AHCY

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S-Adenosyl-L-Homocystein-Hydrolase-Dysfunktion

Das Löschen des Locus, der das Maus-AHCY-Gen überlappt, führte zu embryonalen Todesfällen. Homozygote Insertionsmutationen im S-Adenosyl-L-Homocystein-Hydrolase-Gen in Arabidopsis thaliana führten zu zygotischer Letalität. Im Gegensatz dazu können Hefemutanten, die Sah1 fehlen, über einen anderen Weg Homocystein synthetisieren. Das auf diesem Weg synthetisierte Homocystein kann weiter zur Synthese von Cystein und Glutathion sowie zur Synthese von Methionin und AdoMet verwendet werden. Der Mangel an S-Adenosyl-L-Homocystein-Hydrolase beim Menschen ist eine genetische Störung, der Plasma-Spiegel von S-Adenosyl-L-Homocystein (AdoHcy) ist 150-mal höher als normal, und das Verhältnis von AdoMet/AdoHcy ist signifikant reduziert. Bei dieser Erkrankung sind Muskeln, Gehirn und Leber schwer betroffen, sie äußert sich normalerweise als schwere Myopathie, langsame Myelinisierung, Entwicklungsverzögerung und milde Hepatitis. Biochemische Analysen zeigten, dass die Aktivität der S-Adenosyl-L-Homocystein-Hydrolase in der Leber, den roten Blutkörperchen und Fibroblasten von Patienten mit AHCY-Mangel nur 3-20% des Mittelwerts der Kontrollen betrug. Auf zellulärer Ebene zeigten diese Patienten eine Proliferation des glatten endoplasmatischen Retikulums und eine Reduktion des rauen endoplasmatischen Retikulums sowie eine Hypermethylierung der DNA von Leukozyten.

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

S-Adenosyl-L-Homocystein-Hydrolase: Erhaltung und Struktur

S-Adenosyl-L-Homocystein-Hydrolase ist ein gut erhaltenes Enzym, mit mehr als 70% Identität auf Proteinebene zwischen menschlichen und Hefenorthologen, und gehört zu den 90 am stärksten konservierten Hefei-Proteinen, einschließlich Aktin (90%), Histonen (70–90%), ribosomalen (70%), Ubiquitin (90%) und Hitzeschockproteinen (70%). In einigen eukaryotischen und vielen bakteriellen Sequenzen zeigt sich jedoch ein Insert von 40 Aminosäuren im katalytischen Bereich dieses Enzyms, dessen Funktion noch unbekannt ist. S-Adenosyl-L-Homocystein-Hydrolase gehört zur großen Familie der NAD(P)H/NAD(P)⁺-bindenden Proteine, und NAD(P)H/NAD(P)⁺-Bindungsdomänen existieren in vielen Dehydrogenasen und vielen anderen Redoxenzymen, sind jedoch für Hydrolasen sehr ungewöhnlich. Abgesehen von Pflanzen sind alle strukturell charakterisierten Sah1/AHCY-Proteine S-Adenosyl-L-Homocystein-Hydrolase Tetramere, die NADH/NAD⁺-Kofaktoren im aktiven Zentrum jeder Untereinheit binden. In L. luteus wurde bestätigt, dass S-Adenosyl-L-Homocystein-Hydrolase als Homodimer fungiert. Die monomere Untereinheit des Proteins besteht aus drei Domänen: N-terminaler Substratbindungsdomäne, Kofaktorbindungsdomäne und C-terminalem 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 notwendig, um die quartäre Struktur und die katalytische Aktivität der S-Adenosyl-L-Homocystein-Hydrolase aufrechtzuerhalten, was das Enzym empfindlich gegenüber dem Redoxstatus der Zelle macht, der durch das NAD⁺/NADH-Verhältnis widergespiegelt wird. S-Adenosyl-L-Homocystein-Hydrolase aus der Rinderniere hat zwei Adenosin-Bindungsstellen: eine Bindungsstelle mit niedriger Affinität, die sich im katalytischen Bereich befindet, und eine Bindungsstelle mit hoher Affinität, die sich im NAD⁺/NADH-Bindungsbereich befindet. Die NAD⁺-Form der S-Adenosyl-L-Homocystein-Hydrolase bindet Adenosin mit niedriger Affinität, was zur Bildung von 3'-Keto-Adenosin und zur Reduktion der engen Bindung von NAD⁺ und NADH führt, und das Protein nimmt eine geschlossene Konformation an. Die enzymatisch inaktive NADH-Form des Enzyms bindet jedoch Adenosin mit hoher Affinität, was auf die Rolle von Adenosin bei der NADH-induzierten Hemmung der S-Adenosyl-L-Homocystein-Hydrolase und die potenzielle Funktion des Enzyms als intrazelluläres Ado-bindendes Protein hinweist. Es wurde auch festgestellt, dass S-Adenosyl-L-Homocystein-Hydrolase unter hypoxischen Bedingungen, die bekannt dafür sind, die Transkriptionsaktivität zu induzieren, in den Zellkern transloziert.

Schlussfolgerung

S-Adenosyl-L-Homocystein-Hydrolase hat 70% Identität zwischen Hefen- und menschlichen Orthologen, die die reversible Hydrolyse von AdoHcy in Homocystein und Adenosin katalysieren können, und ist eines der am stärksten konservierten Proteine S. cerevisiae, was ihre zentrale Rolle im Zellstoffwechsel hervorhebt. Homocystein steht im Zusammenhang mit vielen Krankheiten, aber der Mechanismus dieser Krankheiten ist noch unklar. Am wichtigsten ist, dass seit kurzem AdoHcy anstelle von Homocystein als empfindlicherer Marker für mehrere homocysteinbezogene Krankheiten anerkannt wurde. Hefe, als validiertes einheitliches Modellsystem, ist besonders geeignet für genomische Methoden und bietet eine neue Gelegenheit, die Reaktion von Zellen auf die AdoHcy-Akkumulation zu erforschen. Derzeit haben einige Studien bestätigt, dass das System erfolgreich verwendet werden kann, um AdoHcy-reaktive zelluläre Prozesse zu identifizieren und zu charakterisieren, die mit dem Menschen in Verbindung stehen.