Fructose-1,6-bisphosphatase (FBPase)

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Einleitung

Fructose-1,6-bisphosphatase (FBPase) ist ein Schlüsselenzym der Glukoneogenese und ein potenzielles pharmakologisches Target für die Behandlung des Typ‑II‑Diabetes. Das Protein steht zudem im Zusammenhang mit bestimmten Tumorzellen, denen eine FBPase-Aktivität fehlt, was die Glykolyse fördert und den Warburg-Effekt begünstigt. Aufgrund ihrer bedeutenden Rolle bei Diabetes und assoziierten malignen Erkrankungen wurden daher zunehmend Forschungsarbeiten zu diesem Enzym durchgeführt. Das Säugetierenzym ist tetramer und wird kompetitiv durch Fructose‑2,6‑bisphosphat sowie negativ allosterisch durch AMP reguliert. Diese allosterische Regulation erfordert eine Informationsübertragung zwischen der AMP-Bindungsstelle und dem aktiven Zentrum des Enzyms. Mehrere Studien haben gezeigt, dass zwei Aminosäurereste (Lys112 und Tyr113) in der AMP-Bindungsstelle an der Initiierung der Signalübertragung zwischen beiden Stellen beteiligt sind. Für diesen Tyrosinrest wurde kürzlich gezeigt, dass er für Proteininteraktionen mit dem Antidiabetikum Metformin relevant ist. Zusammengefasst könnten diese Befunde erhebliche Auswirkungen auf das Design neuer FBPase-Inhibitoren oder -Aktivatoren haben.

Fructose-1,6-bisphosphatase und Erkrankungen

Fructose-1,6-bisphosphatase (Fructose-Diphosphatase; FBPase; EC 3.3.1.11) katalysiert die Hydrolyse von Fructose‑1,6‑diphosphat zu Fructose‑6‑phosphat in der Glukoneogenese und im Calvin-Zyklus. Obwohl ATP für die Phosphorylierung von Fructose‑6‑phosphat während der Glykolyse erforderlich ist, wird bei der Dephosphorylierung im Rahmen der Glukoneogenese kein ATP gebildet. Dieses Enzym stellt zudem einen zentralen Regulationspunkt dar und wird durch Fructose‑2,6‑diphosphat und AMP inhibiert. Bei niedriger zellulärer ATP-Konzentration ist FBPase relativ inaktiv, und die ATP-Synthese wird stimuliert, wodurch der „futile cycle“ vermieden wird.

Abbildung 1. Umwandlung zwischen Fructose 1,6-diphosphat und Fructose 6-phosphat

FBPase liegt bei den meisten Spezies als Homotetramer vor, wobei Hefe eine bemerkenswerte Ausnahme darstellt. Wie viele oligomere Enzyme zeigt dieses Enzym allosterisches Verhalten. Die Bindung von Fructose‑2,6‑bisphosphat an das aktive Zentrum behindert sterisch den Zugang des Substrats Fructose‑1,6‑bisphosphat. AMP bindet an einer separaten, weit vom aktiven Zentrum entfernten Stelle, und seine Bindung fördert eine Konformationsänderung des Enzyms. Zwei Untereinheiten rotieren um etwa 19° relativ zu den beiden anderen Untereinheiten, was zu einer verminderten Enzymaktivität führt.

Die Rolle der FBPase bei Diabetes hat dazu geführt, dass sie als potenzieller Therapieansatz für Typ‑2‑Diabetes vorgeschlagen wurde. Bei dieser Erkrankung ist die Glukoneogenese ein wesentlicher Faktor, der zu einem Glukoseüberschuss beiträgt; eine Reduktion dieses Überschusses kann die Pathologie im Zusammenhang mit erhöhten Glukosekonzentrationen in Blut und Geweben mildern. Ein attraktiver Vorteil der FBPase besteht darin, dass ihre Inhibition ausschließlich die Glukoneogenese und nicht die Glykolyse beeinflusst. Darüber hinaus legt das Vorhandensein einer natürlichen allosterischen Regulation nahe, dass sich die Effekte von AMP pharmakologisch nachahmen lassen, wodurch die Aktivität signifikant reduziert werden könnte. Daher konzentrierten sich Wirkstoffforschungsprogramme auf die Identifizierung von Molekülen, die die AMP-Bindungsstelle erkennen, eine allosterische Inhibition der FBPase induzieren, jedoch nicht mit anderen Enzymen interagieren, die Adenosin-Nukleotide binden. FBPase ist zudem mit einer seltenen autosomal-rezessiv vererbten Stoffwechselerkrankung assoziiert (OMIM #229700). Bei den Patientinnen und Patienten ist die Glukoneogenese beeinträchtigt, sodass Symptome wie Hypoglykämie, Ketose und Laktatazidose auftreten. Bei früher Diagnosestellung und zeitnaher, konsequenter Therapie ist eine gute Prognose möglich. Zu den Maßnahmen zählen das Vermeiden von Fasten, eine glucoseangereicherte Ernährung sowie eine Reduktion von Fructose in der Nahrung. Unbehandelt kann die Erkrankung bei Neugeborenen jedoch letal verlaufen.

Signalübertragung

Das Vorliegen von Allosterie bei FBPase impliziert das Bestehen eines intraproteinären Signalübertragungswegs. Im Allgemeinen werden allosterische Änderungen in Proteinen über Konformationsänderungen, Veränderungen der Beweglichkeit oder eine Kombination aus beidem übertragen. Die Kristallstruktur der FBPase mit bzw. ohne gebundenes AMP liefert umfangreiche Informationen zu Veränderungen an der Grenzfläche zwischen Ligandenbindungsstelle und Tetramer-Untereinheit. Ein Ergebnis dieser strukturellen und dynamischen Änderungen ist die Verlagerung einer Schleife im aktiven Zentrum, die für die Enzymkatalyse essenziell ist; ihre Entfernung von der Substratbindungsstelle reduziert die Enzymaktivität.

Die Studie von Topaz et al. konzentrierte sich auf sieben Varianten. Erwartungsgemäß führten Veränderungen der beiden Lysinreste in der AMP-Bindungsstelle zu einer verminderten Reaktivität gegenüber der Modulation durch die Verbindung, beeinflussten jedoch nicht die Regulation durch Fructose‑2,6‑bisphosphat. Diese Varianten zeigten zudem eine erhöhte katalytische Effizienz (gemessen über die Spezifitätskonstante kcat / Km). Kürzlich wurde berichtet, dass die Variante Y113F (Y114F gemäß dem in der Publikation verwendeten Nummerierungsschema) eine stark reduzierte Sensitivität gegenüber AMP aufweist, jedoch auch die Sensitivität gegenüber Fructose‑2,6‑bisphosphat deutlich vermindert ist, was darauf hindeutet, dass es sich hierbei um eine Schlüsselregion innerhalb der AMP-Bindungsstelle handelt. Es scheint, dass diese Reste nicht nur an der AMP-Bindung beteiligt sind, sondern auch an der Initiierung der Informationsübertragung zum aktiven Zentrum.