Dihydrofolatreduktase

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Die Dihydrofolatreduktase nutzt NADPH zur Reduktion von Dihydrofolat und bildet dabei Tetrahydrofolat. Dihydrofolatreduktasen aus Mikroorganismen und der Leber wurden detailliert untersucht. Das Molekulargewicht beträgt etwa 20.000. Sie scheint zudem die Reduktion von Folsäure zu Dihydrofolat zu katalysieren, sodass Folsäure in die aktive Form Tetrahydrofolat als Coenzymform für Enzyme überführt werden kann.

Abbildung 1. Proteinstruktur der Dihydrofolatreduktase.

Einleitung

Die Dihydrofolatreduktase (DHFR) katalysiert die NADPH-abhängige Reduktion von Dihydrofolat zu Tetrahydrofolat, einen essenziellen Schritt in der de-novo-Synthese von Glycin sowie von Purinen und Desoxythymidinphosphat (Vorstufen der DNA-Synthese) und zudem wichtig für die Umwandlung von Desoxyuridinmonophosphat zu Desoxythymidinmonophosphat. Obwohl DHFR ubiquitär in Prokaryoten und Eukaryoten vorkommt und in allen proliferierenden Zellen nachweisbar ist, wo sie die Spiegel vollständig reduzierter Folat-Coenzyme aufrechterhält, sind die katabolen Schritte weiterhin nicht vollständig verstanden. Bakterielle Spezies besitzen unterschiedliche DHFR-Enzyme (basierend auf ihrem Bindungsmuster an diaminoheterozyklische Moleküle), wohingegen die DHFRs von Säugetieren hochgradig ähnlich sind. Das aktive Zentrum liegt in der N-terminalen Hälfte der Sequenz und umfasst ein konserviertes Pro-Trp-Dipeptid; es konnte gezeigt werden, dass das Tryptophan an der Substratbindung durch das Enzym beteiligt ist. Ihre zentrale Rolle in der Synthese von DNA-Vorstufen, gekoppelt mit der Hemmung durch Antagonisten wie Trimethoprim und Methotrexat, die als antibakterielle bzw. antineoplastische Wirkstoffe eingesetzt werden, hat DHFR zu einem Ziel der antitumoralen Chemotherapie gemacht. Gegen einige Arzneistoffe hat sich jedoch infolge von Veränderungen in der DHFR selbst eine Resistenz entwickelt.

Struktur

Das zentrale, achtsträngige Beta-Faltblatt stellt das Hauptmerkmal der Faltung des DHFR-Polypeptidrückgrats dar. Sieben dieser Stränge sind parallel, der achte ist antiparallel. Vier Alpha-Helices verbinden die kontinuierliche Beta-Kette. Die Aminosäurereste 9–24 werden als „Met20“ oder „Loop 1“ bezeichnet und bilden zusammen mit weiteren Schleifen die wesentliche Subdomäne um das aktive Zentrum. Das aktive Zentrum befindet sich in der N-terminalen Hälfte der Sequenz und umfasst ein konserviertes Pro-Trp-Dipeptid; es wurde gezeigt, dass Tryptophan an der Substratbindung des Enzyms beteiligt ist.

Klinische Bedeutung

Ein Mangel an Dihydrofolatreduktase steht im Zusammenhang mit megaloblastärer Anämie und kann durch Gabe der reduzierten Form der Folsäure behandelt werden. Da Tetrahydrofolat, das Produkt dieser Reaktion, die aktive Form der Folsäure beim Menschen ist, kann eine Hemmung der DHFR zu einem funktionellen Folsäuremangel führen. Da DHFR eine Schlüsselrolle in der Synthese von DNA-Vorstufen spielt, ist sie ein attraktives pharmakologisches Inhibitionsziel. Trimethoprim ist ein Antibiotikum, das die bakterielle DHFR hemmt, während Methotrexat (ein Chemotherapeutikum) die DHFR von Säugetieren inhibieren kann. Aufgrund von Mutationen in der DHFR selbst hat sich jedoch eine Resistenz gegenüber bestimmten Wirkstoffen entwickelt. Mutationen in DHFR führen zu seltenen autosomal-rezessiven angeborenen Störungen des Folatstoffwechsels, die megaloblastäre Anämie, Panzytopenie und einen schweren Folatmangel verursachen können. Dies kann durch Leucovorin korrigiert bzw. substituiert werden.

Funktionen

Die Dihydrofolatreduktase wandelt Dihydrofolat in Tetrahydrofolat um, das als Methylgruppen-Überträger („Methyl-Shuttle“) für die de-novo-Synthese von Purinen, Thymidylat und bestimmten Aminosäuren erforderlich ist. Obwohl das funktionelle DHFR-Gen auf Chromosom 5 kartiert wurde, wurden auf verschiedenen Chromosomen multiple Pseudogene bzw. DHFR-ähnliche Gene ohne Intronprozessierung identifiziert. DHFR kommt in allen Organismen vor und spielt eine essenzielle Rolle bei der Regulation der Tetrahydrofolatmenge in Zellen. Tetrahydrofolat und seine Derivate sind für die Synthese von Purinen und Thymidylsäure essenziell und sind wichtig für Zellproliferation und Zellwachstum. DHFR nimmt eine zentrale Rolle in der Synthese von Nukleinsäurevorstufen ein; es wurde gezeigt, dass mutierte Zellen, denen DHFR vollständig fehlt, Glycin, Aminosäuren und Thymidin zum Wachstum benötigen. Zudem wurde gezeigt, dass DHFR an der Rückgewinnung (Salvage) von Tetrahydrobiopterin aus Dihydrobiopterin beteiligt ist.