Sulfatasen

Sulfatasen (EC 3.1.6.-) gehören zur Klasse der Esterasen, die die Hydrolyse von Sulfatestern katalysieren, und spielen eine Schlüsselrolle bei der Regulation von Sulfatierungszuständen, die die Funktion vieler physiologischer Moleküle bestimmen. Das Substratspektrum von Sulfatasen reicht von kleinen zytosolischen Steroiden, wie z. B. Östrogensulfat, bis hin zu komplexen Kohlenhydraten an der Zelloberfläche, wie z. B. den Glykosaminoglykanen. Zusammen mit Sulfotransferasen bilden Sulfatasen die wesentliche katalytische Maschinerie für die Synthese und Spaltung von Sulfatestern. Die durch Sulfatasen katalysierten Reaktionen wurden mit wichtigen zellulären Funktionen in Verbindung gebracht, darunter Hormonregulation, zellulärer Abbau und Modulation von Signalwegen. Darüber hinaus wurden Sulfatasen auch mit dem Auftreten verschiedener pathophysiologischer Zustände assoziiert, einschließlich hormonabhängiger Krebserkrankungen, lysosomaler Speicherkrankheiten, Entwicklungsanomalien und bakterieller Pathogenese.

Verteilung

Sulfatasen kommen in niederen und höheren Organismen vor. Sulfatasen niedereukaryotischer Organismen und Bakterien sind löslich und wurden in zytoplasmatischen, periplasmatischen und extrazellulären Kompartimenten nachgewiesen. In höheren Organismen finden sie sich in intra- und extrazellulären Räumen. Eukaryotische Sulfatasen werden in den sekretorischen Weg eingeschleust und vor dem Transport in die extrazelluläre Matrix (ECM) oder in subzelluläre Kompartimente wie endoplasmatisches Retikulum (ER), Golgi-Apparat und Lysosom umfangreich glykosyliert. Lysosomale Sulfatasen spalten eine Reihe sulfatierter Kohlenhydrate, einschließlich sulfatierter Glykosaminoglykane und Glykolipide. Steroidsulfatase ist in einem breiten Spektrum von Geweben im gesamten Körper verteilt, wodurch in Nebennieren und Gonaden synthetisierte sulfatierte Steroide nach ihrer Verteilung über den Blutkreislauf desulfatiert werden können.

Struktur

Die Strukturen von vier Sulfatasen wurden bislang mittels Röntgenkristallstrukturanalyse aufgeklärt: HARSA (humane Arylsulfatase A), HARSB (humane Arylsulfatase B) und HARSC (Arylsulfatase C) aus dem Menschen sowie PARS (Arylsulfatase aus Pseudomonas aeruginosa). Die Strukturen sind auffallend ähnlich und zeigen ein nahezu kugelförmiges, globuläres Monomer mit gemischter α/β-Topologie, das in zwei Domänen unterteilt ist. ARSC enthält zusätzlich eine einzigartige Transmembrandomäne, aus der die lösliche Domäne „aussprosst“, wodurch das Enzym eine „pilzartige“ Morphologie erhält. Die größere, N-terminale Domäne besteht aus α-Helices, die ein großes gemischtes β-Faltblatt umgeben, das in den Strukturen von HARSA, HARSB und PARS aus 10 Strängen und in HARSC aus 11 Strängen besteht. Die kleinere, C-terminale Domäne enthält ein viersträngiges antiparalleles β-Faltblatt, das dicht gegen eine lange, lösungsmittel-exponierte C-terminale α-Helix gepackt ist. Wie typisch für Enzyme der α/β-Familie ist die aktive Zentrumstasche am C-terminalen Ende des großen β-Faltblatts eingebettet, wobei der FGly-Rest am Boden einer schmalen Spalte liegt, die von geladenen Aminosäuren ausgekleidet ist.

