Hyaluronat-Lyase

Hyaluronat-Lyase (EC 4.2.2.1), auch bekannt als Hyaluronidase, Hyalurononglucosaminidase, Hyaluronoglucuronidase, Glucuronoglycosaminoglycan-Lyase oder Mucinase, katalysiert den Abbau von Hyaluronsäure (HA), die aus mehreren pathogenen Streptokokkenarten beschrieben wurde. Hyaluronat-Lyase gehört zur Familie der Lyasen, insbesondere zu den Kohlenstoff-Sauerstoff-Lyasen, die auf Polysacchariden wirken. Sie katalysiert die Spaltung von Hyaluronatketten an einer beta-D-GalNAc-(1->4)-beta-D-GlcA-Bindung, wodurch das Polysaccharid letztendlich zu 3-(4-deoxy-beta-D-gluc-4-enuronosyl)-N-acetyl-D-glucosamin abgebaut wird.

Klassifikation

Hyaluronidasen können bis heute in zwei Hauptgruppen eingeteilt werden: Lyasen und Hydrolasen. Zu den Lyasen gehören bakterielle Hyaluronidase (Hyaluronat-Lyase), die von bestimmten Stämmen von Streptococcus, Propionibacterium, Peptostreptococcus, Staphylococcus und Streptomyces-Gattungen ausgeschieden wird; die Hydrolasen umfassen testikuläre Hyaluronidase und Blutegel-Hyaluronidase. Es gibt erhebliche Unterschiede zwischen diesen beiden Gruppen. Die Lyase-Gruppe der Hyaluronidase aus Bakterien ist weniger stabil, baut Hyaluronsäure schneller und umfassender ab und produziert auch ungesättigte Produkte. Im Gegensatz dazu wirken die Hydrolasen durch Hydrolyse derselben glykosidischen Bindung und erzeugen Oligosaccharidprodukte, die aus unveränderten wiederholenden Disaccharideinheiten bestehen.

Substrate

Hyaluronsäure ist das primäre Substrat der Hyaluronat-Lyase, die ein lineares Glycosaminoglycan ist, das aus einem Polymer eines b-1-4 verknüpften N-Acetylglucosamin (GlcNAc) und Glucuronsäure (GlcA) Disaccharids besteht. Es bildet eine auffällig viskose Lösung und fungiert hauptsächlich als Gelenkschmiermittel und Stoßdämpfer. Es ist in vielen Geweben von Säugetieren vorhanden, einschließlich Synovialflüssigkeit, Knorpel, Haut und Gehirn, und bildet einen wesentlichen Teil der extrazellulären Matrix. Neben der strukturellen Rolle in Bindegeweben sind viele biologisch wichtige Moleküle an Hyaluronsäure gebunden, die eine wichtige Rolle in verschiedenen physiologischen Prozessen wie Zellproliferation, Erkennung und Fortbewegung spielen. Um eine ordnungsgemäße zelluläre Aktivität sicherzustellen, werden die HA-Spiegel im Körper fein reguliert, um die HA-Biosynthese und den Abbau zu steuern. Hyaluronidase ist das Enzym, das für den HA-Abbau in Tieren und Bakterien verantwortlich ist.

Struktur

Die Kristallstruktur des Hyaluronat-Lyase-Moleküls von Streptococcus pneumoniae ist in zwei distincte strukturelle Domänen unterteilt, die durch einen kurzen Linker verbunden sind. Die N-terminale α-helikale Domäne enthält die ersten 361 Reste (Lys171–Ser531) des Enzyms und besteht überwiegend aus 13 α-Helices. Zehn α-Helices (αH3–αH12) sind in einer verdrehten (α/α)-Fassstruktur angeordnet. Das Fass ist unvollständig und lässt eine Seite offen. Jede zwei benachbarten Helices dieser zehn bilden eine grundlegende Haarnadelstruktur. Fünf Haarnadeln bilden eine (α5/α5)-Fassstruktur. Die Helices αH2 und αH13 stehen fast senkrecht zur Fassachse und blockieren die Fassöffnung. Die C-terminale β-Domäne enthält die folgenden 347 Reste (Tyr543–Lys889), 24 β-Stränge sind in fünf β-Blätter angeordnet. Alle β-Blätter sind in der Struktur antiparallel und die fünf Blätter sind parallel zueinander. Beide Domänen sind kugelförmig und haben ungefähr die gleiche Größe.

Abbildung 1. Streptococcus pneumoniae Hyaluronat-Lyase-Komplex mit dem Tetrasaccharid-Hyaluronan-Substrat. (Jedrzejas, M.J. 2002)

Mechanismus

Der Abbau von Hyaluronsäure wird als prozessiv angesehen, wobei das zufällige anfängliche endolytische Enzym an Hyaluronan bindet, gefolgt von exolytischem Abbau derselben Substratkette in Richtung ihres nicht reduzierenden Endes, bis das gesamte Substrat abgebaut ist. Für die pneumokokkale Hyaluronat-Lyase und für mehrere andere bekannte bakterielle Hyaluronat-Lyasen ist das Endabbauprodukt ein ungesättigtes Disaccharidderivat der Hyaluronsäure. Der fünfstufige katalytische Prozess, der für den Abbau von Hyaluronsäure verantwortlich ist, wurde als folgendes vorgeschlagen: (i) ein Bindungsschritt des Hyaluronan-Substrats, (ii) ein katalytischer Schritt, (iii) Wasserstoffaustausch mit dem Wasser-Mikroenvironment, (iv) ein irreversibler Produktfreisetzungs-Schritt und (v) ein Translokationsschritt des verbleibenden polymeren Substrats.

Um den Abbauprozess von Hyaluronan durchzuführen, muss das Enzym an das Substrat binden, indem es seinen verlängerten Spalt nutzt. Nach der anfänglichen Bindung oder dem Andocken des Substrats im Spalt wird Hyaluronan präzise entlang des Spalts positioniert, wobei es überwiegend mit geladenen Resten interagiert, die die Spaltoberfläche säumen. Basierend auf der Struktur des nativen Enzyms und seiner modellierten komplexen Struktur mit den Tetra- und Hexasaccharideinheiten von HA wird vorgeschlagen, dass die katalytischen Reste Asn349, His399 und Tyr408 sind. Im katalytischen Prozess verliert das Enzymmolekül ein Wasserstoffatom von Tyr408 und gewinnt ein weiteres an His399. Als letzter Schritt muss das Wasserstoffgleichgewicht wiederhergestellt werden, damit das Enzym in seinen ursprünglichen Zustand zurückkehren und bereit für die nächste Runde der Katalyse sein kann. Damit die nächste Runde der Katalyse stattfinden kann, muss das Enzym auch das erzeugte Disaccharidprodukt aus der aktiven Stelle freisetzen.

Referenzen