AOS

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Abstract

Allene-Oxid-Synthase (AOS) und 8R-Lipoxygenase sind Teile von natürlich vorkommenden Fusionsproteinen im Korallen Plexaura homomalla. AOS katalysiert die Produktion von labilem Epoxid (einem Allene-Oxid) aus Fettsäure-Hydroperoxiden. Eine Studie hat die Struktur der AOS-Domäne berichtet und ihre signifikante strukturelle Homologie zu Katalase aufgeklärt. Während die Häm-Umgebung weitgehend konserviert ist, ist das AOS-Häm planar mit zwei wasserstoffbrückenbindenden Resten, die die distale Histidin flankieren. Diese entscheidenden Unterschiede haben wahrscheinlich zu dem Wechsel von einer katalytischen Aktivität zu der einer Fettsäure-Hydroperoxidase beigetragen.

Introduction

Prostaglandine und andere Eicosanoide spielen eine unverzichtbare Rolle in Weichkorallen wie der karibischen Gorgonie Plexaura homomalla. Prostaglandine werden aus Arachidonsäure über den konventionellen Cyclooxygenase-Weg gebildet, aber die starke katalytische Aktivität in Korallenextrakten ist der Lipoxygenase (LOX)-Wegstoffwechsel. Arachidonsäure wird zunächst zu einem 8R-Hydroperoxid umgewandelt, das dann zu Allene-Oxid (Epoxid) konvertiert wird. Dieser Weg weist viele Ähnlichkeiten mit dem Biosyntheseweg von Jasmonensäure in Pflanzen auf (Abb. 1). In Korallen könnte dieser Weg weiterhin zyklische Produkte erzeugen, aber dieser Zusammenhang muss noch bewiesen werden. Während ihrer Studie des Eicosanoid-Biosynthesewegs in Korallen identifizierten Brash und Mitarbeiter ein Gen, das ein 122-kDa-Fusionsprotein kodiert, das LOX- und Allene-Oxid-Synthase (AOS)-Domänen umfasst. Das nächstverwandte Homolog bei Säugetieren ist 5-LOX, ein Enzym, das für die Synthese von Leukotrienen aus Arachidonsäure verantwortlich ist. Diese Hämoglobin-Domäne weist eine schwache Sequenzidentität zu Katalase auf, und alle fünf identifizierten homologen Regionen sind an der Häm-Bindung oder katalytischen Resten beteiligt.

Spektroskopische Daten, einschließlich Elektronenspinresonanz, UV-Vis und magnetischem CD, zeigen alle, dass AOS, ähnlich wie Katalase, ein Häm-Protein mit einem Tyrosin-axialen Liganden ist, aber AOS hat keine katalytische Aktivität wie Katalase. Basierend auf der Sequenz der Pflanzen-AOS kann das Enzym eindeutig als Mitglied der Cytochrom P450-Superfamilie identifiziert werden, das heißt, als Mitglied einer Unterfamilie der Fettsäure-Hydroperoxid-metabolisierenden P450s, die als CYP74A bezeichnet wird. Andere Klassen von P450-Enzymen, wie die Säugetier-Prostazyklin-Synthase und Thromboxan-Synthase, katalysieren ebenfalls ähnliche chemische Reaktionen in Fettsäureperoxiden. Daher ist die Korallen-AOS mit sequenziellen und spektralen Beziehungen zu Katalase sehr spezifisch.  

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

Die Gesamtstruktur

Das Monomer von AOS ist ein keilförmiges Protein, das in allen drei Dimensionen etwa 45-50 Å misst. Das Enzym hat eine α+β-Faltung, die aus einem achtsträngigen antiparallelen β-Fass und 13 α-Helices besteht (Abb. 2). Im Kristall sind die Monomere durch parallele Wechselwirkungen der α3-Helices assoziiert (Abb. 3). Dieses Dimerisierungs-Motiv wird in allen vier Kristallformen (orthorhombisch, triklin, monoklin und C-zentriertes monoklin) beobachtet. Intermolekulare Kontakte am C-Terminus betreffen das Packen von Threoninen (T51, T54 und T58) in einer Weise, die an einen Leucin-Reißverschluss erinnert. Die oligomere Schnittstelle (1.070 Ų pro Monomer) befindet sich an einer Kante des keilförmigen Moleküls, was zu einem insgesamt schmetterlingsförmigen Dimer führt. Im Vergleich zu typischen Häm-Proteinen ist die prosthetische Gruppe in AOS sehr planar.

Abbildung 2. Stereo-Bild der Rückgratspur von Korallen-AOS (Oldham, M.L.; et al. 2004)

Abbildung 3. Die Dimer-Schnittstelle, die durch α3 der beiden Moleküle in der asymmetrischen Einheit gebildet wird (Oldham, M.L.; et al. 2004)

AOS ist Teil eines natürlich vorkommenden Fusionsproteins

Wie bereits erwähnt, tritt die Korallen-AOS als N-terminaler Bereich des Fusionsproteins auf, und die kovalente Fusion von AOS und LOX kann die gegenseitige Affinität der beiden Domänen erhöhen, indem sie ihre effektive Konzentration steigert und somit den schnellen Transfer des labilen 8R-Hydroperoxids vom LOX zur AOS-Aktivstelle fördert. Marcotte et al. zeigen, dass ein Fusionsprotein, das im Genom einer Art vorhanden ist, verwendet werden kann, um Protein-Protein-Interaktionen in Homologen zu untersuchen, in denen die beiden Proteine in anderen Arten 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. Ob in Fusionsproteinen oder als autonome Polypeptide vorhanden, sind die Aktivitäten von 8R-LOX und AOS in Korallen weit verbreitet, und ihre Expression kann auch in anderen Wirbellosen nachgewiesen werden.