Anpassung zellulärer Prozesse an den Stoffwechselzustand

Alle Organismen sind in der Lage, wichtige zelluläre Prozesse an den Stoffwechselzustand anzupassen. So wird exakt koordiniert, dass bestimmte Reaktionen, wie die Herstellung von Proteinen und anderer Biomoleküle, nur dann stattfinden, wenn die Zellen nicht unter Nährstoffknappheit leiden. Dazu nutzen diese Organismen Moleküle, die als Indikatoren des Stoffwechselzustandes fungieren und die zudem dazu genutzt werden können, um die Aktivität von Biomolekülen entsprechend daran anzupassen.

Die Rolle von Acetyl-Coenzym A als Stoffwechsel-Indikator

Eines dieser zentralen Stoffwechselmoleküle ist die aktivierte Essigsäure, das sogenannte Acetyl-Coenzym A. Zelluläre Level von Acetyl-CoA können genutzt werden, um den Stoffwechselzustand der Zellen zu messen.

Ist die Konzentration in den Zellen hoch, deutet das auf eine hohe Stoffwechselaktivität unter Bedingungen einer reichlichen Verfügbarkeit von Nährstoffen hin. Ist die Konzentration hingegen niedrig, liegen Bedingungen der Nährstoffknappheit vor.

Enzymatische und nicht-enzymatische Modifikationen durch Acetyl-CoA

Frühere Studien haben gezeigt, dass Acetyl-CoA in Zellen enzymatisch und nicht-enzymatisch zur Acetylierung von Biomolekülen führt. Damit die Modifikation effizient und gezielt von diesen Biomolekülen wieder entfernt werden kann, um den Ausgangszustand wieder herzustellen und nicht dauerhaft ein reichhaltiges Nährstoffangebot anzuzeigen, gibt es Enzyme, die sogenannten Deacetylasen.

Vielfältige Funktion der Deacetylasen in bakteriellen Zellen

Eine weitere wichtige Erkenntnis ist zudem, dass diese bakteriellen Enzyme auch in der Lage sind, neben der Acetylierung auch andere Acylierungen von der Aminosäure Lysin in Proteinen zu entfernen. Dieses sind allesamt Modifikationen, die den Stoffwechselzustand der Zellen anzeigen und zudem weitere Funktionen in Bakterien offenbaren könnten, wie eine Membranbindung von Proteinen in den Zellen.

Während die Klasse der bakteriellen Zn2+-abhängigen Deacylasen in Eukaryoten wie Tieren und Pflanzen schon recht gut untersucht sind, gab es bisher keine systemischen Studien zu dieser Enzymklasse in Bakterien. Diese Lücke wird mit der aktuellen Studie geschlossen.

Entdeckung neuer bakterieller Enzyme für Acylierungsprozesse

„In unserer Studie konnten wir insgesamt zwölf Proteinstrukturen als Repräsentanten der fünf Hauptgruppen dieser bakteriellen Enzyme aufklären. Zusammen mit Funktionsuntersuchungen zu den Aktivitäten und zur Hemmung dieser Enzyme haben wir damit einen sehr guten Überblick über die Struktur und Funktion der Enzyme in Bakterien erhalten“, erklärt die Doktorandin und Erstautorin der Studie Leonie Graf.

Umfassende Analyse der Enzymfamilie

„Wir haben selbst nicht erwartet, dass wir so viele bisher nicht beschriebene Kandidaten dieser Enzymklasse in Bakterien finden", fügt Professor Michael Lammers, Leiter der Gruppe Synthetische und strukturelle Biochemie, hinzu. „Dieses Projekt wird die Grundlage für viele weitere Studien sein, die zeigen werden, welche physiologischen Prozesse über diese Enzyme reguliert werden und ob wir diese Enzyme auch therapeutisch ansteuern können. Auch hier war es die exzellente Zusammenarbeit mit den Arbeitsgruppen von Professor Kay Hofmann von der Universität zu Köln, Professor Richard Strugnell von der Universität Melbourne und Professor Christian Olsen von der Universität Kopenhagen, die uns erst ermöglicht haben, ein so umfassendes Bild dieser Enzymklasse zu erhalten.“

Originalpublikation
Graf, L.G., Moreno-Yruela, C., Qin, C., Schulze, S., Palm, G.J., Schmöker, O., Wang, N., Hocking, D.M., Jebeli, L., Girbardt, B., Berndt, L., Dörre, B., Weis, D.M., Janetzky, M., Albrecht, D., Zühlke, D., Sievers, S., Strugnell, R.A., Olsen, C.A., Hofmann, K., & Lammers, M. (2024). Distribution and diversity of classical deacylases in bacteria. Nature Communications, 15, Article number: 9496. doi.org/10.1038/s41467-024-53903-0

Quelle: Universität Greifswald