Biochemische Analyse und Proteinwechselwirkungen der humanen Glutaryl-CoA-Dehydrogenase

Abstract

Die mitochondriale Glutaryl-CoA-Dehydrogenase (GCDH) ist am Abbauweg der Aminosäuren Lysin, Hydroxylysin und Tryptophan beteiligt und katalysiert die oxidative, FAD-abhängige Decarboxylierung von Glutaryl-CoA zu Crotonyl-CoA. Mutationen in der GCDH führen zur Glutarazidurie Typ 1 (GA1) und sind mit der Akkumulation der toxischen Metabolite Glutarsäure (GA) und 3-Hydroxyglutarsäure (3OHGA) in Körperflüssigkeiten und Geweben verbunden, die während kataboler Krisen zur Degeneration von Neuronen des Striatums führen. Die Pathomechanismen der Erkrankung sowie Gründe für die Diskrepanz zwischen enzymatischer Restaktivität mutanter GCDH und klinischem Phänotyp sind unklar. Im ersten Teil der Arbeit konnte an Gcdh-defizienten Astrozyten und Neuronen eines GA1-Mausmodells gezeigt werden, dass GA und 3OHGA den Export von [14C]-Succinat aus Astrozyten und die über den Na+-abhängigen Dicarboxylat-Transporter NaC3 vermittelte Aufnahme von [14C]-Succinat in Neurone stören. Dieser interzelluläre Transport ist Teil der anaplerotischen Versorgung von neuronalen Zellen mit Tricarbonsäure-(TCA)-Zyklus-Intermediaten, die für die ATP-Synthese und Neuro-transmitterproduktion benötigt werden. Die reduzierte Bereitstellung von TCA-Zyklus-Intermediaten in Anwesenheit von GA und 3OHGA könnte den Energiestoffwechsel beeinträchtigen und zur Degeneration von Neuronen im Striatum von GA1-Patienten führen. Im zweiten Teil der Arbeit wurden Untersuchungen zur Interaktion der homotetrameren GCDH mit anderen mitochondrialen Matrixproteinen und mutationsvermittelte Analyse möglicher Bindungsstellen durchgeführt. Mit Hilfe von „Protein-Complementation-Assay“, Oberflächenplasmonenresonanzspektroskopie und „Pull-Down“-Experimenten konnte sowohl die Bindung der Untereinheiten des Elektronen-Transfer-Flavoproteins (ETF) als auch der Dihydrolipoamid-Succinyltransferase (DLST) nachgewiesen und charakterisiert werden. ETF und DLST sind an aufeinanderfolgenden Reaktionen der GCDH-katalysierten oxidativen Decarboxylierung von Glutaryl-CoA zu Crotonyl-CoA beteiligt und lassen aufgrund der funktionalen Nähe der Proteine auf einen einheitlichen Kontrollmechanismus in Form eines Multienzymkomplexes schließen. GA1-Patienten mit Mutationen, die eine relativ hohe enzymatische Restaktivität aufweisen und strukturell keine Auswirkung auf das GCDH-Protein haben, könnten durch die gestörte Interaktion mit ETF und DLST zur Blockade des postulierten Multienzymkomplexes führen und so zu einem klinisch schweren Phänotyp beitragen. Die Identifizierung und Charakterisierung dieses Multienzymkomplexes würde das Grundverständnis der Pathobiochemie der GA1 erheblich erweitern und eine Klärung für die fehlende Korrelation zwischen dem Genotyp und dem klinischen Phänotyp bereitstellen.