Untersuchung der Struktur-Funktionsbeziehungen in den PLP-Superfamilien der Transaminasen

• Antragsteller: Professor Dr. Uwe T. Bornscheuer; Professor Dr. Matthias Höhne
• Fachliche Zuordnung: Biochemie
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 277430376

Im Zeitalter der Genomsequenzierung ist die präzise Vorhersage der physiologischen Funktion der kodierten Proteine eine wichtige Voraussetzung, um die metabolische Leistung eines Organismus entschlüsseln zu können. Trotz moderner bioinformatischer Methoden gelingt meist nur eine Vorhersage der Reaktionsspezifität (z. B. Klasse III-Transaminase). Die Substratspezifität kann bisher nur eingeschränkt vorhergesagt werden. Für eine genauere Annotation wäre ein detailliertes Verständnis der Struktur-Funktionsbeziehungen erforderlich sowie die Fähigkeit, diese Faktoren von der Ebene der Sequenz aus ableiten zu können. PLP-abhängige Enzyme katalysieren ein bemerkenswert breites Spektrum an Reaktionen. In den Superfamilien der PLP-Faltungsklasse I und IV identifizierten wir in Vorarbeiten eine Plattform von 20 (R)-selektiven Amin-Transaminasen (ATA). Kürzlich ist es uns gelungen, die Kristallstruktur einer (R)-ATA zu lösen und die Funktion von vier noch nicht charakterisierten PLP-abhängigen Enzymen zu ermitteln, dessen Strukturen jedoch bereits in der Proteindatenbank pdb hinterlegt waren. Auf der Basis dieser Untersuchungen besteht das Ziel dieses Forschungsvorhabens darin, die Struktur-Funktionsbeziehungen für die Subfamilie der Klasse III-Transaminasen und der PLP-Faltungsklasse IV zu erforschen. Vorläufige Sequenzanalysen zeigen, dass die Substratspezifität der >20 verschiedenen Enzymaktivitäten der Klasse III Transaminasen mit Aminosäuresequenz¬mustern (fokussiert auf das aktive Zentrum) korreliert. Durch eine Roboter-unterstützte, biochemische Charakterisierung einer Vielzahl weiterer Proteine sollen (i) diejenigen Faktoren, welche nach unserer Hypothese die Substratspezifität prägen, experimentell bestätigt werden, (ii) weitere, noch unbekannte Faktoren entdeckt, und (iii) neue Enzymaktivitäten innerhalb dieser Subfamilien identifiziert werden. Durch die experimentelle Überführung einer Valin-Transaminase in eine (R)-ATA und umgekehrt mittels Mutagenese-Studien werden wir ein detailliertes Verständnis der Struktur-Funktionsbeziehungen in Faltungsklasse IV erlangen. Um zu verstehen, welche Aminosäurereste maßgeblich die Substratbindung sowie die Flexibilität des Proteins während der Katalyse prägen und damit das Substratspektrum der Transaminasen beeinflussen, werden mittels Computersimulationen Mutationen vorhergesagt und experimentell charakterisiert werden. Insgesamt erwarten wir ein verbessertes Verständnis der molekularen Ursachen der Reaktions- und Substratspezifität, welches für eine präzise Annotation der PLP-abhängigen Transaminasen nützlich ist.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen