gesamtheit der Bindungsstellen für niedermolekulare Liganden in der Umgebung des aktiven Zentrums eröffnet die Möglichkeit, Moleküle zu designen, die die in der Struktur der humanen α-NAGAL erkennbaren Ligandenbindungseigenschaften nutzen. Diese Moleküle können als Inhibitoren oder als chemische Chaperone der humanen α-NAGAL eingesetzt werden.

Abb. 1. A. Die durch α-NAGAL katalysierte Reaktion (Clark, N.E.; Garman, S.C. 2009)

Die Beziehung zwischen α-NAGAL und α-GAL

Im humanen Genom ist das NAGA-Gen eng mit dem Gen der α-Galactosidase A (GLA) verwandt; beide sind aus demselben Vorläufergen hervorgegangen. Die entsprechenden Proteine, α-NAGAL und α-GAL, weisen eine Aminosäuresequenz-Identität von 46% auf, unterscheiden sich jedoch in ihrer Substratspezifität. Tatsächlich wurde α-NAGAL ursprünglich als α-GALB bezeichnet, da es als Isoenzym von α-GAL angesehen wurde. Neben der Abspaltung terminaler α-GalNAc-Saccharide zeigt das humane α-NAGAL-Protein auch eine gewisse Reaktivität gegenüber Substraten mit terminalen α-Galactose-Sacchariden.  

Die Proteine α-NAGAL und α-GAL besitzen zudem die Fähigkeit, die wichtigsten Blutgruppenantigene umzuwandeln. Das α-NAGAL-Protein kann Blutgruppen-A-Antigen enzymatisch in Blutgruppen-O-Antigen umwandeln, und das α-GAL-Protein kann Blutgruppen-B-Antigen in Blutgruppen-O-Antigen umwandeln. Da Blutgruppe O ein universeller Spenderbluttyp ist, wurden α-NAGAL- und α-GAL-Enzyme eingesetzt, um Blut der Gruppen A, B und AB in Blut der Gruppe O umzuwandeln. Bei Defekten des α-NAGAL- oder α-GAL-Proteins werden A- bzw. B-Blutgruppenantigene abnormal prozessiert. Ein weiterer interessanter Aspekt von α-GAL und α-NAGAL betrifft die überlappende Spezifität von α-NAGAL, das Substrate mit terminalen α-GalNAc-Sacchariden sowie (mit geringerer Effizienz) mit terminalen α-Galactose-Gruppen erkennen und hydrolysieren kann. Ein Mangel an α-GAL-Aktivität bei Morbus Fabry kann jedoch nicht durch α-NAGAL kompensiert werden.

Allgemeine Beschreibung der Struktur

Humane α-NAGAL liegt als Homodimer vor; jedes Monomer umfasst 394 Aminosäurereste (ohne die 17 Aminosäuren lange Signalsequenz) und ist in zwei Domänen gegliedert. Domäne 1 bildet ein (β/α)₈-Fass, und Domäne 2 enthält acht antiparallele β-Stränge in zwei β-Faltblättern. Wie bei anderen Mitgliedern der Familie 27 und des Clans D der Glykosidhydrolasen befindet sich das aktive Zentrum am C-Terminus der β-Kette in der ersten Domäne. Das aktive Zentrum wird durch Schleifen gebildet, die C-terminal an sechs aufeinanderfolgende β-Stränge (β1–β6) anschließen. Die das aktive Zentrum bildenden Aminosäurereste sind zwischen humaner und Hühner-α-NAGAL strikt konserviert, was auf einen starken evolutionären Selektionsdruck auf diese Reste hinweist.

Das humane α-NAGAL-Protein ist mit einem isoelektrischen Punkt von 4,85 negativ geladen, und die Oberfläche der Struktur zeigt eine ausgeprägte negative Ladung. Da dieses Molekül üblicherweise im niedrigen pH-Milieu des Lysosoms funktionell ist, ist die Gesamtladung des Moleküls bei lysosomalem pH annähernd neutral. Enzymatische Untersuchungen haben gezeigt, dass das Enzym bei pH 4,6 am wirksamsten ist. Es handelt sich um ein stark glykosyliertes und disulfidreiches Glykoprotein. Das Wildtyp-Protein enthält fünf N-glykosylierte Stellen (N124, N177, N201, N359, N385), vier Disulfidbrücken (C38–C80, C42–C49, C127–C158, C187–C209) sowie ein freies Cystein (C343).

Aufgrund der 46%igen Sequenzidentität lassen sich humane α-NAGAL und humane α-GAL sehr gut übereinanderlegen. Das strukturbasierte Sequenzalignment zeigte, dass selbst in der zweiten Domäne, in der die Sequenzidentität auf 23% abfällt, die Sekundärstruktur beider Proteine sehr konserviert ist.

Abb. 2. Kristallstruktur der humanen α-N-Acetylgalactosaminidase (Clark, N.E.; Garman, S.C. 2009)