Das aktive Zentrum der Sulfatase besteht aus 10 hochgradig miteinander vernetzten polaren Resten und einem zweiwertigen Metallkation. Im Fall von HARSA wird eine Metallbindungsregion durch die generischen Reste AspA, AspB, AspC und AsnA gebildet, die in ARSC konservativ durch einen Glutaminrest ersetzt ist. In HARSB, HARSC und PARS koordinieren diese Metallbindungsreste zusammen mit FGly und einem Sauerstoffatom des Sulfats (oder Wasser in dessen Abwesenheit) ein Ca²⁺-Kation heptavalent; in HARSA wird ein Mg²⁺-Ion oktaedrisch koordiniert.

Mechanismus

• Additions–Hydrolyse-(AH)-Mechanismus

Der Mechanismus beginnt mit einem nukleophilen Angriff eines Sauerstoffatoms der Sulfatgruppe auf die elektrophile Aldehydgruppe von FGly zur Bildung eines Sulfatdiesters. Das konjugierte Alkoholat wird anschließend durch die Wirkung eines Nukleophils, wie z. B. eines aktivierten Wassermoleküls (analog zum AP-Mechanismus), freigesetzt.

• Transesterifizierungs–Eliminierungs-(TE)-Mechanismus

Im ersten Schritt wirkt eine der geminalen Hydroxygruppen des FGly-Hydrats (FGH) als Nukleophil. Ein SN2-Angriff am Schwefelatom des Sulfats hydrolysiert den konjugierten Alkohol und erzeugt ein transientes FGS. Die zweite geminale Hydroxygruppe reagiert anschließend, um Sulfat zu eliminieren und das Aldehyd erneut zu bilden. Schließlich wird der katalytische Zyklus durch Hydratisierung des Aldehyds abgeschlossen, wodurch FGH wiederhergestellt wird.

Abbildung 1. Vorgeschlagene mechanistische Schemata für die Hydrolyse von Sulfatestern durch das Aldehyd FGly im aktiven Zentrum. a) Additions–Hydrolyse-(AH)-Mechanismus. b) Transesterifizierungs–Eliminierungs-(TE)-Mechanismus.
(Sarah R. et al. 2010)

Biologische Funktionen

Humane Sulfatasen wurden in mehreren subzellulären Kompartimenten nachgewiesen, in denen sie Schlüsselrollen in wichtigen biologischen Prozessen spielen, darunter die Hormonsynthese im ER, der Abbau von Glykosaminoglykanen und Glykolipiden im Lysosom sowie die Modulation entwicklungsbezogener zellulärer Signalgebung in der ECM. Mehrere weitere humane Sulfatasen wurden identifiziert, ihre biologischen Funktionen sind jedoch unbekannt. Möglicherweise sind diese Enzyme an der Desulfonierung anderer wichtiger Biomoleküle beteiligt, wie z. B. Sialyl Lewis^X-6S (sLe^X-6S) und Tyrosin-O-sulfat. Die Sulfatasen von Wirbellosen und niederen Eukaryoten sind weitgehend unerforscht. Mehrere Gene wurden kloniert und zeigen in einigen Fällen Aktivitäten, darunter eine Rolle in der Entwicklung von Seeigel-Embryonen, die Inaktivierung endogener pflanzlicher Toxine sowie eine Beteiligung am Schwefelstoffwechsel in Algen und Pilzen.

Hohe Aktivitäten von ARS, Alkylsulfatase und Glykosulfatase wurden in vielen unterschiedlichen Bakterientypen identifiziert. Allerdings wurde nur eine Handvoll bakterieller Sulfatase-Gene kloniert und charakterisiert. Diese Enzyme fungieren typischerweise als „Scavenger“, indem sie Sulfatgruppen von exogenen Substraten entfernen, um ihren Wirten Schwefel- und Kohlenstoffquellen bereitzustellen. Jüngere Studien haben weitere Funktionen bakterieller Sulfatasen in der Osmoprotektion und in pathogenen Prozessen aufgezeigt.

Referenz