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), wie er bei mehreren pathogenen Streptokokken-Spezies beschrieben wurde. Die Hyaluronat-Lyase gehört zur Familie der Lyasen, insbesondere zu den Kohlenstoff-Sauerstoff-Lyasen, die auf Polysaccharide wirken. Sie katalysiert die Spaltung von Hyaluronat-Ketten an einer β-D-GalNAc-(1->4)-β-D-GlcA-Bindung und zerlegt das Polysaccharid letztlich zu 3-(4-Desoxy-β-D-gluc-4-enuronosyl)-N-Acetyl-D-Glucosamin.

Klassifizierung

Hyaluronidasen lassen sich nach heutigem Kenntnisstand in zwei Hauptgruppen einteilen: Lyasen und Hydrolasen. Zu den Lyasen zählen bakterielle Hyaluronidasen (Hyaluronat-Lyasen), die von bestimmten Stämmen der Gattungen Streptococcus, Propionibacterium, Peptostreptococcus, Staphylococcus und Streptomyces sezerniert werden; zu den Hydrolasen zählen die testikuläre Hyaluronidase (testicular-type) und die Blutegel-Hyaluronidase. Zwischen diesen beiden Gruppen bestehen erhebliche Unterschiede. Bakterielle Hyaluronidasen der Lyase-Gruppe sind weniger stabil, bauen Hyaluronsäure schneller und in größerem Umfang ab und erzeugen zudem ungesättigte Produkte. Demgegenüber wirken Hyaluronidasen der Hydrolase-Gruppe durch Hydrolyse derselben glykosidischen Bindung und liefern Oligosaccharid-Produkte, die aus unveränderten, sich wiederholenden Disaccharid-Einheiten bestehen.

Substrate

Hyaluronsäure ist das primäre Substrat der Hyaluronat-Lyase. Es handelt sich um ein lineares Glykosaminoglykan, bestehend aus einem Polymer aus über β-1-4 verknüpften Disacchariden aus N-Acetylglucosamin (GlcNAc) und Glucuronsäure (GlcA). Sie bildet eine ausgeprägt viskose Lösung und fungiert primär als Gelenkschmiermittel und Stoßdämpfer. Hyaluronsäure kommt in zahlreichen Säugetiergeweben vor, darunter Synovialflüssigkeit, Knorpel, Haut und Gehirn, und stellt einen wesentlichen Bestandteil der extrazellulären Matrix dar. Neben ihrer strukturellen Rolle im Bindegewebe sind viele biologisch bedeutsame Moleküle an Hyaluronsäure gebunden; sie spielt eine wichtige Rolle in verschiedenen physiologischen Prozessen wie Zellproliferation, -erkennung und -migration. Zur Sicherstellung einer ordnungsgemäßen zellulären Aktivität werden die HA-Spiegel im Organismus fein reguliert, indem Biosynthese und Abbau von HA kontrolliert werden. Hyaluronidase ist das Enzym, das in Tieren und Bakterien für den HA-Abbau verantwortlich ist.

Struktur

Die Kristallstruktur der Hyaluronat-Lyase aus Streptococcus pneumoniae ist in zwei klar unterscheidbare strukturelle Domänen unterteilt, die durch einen kurzen Linker verbunden sind. Die N-terminale α-helikale Domäne umfasst die ersten 361 Aminosäurereste (Lys171–Ser531) des Enzyms und besteht überwiegend aus 13 α-Helices. Zehn α-Helices (αH3–αH12) sind zu einer verdrillten (α/α)-Fassstruktur (Barrel) angeordnet. Das Fass ist unvollständig, sodass eine Seite offen bleibt. Je zwei benachbarte Helices dieser zehn bilden eine grundlegende Haarnadelstruktur. Fünf Haarnadeln bilden eine (α5/α5)-Fassstruktur. Die Helices αH2 und αH13 stehen nahezu senkrecht zur Fassachse und verschließen die Fassöffnung. Die C-terminale β-Domäne umfasst die folgenden 347 Aminosäurereste (Tyr543–Lys889); 24 β-Stränge sind zu fünf β-Faltblättern angeordnet. Alle β-Faltblätter sind in der Struktur antiparallel, und die fünf Blätter verlaufen parallel zueinander. Beide Domänen sind kugelförmig und ungefähr gleich groß.

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

Mechanismus

Es wird angenommen, dass der Abbau von Hyaluronsäure prozessiv erfolgt: Nach einer zufälligen initialen endolytischen Bindung des Enzyms an Hyaluronan folgt eine exolytische Degradation derselben Substratkette in Richtung ihres nicht-reduzierenden Endes, bis das gesamte Substrat abgebaut ist. Für die pneumokokkale Hyaluronat-Lyase sowie für mehrere andere bekannte bakterielle Hyaluronat-Lyasen ist das finale Abbauprodukt ein ungesättigtes Disaccharid-Derivat der Hyaluronsäure. Der für den Abbau von Hyaluronsäure verantwortliche fünfstufige katalytische Prozess wurde wie folgt vorgeschlagen: (i) Bindung des Hyaluronan-Substrats, (ii) katalytischer Schritt, (iii) Wasserstoffaustausch mit der wässrigen Mikroumgebung, (iv) irreversibler Schritt der Produktfreisetzung und (v) Translokation des verbleibenden polymeren Substrats.

Damit der Hyaluronan-Abbauprozess möglich ist, muss das Enzym das Substrat über seine elongierte Spalte (Cleft) binden. Nach der initialen Bindung bzw. dem Andocken des Substrats in der Spalte wird Hyaluronan entlang der Spalte präzise positioniert und interagiert dabei überwiegend mit geladenen Aminosäureresten, die die Oberfläche der Spalte auskleiden. Auf Basis der Struktur des nativen Enzyms und der modellierten Komplexstruktur mit den Tetra- und Hexasaccharid-Einheiten 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 finaler Schritt muss die Wasserstoffbilanz wiederhergestellt werden, damit das Enzym in seinen Ausgangszustand zurückkehrt und für den nächsten Katalysezyklus bereit ist. Damit der nächste Katalysezyklus stattfinden kann, muss das Enzym zudem das gebildete Disaccharid-Produkt aus dem aktiven Zentrum freisetzen.

Literatur