Strukturelle und funktionelle Analyse des humanen Glykogen entzweigenden Enzyms, eines der Schlüsselenzyme des Glykogenmetabolismus

• Antragsteller: Dr. Christian Roth
• Fachliche Zuordnung: Strukturbiologie
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 552217538

Der Glykogenstoffwechsel ist von fundamentaler Bedeutung für den Energiehaushalt des menschlichen Körpers. Für den Glykogenkreislauf sind fünf Enzyme essentiell. Der Aufbau erfolgt über Glycogenin als Startpunkt, durch zwei weitere Enzyme, die Glykogensynthase und das Glykogenverzweigungsenzym wird dann der Glykogenpartikel aufgebaut. