AHCY

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Dysfunktion der S‑Adenosyl‑L‑homocystein‑Hydrolase

Die Deletion des Lokus, der das Maus‑AHCY‑Gen überlappt, führte zum embryonalen Tod. Homozygote Insertionsmutationen im Gen der S‑Adenosin‑L‑homocystein‑Hydrolase in Arabidopsis thaliana führten zu zygotischer Letalität. Im Gegensatz dazu können Hefemutanten ohne Sah1 aufgrund eines alternativen Synthesewegs für Homocystein überleben. Das über diesen Weg synthetisierte Homocystein kann anschließend für die Synthese von Cystein und Glutathion sowie für die Synthese von Methionin und AdoMet genutzt werden. Ein Mangel an S‑Adenosin‑L‑homocystein‑Hydrolase beim Menschen ist eine genetische Erkrankung; der Plasmaspiegel von S‑Adenosyl‑L‑homocystein (AdoHcy) ist 150‑fach höher als normal, und das Verhältnis AdoMet/AdoHcy ist signifikant vermindert. Bei dieser Erkrankung sind Muskulatur, Gehirn und Leber schwer betroffen; klinisch manifestiert sie sich in der Regel als schwere Myopathie, verzögerte Myelinisierung, Entwicklungsverzögerung und milde Hepatitis. Biochemische Analysen zeigten, dass die Aktivität der S‑Adenosin‑L‑homocystein‑Hydrolase in Leber, Erythrozyten und Fibroblasten von Patient:innen mit AHCY‑Mangel nur 3–20 % des mittleren Kontrollwerts betrug. Auf zellulärer Ebene zeigten diese Patient:innen eine Proliferation des glatten endoplasmatischen Retikulums und eine Reduktion des rauen endoplasmatischen Retikulums sowie eine Hypermethylierung der Leukozyten‑DNA.

Abbildung 1. AdoMet‑abhängige Methylierung: die Rolle von AdoHcy und S‑Adenosyl‑L‑homocystein‑Hydrolase a) in Hefe und b) in Säugetieren (Tehlivets, O.; et al. 2013)

S‑Adenosyl‑L‑homocystein‑Hydrolase: Konservierung und Struktur

Die S‑Adenosin‑L‑homocystein‑Hydrolase ist ein hochkonserviertes Enzym, mit mehr als 70 % Identität auf Proteinebene zwischen humanen und Hefe‑Orthologen, und zählt zu den 90 am stärksten konservierten Hefeproteinen, darunter Aktin (90 %), Histone (70–90 %), ribosomale Proteine (70 %), Ubiquitin (90 %) und Hitzeschockproteine (70 %). In einigen eukaryotischen und vielen bakteriellen Sequenzen findet sich jedoch im katalytischen Domänenbereich dieses Enzyms ein Insert von 40 Aminosäuren, dessen Funktion bislang unbekannt ist. Die S‑Adenosin‑L‑homocystein‑Hydrolase gehört zur großen Familie der NAD(P)H/NAD(P)⁺‑bindenden Proteine; NAD(P)H/NAD(P)⁺‑Bindedomänen kommen in vielen Dehydrogenasen und zahlreichen weiteren Redoxenzymen vor, sind jedoch für Hydrolasen sehr ungewöhnlich. Mit Ausnahme von Pflanzen liegen alle strukturell charakterisierten Sah1/AHCY‑Proteine der S‑Adenosin‑L‑homocystein‑Hydrolase als Tetramere vor, die in der aktiven Stelle jeder Untereinheit den Kofaktor NADH/NAD⁺ binden. In L. luteus wurde bestätigt, dass die S‑Adenosin‑L‑homocystein‑Hydrolase als Homodimer funktioniert. Die monomere Untereinheit des Proteins besteht aus drei Domänen: N‑terminale Substratbindedomäne, Kofaktor‑Bindedomäne und C‑terminaler Schwanz.

Abbildung 2. S‑Adenosyl‑L‑homocystein‑Hydrolase: Sequenz‑ und Strukturkonservierung (Tehlivets, O.; et al. 2013)

S‑Adenosyl‑L‑homocystein‑Hydrolase: Regulation und Lokalisation

NAD⁺ ist erforderlich, um die Quartärstruktur und die katalytische Aktivität der S‑Adenosin‑L‑homocystein‑Hydrolase aufrechtzuerhalten, wodurch das Enzym empfindlich gegenüber dem Redoxstatus der Zelle ist, der sich im NAD⁺/NADH‑Verhältnis widerspiegelt. Die S‑Adenosyl‑L‑homocystein‑Hydrolase aus Rinderniere besitzt zwei Adenosin‑Bindestellen: eine Bindestelle mit niedriger Affinität in der katalytischen Domäne und eine Bindestelle mit hoher Affinität in der NAD⁺/NADH‑Bindedomäne. Die NAD⁺‑Form der S‑Adenosin‑L‑homocystein‑Hydrolase bindet Adenosin mit niedriger Affinität, was zur Bildung von 3'‑Keto‑Adenosin und zu einer verminderten festen Bindung von NAD⁺ und NADH führt; das Protein nimmt dabei eine geschlossene Konformation an. Die enzymatisch inaktive NADH‑Form des Enzyms bindet Adenosin hingegen mit hoher Affinität, was auf die Rolle von Adenosin bei der NADH‑induzierten Hemmung der S‑Adenosin‑L‑homocystein‑Hydrolase und auf eine potenzielle Funktion des Enzyms als intrazelluläres Ado‑Bindungsprotein hinweist. Zudem wurde festgestellt, dass die S‑Adenosin‑L‑homocystein‑Hydrolase unter Hypoxiebedingungen, die bekanntermaßen die Transkriptionsaktivität induzieren, in adulten Säugerzellen in den Zellkern transloziert.

Fazit

Die S‑Adenosin‑L‑homocystein‑Hydrolase weist zwischen Hefe‑ und Human‑Orthologen eine Identität von 70 % auf, katalysiert die reversible Hydrolyse von AdoHcy zu Homocystein und Adenosin und gehört zu den am stärksten konservierten Proteinen in S. cerevisiae, was ihre zentrale Rolle im Zellstoffwechsel unterstreicht. Homocystein ist mit zahlreichen Erkrankungen assoziiert, der zugrunde liegende Mechanismus ist jedoch weiterhin nicht vollständig geklärt. Besonders wichtig ist, dass in jüngerer Zeit AdoHcy und nicht Homocystein als sensitiverer Marker für mehrere homocysteinassoziierte Erkrankungen anerkannt wurde. Hefe als validiertes einzelliges Modellsystem ist insbesondere für genomische Methoden geeignet und eröffnet neue Möglichkeiten, die zelluläre Antwort auf eine AdoHcy‑Akkumulation zu untersuchen. Derzeit haben mehrere Studien bestätigt, dass dieses System erfolgreich eingesetzt werden kann, um AdoHcy‑responsive zelluläre Prozesse mit Relevanz für den Menschen zu identifizieren und zu charakterisieren.