Entschlüsselung der Cytochrom P450 Monooxygenase CYP4B1 durch biochemische, evolutionäre und strukturelle Analyse

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Dr. Marco Girhard; Dr. Constanze Wiek
• Fachliche Zuordnung: Biochemie
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 465450790

Die Cytochrom P450 Familie 4 ist eine der ältesten P450 Enzymfamilien; Enzyme dieser Familie wurden während der gesamten Evolution stark konserviert. Das Thema dieses Projektantrags, die Monooxygenase CYP4B1, ist aus folgenden Gründen ein spezielles und einzigartiges Enzym: Für das native humane CYP4B1 wurde bisher kein Substrat gefunden, weshalb es als ‘orphan‘ eingestuft wird. Das scheinbare Fehlen einer katalytischen Aktivität des menschlichen CYP4B1 kann teilweise auf eine einzelne Aminosäureveränderung in der sogenannten Mäanderregion des aktiven Zentrums des Enzyms zurückgeführt werden: Das native menschliche CYP4B1 hat ein Serin an Position 427, während alle anderen CYP4B1-Enzyme (und auch alle Mitglieder der CYP4-Familie bei Säugetieren) Prolin an den entsprechenden Positionen haben.Interessanterweise ist die Situation bei unterschiedlichen Säugetieren wie Kühen, Pferden, Hunden, Ratten, Kaninchen oder Mäusen völlig anders. Hier agiert CYP4B1 an der Schnittstelle zwischen endobiotischem und xenobiotischem Metabolismus: Neben der ω-Hydroxylierung ungesättigter Fettsäuren ist CYP4B1 (im Gegensatz zu anderen Mitgliedern der CYP4-Familie) spezifisch für die Bioaktivierung einer Reihe von Xenobiotika verantwortlich, einschließlich 4-Ipomeanol und Perillaketon.Basierend auf der erfolgreichen Zusammenarbeit zwischen der HNO-Klinik und dem Institut für Biochemie besteht das Hauptziel des Projekts darin, die physiologische Bedeutung von CYP4B1 während der Evolution in verschiedenen Organismen und Arten zu entschlüsseln, und die Hypothese zu testen, dass bei Menschen und Menschenaffen/Primaten andere P450 die Funktionen von CYP4B1 übernommen haben. Um dieses Ziel zu erreichen, werden drei sich gegenseitig unterstützende Ansätze verfolgt: (i) Funktionelle Aspekte des CYP4B1-vermittelten Metabolismus werden untersucht, um neue Substrate für CYP4B1 zu finden. (ii) Die Antragsteller werden die evolutionäre Entwicklung von CYP4B1 beleuchten und die Zeitpunkte genau bestimmen, an denen Verluste von CYP4B1-Funktionen aufgetreten sind. Daneben wird die evolutionäre Kompensation verlorener CYP4B1-Funktionen untersucht, indem geprüft wird, ob andere Cytochrom P450 Monooxygenasen verlorene CYP4B1-Funktionen kompensieren können. (iii) Schließlich werden strukturelle Aspekte der CYP4B1-Wechselwirkung mit Substraten und Inhibitoren untersucht, um die Ergebnisse der funktionellen und evolutionären Untersuchungen zu ergänzen und zu erklären.Die Teams dieses Tandemprojekts verfügen über alle erforderlichen Fachkenntnisse und Mitarbeiter, um die beschriebenen unterschiedlichen Aspekte dieses orphanen CYP4B1 gründlich zu analysieren und seine physiologische(n) Funktion(en) endgültig zu entschlüsseln.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Privatdozent Dr. Michael Hutter