PNGase F

Verwandte Lektüre

Einführung

Der zelluläre Stoffwechsel umfasst nicht nur kleine Moleküle, sondern auch die Biosynthese und den Katabolismus von Makromolekülen wie Proteinen, Glykane und Lipide. Im Vergleich zur Biosynthese von Makromolekülen ist unser Verständnis ihres Katabolismus begrenzt. Zum Beispiel ist die N-Glykosylierung eine der häufigsten Proteinmodifikationen, die in allen Lebensbereichen (Eukaryoten, Bakterien oder Archaeen) vorkommen. Obwohl der biosynthetische Weg der N-Glykosylierung bei Säugetieren und Hefen gut aufgeklärt ist, müssen selbst in dieser "Post-Genom"-Ära viele Fragen im Zusammenhang mit ihrem Katabolismus noch geklärt werden. Es ist bekannt, dass der Abbau von N-Glykoproteinen hauptsächlich in Lysosomen erfolgt, aber die Existenz von "nicht-lysosomalen" Abbauwegen wurde ebenfalls kürzlich entdeckt. Das zytoplasmatische PNGase (Peptid: N-Glykanase; NGLY1/Ngly1 bei Mensch/Maus) ist ein konservatives Deglykosylierungsenzym, das am nicht-lysosomalen Abbau von N-Glykoproteinen beteiligt ist. PNGase setzt intakte N-Glykane von Glykoproteinen frei und ist verantwortlich für die Entfernung von fehlgefalteten Glykoproteinen aus dem Zytoplasma. Aktuelle Forschungen haben ergeben, dass NGLY1-Mangel eine menschliche genetische Störung ist, die deutlich die Bedeutung dieses Enzyms für die normale Entwicklung von Säugetieren zeigt.

Abbildung 1. Die Beteiligung von zytoplasmatischem PNGase an der ER-assoziierten Degradation (Suzuki, T. 2015)

Die zytoplasmatische PNGase - Verteilung und enzymatische Eigenschaften

PNGase katalysiert die Hydrolyse der Amidbindung zwischen dem innersten N-Acetylglucosamin (GlcNAc) und einem Asn-Rest auf einem N-Glykoprotein, wodurch ein de-N-glykosyliertes Protein und ein 1-Amino-GlcNAc-haltiges freies Oligosaccharid entstehen. Dann wird bei physiologischem pH-Wert Ammoniak spontan von der reduzierenden Endseite freigesetzt, und ein freies Oligosaccharid mit einem N,N'-Diacetylchitobiose wird an der reduzierenden Endseite erzeugt.

Abbildung 2. Reaktionsschema für Peptid: N-Glykanase (Ngly1) (Suzuki, T.; et al. 2016)

Die Aktivität der zytoplasmatischen PNGase bei Säugetieren wurde erstmals in mehreren kultivierten Zellen berichtet. Dieses Enzym unterscheidet sich in mehreren enzymatischen Eigenschaften von anderen PNGasen aus Pflanzen (Glycoamidase/PNGase A) oder Bakterien (N-Glykanase/PNGase F), zum Beispiel benötigt es ein Reduktionsmittel für die Aktivität und einen neutralen pH-Wert für optimale Aktivität. Darüber hinaus hat Ngly1 intrinsische Eigenschaften zur Bindung von Kohlenhydraten. Der katalytische Kern der PNGase enthält eine GlcNAc2-Bindungsstelle, und es gibt eine PAW-Domäne, die als Kohlenhydratbindungsdomäne für hochmannosehaltige Glykane dient. Andererseits hat sich gezeigt, dass die N-terminale PUB-Domäne als Bindemodul für p97 dient. Das Gen, das die zytoplasmatische PNGase kodiert, wurde erstmals in der Knospungshefe Saccharomyces cerevisiae gefunden, und seitdem wurden Genorthologe in einer Vielzahl von Eukaryoten, einschließlich Säugetieren, gefunden. Die Untersuchung der Gewebeverteilung von PNGase im Mauszytoplasma zeigte, dass Ngly1-mRNA in allen untersuchten Geweben weit verbreitet war, mit dem höchsten Niveau im Hoden. In den Seren wurde keine solche Aktivität gefunden, was darauf hinweist, dass das Enzym nicht sekretiert wurde. Unter den getesteten Organen war die Gesamtaktivität der Leber am höchsten, während das Thymus die höchste spezifische Aktivität aufwies.

Abbildung 3. Schematische Darstellung der Domänenstruktur von PNGase (Ngly1) aus Mensch, Maus, Hefe und Pilzen (Suzuki, T.; et al.2016)

NGLY1-Mangel

Im Jahr 2012 wurde eine menschliche genetische Störung, die Mutationen im NGLY1-Genlocus umfasst, durch eine Exomanalyse identifiziert. Die klinischen Merkmale von 12 Patienten wurden berichtet, darunter globale Entwicklungsverzögerung, Bewegungsstörung, Hypotonie und das Fehlen von Tränen. Diese Studien haben deutlich die Bedeutung der zytoplasmatischen PNGase gezeigt. Die Einzelheiten der molekularen Mechanismen, die zur Pathologie des NGLY1-Mangels führen, müssen jedoch noch untersucht werden. Unter den Patienten mit NGLY1-Mangel ist eine Nonsense-Mutation (c.1201A>T (p.R401X)) das am häufigsten nachgewiesene Allel. Dieses p.R401X-Allel wurde in 2 der 8598 Chromosomen europäischer Abstammung, die im Exome Variant Server-Ressource berichtet wurden, beobachtet. Basierend darauf spekulieren einige, dass im Vergleich zu Patienten mit anderen Allelen homozygote Mutationen, die mit diesem Allel assoziiert sind, schwerere Phänotypen zeigen werden. Offensichtlich benötigen wir weitere Forschungen, um zu erklären, wie diese Mutation schwerere Symptome verursachen kann. Alle bisher berichteten Patienten sind kaukasischer ethnischer Herkunft, was bedeutet, dass die Häufigkeit dieser genetischen Störung zwischen ethnischen Gruppen variieren kann.