GALT

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Einführung

Galactose (Gal) ist ein essentielles Monosaccharid im menschlichen Körper, wobei der Leloir-Weg der Hauptstoffwechselweg ist. Vier Enzyme, Galactose-Mutarotase (GALM), Galactokinase 1 (GALK1), Galactose-1-Phosphat-Uridylyltransferase (GALT) und UDP-Galactose-4′-Epimerase (GALE), bilden den Leloir-Weg, der dafür verantwortlich ist, Galactose aus diätischen und endogenen Quellen in Glukose für die Glykolyse umzuwandeln, aber auch Uridin-Diphosphat (UDP) Hexosen für die Glykogen- und Glykokonjugatbildung umwandelt. Darüber hinaus sind GALT und GALE am Stoffwechsel von UDP-N-Acetyl-Hexose-Aminen beteiligt, die Substrate für Glykosyltransferasen sind und wichtige strukturelle Elemente von Glykosaminoglykanen darstellen.

GALT (EC 2.7.7.12) ist verantwortlich für die Umwandlung von 1-Phosphat-Galactose (Gal-1-P) und UDP-Glukose (UDP-Glc) in 1-Phosphat-Glukose (Glc-1-P) und UDP-Galactose (UDP-Gal). Erblich bedingte Mutationen im GALT-Gen verursachen autosomal-rezessive klassische Galaktosämie (oder Typ I Galaktosämie). Neugeborene mit klassischer Galaktosämie zeigen häufig Gelbsucht, Katarakte, Hepatomegalie und sogar Tod. Die einzige wirksame Behandlung ist eine strenge diätetische Einschränkung von Galactose, aber selbst bei Diätkontrolle entwickeln ältere Betroffene neurokognitive Beeinträchtigungen beim Lernen und Sprechen, und ovarielle Insuffizienz ist bei Frauen mit Galaktosämie häufig.  Merkmale der klassischen Galaktosämie sind erhöhte Werte des Metaboliten Galactose-1-Phosphat, reduzierte Werte von UDP-Hexose und gestörte Glykosylierung, die als beitragend zur Krankheit angesehen werden. Derzeit sind 336 Mutationen in der GALT-Datenbank verzeichnet, von denen ∼60% Missense-Änderungen darstellen.

Die Kristallstruktur von humanem GALT (hGALT) wurde bisher nicht berichtet, aber die E. coli-Struktur (eGALT) weist eine Sequenzidentität von 55% mit dem menschlichen Protein auf. GALT ist ein β-Ketten-reiches dimeres Protein, das zur Histidin-Triad-Superfamilie gehört. Es ist ein Metalloprotein, und die eGALT-Struktur zeigt Zink- und Eisenbindung an zwei verschiedenen Stellen. Cys52, Cys55, His115 und His164 sind Zinkbindungsstellen, die eine Rolle bei der Stabilisierung der aktiven Stelle spielen. Die Eisenbindungsstellen Glu182, His281, His299, His301 sollen die Proteinstruktur stabilisieren.

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

Strukturelle Basis der klassischen Galaktosämie-Varianten

Stand Januar 2016 sind 178 der 336 Mutationen, die in der GALT-Datenbank annotiert sind, Missense. Insgesamt sind Varianten, die das hGALT-Protein destabilisieren und fehlfalten können, am häufigsten. Dazu gehören Aminosäureänderungen, die voraussichtlich die Proteinflexibilität verändern (d.h. p.Pro36Leu, p.Gly83Val/Arg, p.Pro166Ala, p.Leu217Pro), was zu sterischen Konflikten führt (d.h. p.Cys130Tyr, p.Val168Leu, p.Ala276Asn, p.Leu289Phe/Arg), Hohlräume schafft (d.h. p.Val125Ala, p.Leu226Val, p.Trp154Gly, p.Met336Leu) und Wasserstoffbrücken entfernt (d.h. p.Arg67Cys, p.Glu220Lys, p.Gln317Arg/His, p.Arg328His). Die zweitgrößte Gruppe von Varianten verändert die Dimerinteraktionen wie Interchain-Salzbrücken. Varianten, die die Substratbindung verändern, sind die dritthäufigsten, gefolgt von Varianten, die die Metallbindung verändern. Darüber hinaus haben einige Varianten, die sich an der Oberfläche des Proteins befinden, keinen offensichtlichen Einfluss auf die Proteinstruktur und werden als Polymorphismen bezeichnet.

Die hGALT-Struktur gab uns auch einen detaillierten molekularen Blick auf drei Varianten, p.Ser135Leu, p.Gln188Arg und p.Lys285Asn, die die Mehrheit der klassischen Galaktosämie ausmachen. Die p.Lys285Asn-Variante, die häufig bei Europäern vorkommt, entfernt drei Wasserstoffbrücken, die die Helix α₆ betreffen, was möglicherweise das Protein destabilisiert. Die p.Ser135Leu-Variante, die nur bei afrikanischen Ethnien vorkommt, entfernt die Interaktion mit Cys72 und Arg67 und führt einen hydrophoberen und voluminöseren Rest in der Nähe der Uridylierungsstelle His186 ein. Die häufigste Galaktosämie-Variante (etwa 60% der Patienten) p.Gln188Arg betrifft das aktive Stellen-Rest Gln188, das mit den kovalent gebundenen Phosphat- und Ribose-Moiety von UMP und der Phosphat-Moiety von Hexose-1-Phosphat interagiert. Diese Ergebnisse stimmen mit früheren Homologiemodellen überein, die veränderte Wasserstoffbrückenmuster mit dem Substrat vorhersagten, was die niedrige Aktivität erklärt.

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