FBPase

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Einführung

Fructose 1,6-bisphosphatase (FBPase) ist ein Schlüsselenzym in der Gluconeogenese und ein potenzielles Ziel für die Behandlung von Typ-II-Diabetes. Das Protein steht auch im Zusammenhang mit einigen Krebszellen, die keine FBPase-Aktivität aufweisen, was die Glykolyse fördert und den Warburg-Effekt erleichtert. Daher wurden aufgrund seiner wichtigen Rolle bei Diabetes und verwandten Krebserkrankungen immer mehr Forschungen zu diesem Enzym durchgeführt. Das Säugetierenzym ist tetramer und wird kompetitiv durch Fructose 2,6-bisphosphat gehemmt und negativ allosterisch durch AMP reguliert. Diese allosterische Regulation erfordert eine Informationsübertragung zwischen der AMP-Bindungsstelle und der aktiven Stelle des Enzyms. Mehrere Studien haben gezeigt, dass zwei Reste (Lys112 und Tyr113) in der AMP-Bindungsstelle an der Initiierung der Nachricht zwischen den beiden Stellen beteiligt sind. Dieser Tyrosinrest hat sich kürzlich als wichtig für die Proteininteraktionen mit dem antidiabetischen Medikament Metformin erwiesen. Kurz gesagt, diese Erkenntnisse könnten einen tiefgreifenden Einfluss auf das Design neuer FBPase-Inhibitoren oder -Aktivatoren haben.

Fructose 1,6-bisphosphatase und Krankheit

Fructose 1,6-bisphosphatase (Fructose-Diphosphatase; FBPase; EC 3.3.1.11) ist verantwortlich für die Katalyse der Hydrolyse von Fructose 1,6-Diphosphat zu Fructose 6-Phosphat in der Gluconeogenese und im Calvin-Zyklus. Obwohl ATP benötigt wird, um Fructose 6-Phosphat während der Glykolyse zu phosphorylieren, wird ATP während der Dephosphorylierung in der Gluconeogenese nicht produziert. Dieses Enzym ist auch ein wichtiger Regulierungspunkt und wird durch Fructose 2,6-Diphosphat und AMP gehemmt. Unter Bedingungen niedriger zellulärer ATP-Konzentration ist FBPase relativ inaktiv und die ATP-Synthese wird angeregt, was den "futile cycle" vermeidet.

Abbildung 1. Umwandlung zwischen Fructose 1,6-Diphosphat und Fructose 6-Phosphat

FBPase ist in den meisten Arten ein Homotetramer, wobei Hefe eine bemerkenswerte Ausnahme darstellt. Wie viele oligomere Enzyme zeigt dieses Enzym allosterisches Verhalten. Die Bindung von Fructose 2,6-bisphosphat an die aktive Stelle hindert sterisch den Zugang des Substrats Fructose 1,6-bisphosphat. AMP bindet an einer separaten Stelle, die weit von der aktiven Stelle entfernt ist, und seine Bindung fördert die konformationale Änderung des Enzyms. Die beiden Untereinheiten rotieren um etwa 19° relativ zu den anderen beiden Untereinheiten, was zu einer verringerten Enzymaktivität führt.

Die Rolle von FBPase bei Diabetes hat dazu geführt, dass es als potenzielle Behandlung für Typ-2-Diabetes vorgeschlagen wurde. Bei dieser Krankheit ist die Gluconeogenese ein wichtiger Faktor, der zu überschüssigem Glukose führt, und die Reduzierung dieses überschüssigen Glukoses wird die mit hohen Glukosekonzentrationen im Blut und Gewebe verbundenen Pathologien lindern. Und FBPase hat den attraktiven Vorteil, dass seine Hemmung nur die Gluconeogenese und nicht die Glykolyse beeinflusst. Darüber hinaus deutet das Vorhandensein einer natürlichen allosterischen Regulation des Enzyms darauf hin, dass es die Wirkungen von AMP nachahmen könnte, wodurch seine Aktivität erheblich reduziert wird. Daher haben sich die Bemühungen zur Arzneimittelentdeckung auf die Identifizierung von Molekülen konzentriert, die AMP-Bindungsstellen erkennen, die allosterische Hemmung von FBPase induzieren, aber nicht mit anderen adenosin-nukleotidbindenden Enzymen interagieren. FBPase ist mit einer seltenen autosomal-rezessiven erblichen Stoffwechselerkrankung (OMIM #229700) assoziiert. Die Gluconeogenese des Patienten ist beeinträchtigt, sodass Symptome wie Hypoglykämie, Ketose und Laktatazidose auftreten. Wenn die frühe Diagnose eine zeitnahe und aggressive Behandlung ist, kann eine gute Prognose erzielt werden. Zu diesen Maßnahmen gehören das Vermeiden von Fasten, die Anreicherung der Ernährung mit Glukose und die Reduzierung von Fructose in der Ernährung. Aber wenn sie unbehandelt bleibt, kann sie bei Neugeborenen tödlich sein.

Die Botschaft übermitteln

Die Existenz von Allostrie in FBPase deutet darauf hin, dass es einen Informationsübertragungsweg innerhalb des Proteins gibt. Im Allgemeinen werden allosterische Veränderungen durch konformationale Änderungen, Veränderungen in der Mobilität oder eine Kombination aus beidem durch Proteine übertragen. Die Kristallstruktur von FBPase mit oder ohne gebundenem AMP liefert eine Fülle von Informationen über die Veränderungen an der Schnittstelle zwischen der Ligandenbindungsstelle und der Tetrameruntereinheit. Eines der Ergebnisse dieser strukturellen und dynamischen Veränderungen ist die Verschiebung einer Schleife in der aktiven Stelle, die für die Enzymkatalyse entscheidend ist, und ihre Entfernung von der Substratbindungsstelle wird die Enzymaktivität verringern.

Die Studie von Topaz et al. konzentrierte sich auf sieben Varianten. Wie erwartet führten Veränderungen in den beiden Lysinresten in der AMP-Bindungsstelle zu einer verringerten Reaktivität gegenüber der Modulation des Verbindungsstoffs, beeinflussten jedoch nicht die Regulation durch Fructose 2,6-bisphosphat. Diese Varianten haben auch den Effekt einer erhöhten katalytischen Effizienz (gemessen durch die Spezifitätskonstante kcat / Km). Es wurde kürzlich berichtet, dass die Y113F-Variante (Y114F im Nummerierungsschema, das in der Veröffentlichung dieser Variante verwendet wird) stark in der Empfindlichkeit gegenüber AMP reduziert ist, aber die Empfindlichkeit gegenüber Fructose 2,6-bisphosphat ebenfalls stark reduziert ist, was darauf hinweist, dass dies der Schlüsselbereich in der AMP-Bindungsstelle ist. Es scheint, dass diese Reste nicht nur an der Bindung von AMP beteiligt sind, sondern auch an der Initiierung der Informationsübertragung zur aktiven Stelle.