AOS

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Zusammenfassung

Allene-Oxid-Synthase (AOS) und 8R-Lipoxygenase sind Bestandteile eines natürlich vorkommenden Fusionsproteins in der Koralle Plexaura homomalla. AOS katalysiert die Bildung eines labilen Epoxids (eines Allene-Oxids) aus Fettsäurehydroperoxiden. In einer Studie wurde die Struktur der AOS-Domäne beschrieben und eine ausgeprägte strukturelle Homologie zur Katalase aufgeklärt. Während die Häm-Umgebung weitgehend konserviert ist, ist das AOS-Häm planar, wobei zwei wasserstoffbrückengebundene Reste das distale Histidin flankieren. Diese wesentlichen Unterschiede haben wahrscheinlich zum Wechsel von einer katalatischen Aktivität hin zu der einer Fettsäurehydroperoxidase beigetragen.

Einleitung

Prostaglandine und andere Eicosanoide spielen eine unverzichtbare Rolle in Weichkorallen wie der karibischen Gorgonie Plexaura homomalla. Prostaglandine werden aus Arachidonsäure über den konventionellen Cyclooxygenase‑Signalweg gebildet; die ausgeprägte katalytische Aktivität in Korallenextrakten beruht jedoch auf dem Metabolismus über den Lipoxygenase(LOX)-Signalweg. Arachidonsäure wird zunächst in ein 8R‑Hydroperoxid umgewandelt, das anschließend zu Allene‑Oxid (Epoxid) konvertiert wird. Dieser Signalweg weist zahlreiche Ähnlichkeiten mit der Biosyntheseroute der Jasmonsäure in Pflanzen auf (Abb. 1). In Korallen kann dieser Signalweg zur Bildung zyklischer Produkte fortgesetzt werden; dieser Zusammenhang ist jedoch bislang nicht belegt. Im Rahmen ihrer Untersuchungen des eicosanoiden Biosynthesewegs in Korallen identifizierten Brash und Mitarbeiter ein Gen, das für ein 122‑kDa‑Fusionsprotein kodiert, welches LOX‑ und Allene‑Oxid‑Synthase(AOS)-Domänen umfasst. Das nächstverwandte Homolog in Säugetieren ist 5‑LOX, ein Enzym, das für die Synthese von Leukotrienen aus Arachidonsäure verantwortlich ist. Diese Hämoglobin‑Domäne weist nur eine geringe Sequenzidentität zur Katalase auf; alle fünf identifizierten homologen Regionen betreffen jedoch Häm‑Bindung oder katalytische Reste.

Spektroskopische Daten, einschließlich Elektronenparamagnetischer Resonanz, UV/Vis und magnetischem CD, zeigen übereinstimmend, dass AOS – wie Katalase – ein Hämprotein mit einem Tyrosin als axialem Liganden ist; AOS besitzt jedoch keine Katalaseaktivität. Auf Basis der Sequenz pflanzlicher AOS lässt sich das Enzym eindeutig als Mitglied der Cytochrom‑P450‑Superfamilie identifizieren, d. h. als Mitglied einer Unterfamilie der Fettsäurehydroperoxid‑metabolisierenden P450‑Enzyme, die als CYP74A bezeichnet wird. Andere Klassen von P450‑Enzymen, wie die Prostacyclin‑Synthase und die Thromboxan‑Synthase der Säugetiere, katalysieren ebenfalls ähnliche chemische Reaktionen an Fettsäureperoxiden. Daher ist die Korallen‑AOS mit Sequenz‑ und Spektralbezug zur Katalase eine Besonderheit.  

Abbildung 1. Vergleich der Allene‑Oxid‑Biosynthese in Korallen und Pflanzen (Oldham, M.L.; et al. 2004)

Die Gesamtstruktur

Das AOS‑Monomer ist ein keilförmiges Protein mit etwa 45–50 Å in allen drei Dimensionen. Das Enzym weist eine α+β‑Faltung auf, bestehend aus einem achtsträngigen antiparallelen β‑Barrel und 13 α‑Helices (Abb. 2). Im Kristall sind die Monomere über parallele Wechselwirkungen der α3‑Helices assoziiert (Abb. 3). Dieses Dimerisierungsmotiv wird in allen vier Kristallformen (orthorhombisch, triklin, monoklin und C‑zentriert monoklin) beobachtet. Intermolekulare Kontakte am C‑Terminus umfassen die Packung von Threoninen (T51, T54 und T58) in einer an einen Leucin‑Zipper erinnernden Anordnung. Die oligomere Grenzfläche (1.070 Ų pro Monomer) liegt an einer Kante des keilförmigen Moleküls, was insgesamt zu einem schmetterlingsknotenförmigen Dimer führt. Im Vergleich zu typischen Hämproteinen ist die prosthetische Gruppe in AOS sehr planar.

Abbildung 2. Stereodarstellung der Rückgrat‑Spur der Korallen‑AOS (Oldham, M.L.; et al. 2004)

Abbildung 3. Die durch α3 der beiden Moleküle in der asymmetrischen Einheit gebildete Dimer‑Grenzfläche (Oldham, M.L.; et al. 2004)

AOS liegt in einem natürlich vorkommenden Fusionsprotein vor

Wie bereits erwähnt, kommt die Korallen‑AOS als N‑terminale Domäne des Fusionsproteins vor, und die kovalente Fusion von AOS und LOX kann die gegenseitige Affinität der beiden Domänen erhöhen, indem sie deren effektive Konzentration steigert und dadurch den raschen Transfer des labilen 8R‑Hydroperoxids von der LOX zum aktiven Zentrum der AOS begünstigt. Marcotte et al. zeigen, dass ein im Genom einer Spezies vorhandenes Fusionsprotein genutzt werden kann, um Protein‑Protein‑Interaktionen in Homologen zu untersuchen, bei denen die beiden Proteine in anderen Spezies separat exprimiert werden.  Daher könnte die Fusion von AOS mit LOX in Korallen auf eine Interaktion zwischen katalaseverwandten AOS‑Homologen und LOX in anderen Organismen hinweisen. Unabhängig davon, ob in Fusionsproteinen oder als autonome Polypeptide vorhanden, sind 8R‑LOX‑ und AOS‑Aktivitäten in Korallen ubiquitär, und ihre Expression kann auch in anderen Wirbellosen nachgewiesen werden.