Fumarase

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Einführung

Fumarase ist ein Enzym, das am Tricarbonsäurezyklus (TCA-Zyklus) in Mitochondrien beteiligt ist, aber Beweise aus den letzten Jahren deuten darauf hin, dass es auch an DNA-Doppelstrangbrüchen (DSBs) im Zellkern beteiligt ist. Tatsächlich ist dieses Enzym dual-targeted und kann leicht in den mitochondrialen und zytosolischen/nukleären Kompartimenten aller Eukaryoten nachgewiesen werden. Diese evolutionär konservierte zytosolische Fumarase, ihre enzymatische Aktivität und das verwandte Metabolit Fumarat sind erforderlich für die zelluläre DNA-Schadenantwort (DDR) auf Doppelstrangbrüche. In Hefe ist die zytoplasmatische Fumarase am homologen Rekombinationsreparaturweg (HR) beteiligt. In menschlichen Zellen ist sie am nicht-homologen End-Joining-Reparaturweg (NHEJ) beteiligt. Fumarase wird durch den DNA-abhängigen Proteinkinase (DNA-PK) Komplex phosphoryliert, was die Rekrutierung von Fumarat zu DSBs und die lokale Produktion von Fumarat induziert. Fumarat hemmt die Lysin-Demethylase 2B (KDM2B) und fördert damit die Dimethylierung von Histon H3 und repariert Brüche über den NHEJ-Weg.

Fumarase, ihre kanonische Funktion und subzelluläre Standorte

Fumarase ist ein Mitglied der Klasse II Fumarase-Enzyme, die von Prokaryoten bis zu Menschen konserviert sind. In S. cerevisiae wird Fumarase durch das FUM1-Gen kodiert und bildet ein Homotetramer mit einem Molekulargewicht von etwa 200 kDa. Es ist verantwortlich für die Katalyse der Hydratation von Fumarat zu L-Malat und der umgekehrten Dehydratisierungsreaktion. Fumarase ist in Mitochondrien vorhanden und am Tricarbonsäurezyklus (TCA-Zyklus) beteiligt. Neben Mitochondrien kann Fumarat auch im zytosolischen Kompartiment gefunden werden, wo seine zytoplasmatische Lokalisation hoch konserviert ist. Diese duale Lokalisation wird als "Echoformen" bezeichnet, was auf wiederholte Formen des gleichen Proteins in der Zelle hinweist. Es gibt eine Reihe bekannter Mechanismen, die die subzelluläre Verteilung von Fumarase in Eukaryoten regulieren. Sowohl die zytoplasmatischen als auch die mitochondrialen Fumarase-Echoformen von S. cerevisiae werden durch das FUM1-Gen kodiert. Während der Translation faltet sich eine Teilmenge der FUM1-Translationsprodukte, die teilweise transloziert sind, außerhalb der Mitochondrien, und ein Mechanismus, der als Rücktranslokation bekannt ist, verhindert den vollständigen mitochondrialen Import. Nach dem Ende der Translation verbleiben diese gefalteten Translationsprodukte im Zytosol, was die zytoplasmatische Fumarase-Population ausmacht.

Der menschliche Homolog von Fumarase, genannt Fumarat-Hydratase (FH), wird von einem einzigen Gen exprimiert. Der Promotor des Fumarase-Gens enthält mehrere Transkriptionsstartstellen, von denen zwei Sätze von Fumarase-mRNAs transkribiert werden. Die erste Gruppe umfasst Transkripte, die in Proteine übersetzt werden, die die mitochondrialen Zielsequenzen (MTS) für Fumarat enthalten, und die zweite Gruppe wird in Fumarase-Proteine übersetzt, die diese Sequenz nicht enthalten. Folglich stellen diese beiden Versionen des Proteins die mitochondrialen und zytoplasmatischen Echoformen von Fumarase dar.

Abbildung 1. Mechanismen der dualen Zielgerichtetheit von Fumarase in verschiedenen Organismen (Leshets, M.; et al. 2018)

Die paradoxe Natur des Mechanismus, durch den Fumarase als Tumorsuppressor wirkt

Es gibt zwei vorgeschlagene Modelle für die Aktivität von Fumarase als Tumorsuppressor. Erstens blockiert der Verlust von Fumarase den TCA-Zyklus in Mitochondrien, was zur Ansammlung von Fumarat führt, das HIF stabilisiert. Das zweite Modell schlägt vor, dass der Verlust von Fumarat die Fähigkeit der Zellen verringert, Fumarat zu produzieren, wodurch die genomische Stabilität beeinträchtigt wird. In beiden Modellen ist Fumarat das Schlüssel-Effektor-Molekül, das im ersten Modell einen onkogenen Effekt induziert und im zweiten Modell als onkogenes Inhibitor wirkt. In beiden Modellen wird angenommen, dass die Inaktivierung von Fumarsäure in Zellen zur Ansammlung von Fumarat aufgrund der Blockade des TCA-Zyklus und einer Unfähigkeit zur Erzeugung von Fumarat für die DDR führt. Diese Diskrepanz wirft die Frage auf, wie diese beiden scheinbar widersprüchlichen Modelle in Einklang gebracht werden können.

Die erste plausible Antwort auf diese Frage könnte von der Möglichkeit abhängen, dass Fumarase, um in der DDR zu funktionieren, hohe Konzentrationen von Fumarat in der Nähe der zellulären DNA in der Nähe des DSB produzieren muss. Die zweite Möglichkeit ist eine Erweiterung der ersten und argumentiert, dass die beiden Mechanismen, durch die Fumarase als Tumorsuppressor wirkt, in verschiedenen Phasen der Tumorentwicklung auftreten. In der ersten Phase stört die biallelische Inaktivierung von Fumarase in einer einzelnen Tumorzelle die Fähigkeit, Fumarat in der Nähe der zellulären DNA zu produzieren, wodurch die Genomstabilität verringert wird. In der zweiten Phase kann die Proliferation von Fumarase-defizienten Zellen eine eng lokalisierte Zellpopulation bilden, in der die für die HIF-Stabilisierung erforderliche Fumaratkonzentration erreicht werden kann.

Abbildung 2. Zwei-Phasen-Modell der Fumarase-Depletion, die zur Tumorigenese führt (Leshets, M.; et al. 2018)