Mitochondriale und zytosolische Reifung der humanen FeS-abhängigen MOCS1A Molybdäncofaktor Syntheseproteine und Verbindungen zwischen beiden Cofaktor-Synthesewegen

• Antragsteller: Professor Dr. Günter Schwarz
• Fachliche Zuordnung: Biochemie
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 311772630

Molybdän-abhängige Enzyme katalysieren wichtige Reaktionen in den globalen Stoffkreisläufen. Sie sind abhängig von der Biosynthese des Molybdäncofaktors (Moco) sowie von FeS-Clustern, welche im ersten Schritt der Moco-Synthese, der Umwandlung von GTP in zyklisches Pyranopterin-Monophosphat (cPMP), sowie als Cofaktoren von Mo-Enzymen benötigt werden. Ein Defekt in der Moco-Biosynthese führt zu einer schweren Stoffwechselstörung, die auf den Verlust der Sulfitoxidase-Aktivität zurückgeht und nach rasch fortschreitender Neurodegeneration zum meist frühen Kindstod führt. Wir haben eine erste Therapie für Patienten mit Mutationen im MOCS1 Gen entwickelt. Alternativ gespleisste Transskripte des MOCS1 Gen kodieren für zwei essentielle Proteine. MOCS1A bindet zwei [4Fe-4S]-Cluster und gehört zur Familie der radikalen SAM-Enzyme. Das zweite Translationsprodukt, MOCS1AB, besteht aus einer inaktiven MOCS1A-Domäne und einer aktiven C-terminalen MOCS1B-Domäne. Im vorangegangenen Förderzeitraum konnten wir die zytosolische Lokalisation von zwei MOCS1A Proteinen zeigen, während die verbliebenen zwei MOCS1A Proteine, sowie alle MOCS1AB Proteine in Mitochondrien transportiert wurden. Übneraschender Weise wurden die MOCS1AB Protein in der mitochndrialen Membran proteolytisch geschnitten, so dass ein kleines MOCS1B Protein in die mitochondriale Matrix freigesetzt wurde. In vivo Aktivität dieses Proteins konnte zusätzlich mittels eines homozygotem Frameshift Patienten gezeigt werden, welchen wir im Rahmen des SPP untersucht haben. Ziel des Projektes ist die Aufklärung zweier Aspekte der Moco-Synthese und der Moco-Defizienz (MoCD). Zuerst werden die Unterschiede zwischen zytosolischen und mitochondrialen MOCS1A Proteinen untersucht, die beide unter physiologischen Bedingungen exprimiert werden und von denen gezeigt wurde, dass sie eine Rolle in der Moco-Synthese spielen. Dafür werden verschiedene MOCS1A Varianten biochemisch charakterisiert. Dies beinhaltet neben der Bestimmung kinetischer Parameter, basierend auf etablierten Protokollen zur anaeroben Aufreinigung und cPMP-Synthese, auch Kristallisation von MOCS1A (O. Einsle), sowie EPR- (A. Pierik) und Mössbauer-Spektroskopie (V. Schünemann) von zytosolischen und mitochondrialen MOCS1A Proteinen, die aus Sf9-Insektenzellkultur gewonnen wurden. Der zweite Teil des Projekts befasst sich mit den zellulären und homeostatischen Zusammenhängen von FeS-Cluster Biogenese und MoCD. Dabei zielen wir darauf ab, die Auswirkungen von Beeinträchtigungen von Eisenhomeostase und FeS-Cluster Biogenese zu untersuchen, in Zellkultur, Mauslinien und betroffenen Patienten. Dies setzt eine enge Zusammenarbeit mit anderen Gruppen voraus, die die entsprechenden Proben bereitstellen (R. Lill, C. Berndt, A. Steinbicker). Vice Versa werden wir in einer Sulfitoxidase defizienten Mausline, die derzeit in unserem Labor charakterisiert wird, untersuchen, inwiefern veränderte Aktivitäten der Sulfitoxidase die FeS-Cluster Biogenese beeinflussen.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1927: Iron-Sulfur for Life