GALT

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Einleitung

Galaktose (Gal) ist ein essenzielles Monosaccharid im menschlichen Körper; ihr primärer metabolischer Abbauweg ist der Leloir‑Pathway. Der Leloir‑Pathway umfasst vier Enzyme – Galaktose‑Mutarotase (GALM), Galaktokinase 1 (GALK1), Galaktose‑1‑phosphat‑Uridylyltransferase (GALT) und UDP‑Galaktose‑4′‑Epimerase (GALE) –, die für die Umwandlung von Galaktose aus diätetischen und endogenen Quellen zu Glukose für die Glykolyse verantwortlich sind, zugleich aber auch Uridindiphosphat(UDP)‑Hexosen für die Glykogen‑ und Glykokonjugatbildung ineinander überführen. Darüber hinaus sind GALT und GALE am Metabolismus von UDP‑N‑Acetyl‑Hexosaminen beteiligt, die Substrate für Glykosyltransferasen darstellen und wichtige Strukturelemente von Glykosaminoglykanen sind.

GALT (EC 2.7.7.12) katalysiert die Umwandlung von Galaktose‑1‑phosphat (Gal‑1‑P) und UDP‑Glukose (UDP‑Glc) zu Glukose‑1‑phosphat (Glc‑1‑P) und UDP‑Galaktose (UDP‑Gal). Erbliche Mutationen im GALT‑Gen verursachen die autosomal‑rezessive klassische Galaktosämie (auch Galaktosämie Typ I). Neugeborene mit klassischer Galaktosämie zeigen häufig Ikterus, Katarakte, Hepatomegalie und in schweren Fällen auch letale Verläufe. Die einzige wirksame Therapie ist eine strikte diätetische Restriktion von Galaktose; jedoch entwickeln Betroffene trotz Diätkontrolle im späteren Verlauf neurokognitive Beeinträchtigungen in Lernen und Sprache, und bei Frauen mit Galaktosämie tritt häufig eine Ovarialinsuffizienz auf. Charakteristische Merkmale der klassischen Galaktosämie sind erhöhte Spiegel des Metaboliten Galaktose‑1‑phosphat, reduzierte UDP‑Hexose‑Spiegel sowie eine gestörte Glykosylierung, die als beitragende Faktoren zur Pathogenese angesehen werden. Derzeit sind in der GALT‑Datenbank 336 Mutationen dokumentiert, von denen etwa 60 % Missense‑Veränderungen darstellen.

Die Kristallstruktur der humanen GALT (hGALT) wurde bislang nicht berichtet; die Struktur aus E. coli (eGALT) weist jedoch 55 % Sequenzidentität mit dem humanen Protein auf. GALT ist ein β‑Strang‑reiches, dimeres Protein und gehört zur Histidin‑Triade‑Superfamilie. Es handelt sich um ein Metalloprotein; die eGALT‑Struktur zeigt Zink‑ und Eisenbindung an zwei unterschiedlichen Bindestellen. Cys52, Cys55, His115 und His164 bilden Zink‑Bindestellen, die zur Stabilisierung des aktiven Zentrums beitragen. Die Eisen‑Bindestellen Glu182, His281, His299 und His301 werden als strukturell stabilisierend für das Protein angesehen.

Abbildung 1. Kristallstruktur der uridylierten hGALT bei 1,9 Å Auflösung (McCorvie, T.J.; et al. 2016)

Strukturelle Grundlage klassischer Galaktosämie‑Varianten

Stand Januar 2016 sind 178 der 336 in der GALT‑Datenbank annotierten Mutationen Missense‑Mutationen. Insgesamt sind Varianten, die das hGALT‑Protein destabilisieren und zu Fehlfaltung führen können, am häufigsten. Dazu zählen Aminosäureaustausche, die voraussichtlich die Proteinfle­xibilität verändern (z. B. p.Pro36Leu, p.Gly83Val/Arg, p.Pro166Ala, p.Leu217Pro), sterische Kollisionen verursachen (z. B. p.Cys130Tyr, p.Val168Leu, p.Ala276Asn, p.Leu289Phe/Arg), Hohlräume erzeugen (z. B. p.Val125Ala, p.Leu226Val, p.Trp154Gly, p.Met336Leu) oder Wasserstoffbrücken entfernen (z. B. p.Arg67Cys, p.Glu220Lys, p.Gln317Arg/His, p.Arg328His). Die zweithäufigste Gruppe von Varianten verändert Dimer‑Interaktionen, etwa interkettige Salzbrücken. Varianten, die die Substratbindung beeinflussen, sind die dritthäufigste Gruppe, gefolgt von Varianten, die die Metallbindung verändern. Darüber hinaus zeigen einige an der Proteinoberfläche lokalisierte Varianten keinen erkennbaren Effekt auf die Proteinstruktur und werden als Polymorphismen bezeichnet.

Die hGALT‑Struktur lieferte zudem eine detaillierte molekulare Sicht auf drei Varianten – p.Ser135Leu, p.Gln188Arg und p.Lys285Asn –, die für den Großteil der Fälle klassischer Galaktosämie verantwortlich sind. Die p.Lys285Asn‑Variante, die häufig bei Europäern vorkommt, entfernt drei Wasserstoffbrücken unter Beteiligung der Helix α₆ und könnte dadurch das Protein destabilisieren. Die p.Ser135Leu‑Variante, die ausschließlich in afrikanischen Ethnien gefunden wird, hebt die Interaktion mit Cys72 und Arg67 auf und führt eine hydrophobere und voluminösere Aminosäure in der Nähe der Uridylierungsstelle His186 ein. Die häufigste Galaktosämie‑Variante (bei etwa 60 % der Patienten) p.Gln188Arg betrifft den aktiven‑Zentrum‑Rest Gln188, der mit den kovalent gebundenen Phosphat‑ und Ribose‑Anteilen von UMP sowie mit dem Phosphatanteil des Hexose‑1‑phosphat‑Effektors interagiert. Diese Befunde stimmen mit früheren Homologiemodellen überein, die veränderte Wasserstoffbrückenmuster mit dem Substrat und damit die geringe Enzymaktivität erklärten.

Abbildung 2. Strukturelle Grundlage der häufigsten hGALT‑Varianten (McCorvie, T.J.; et al. 2016)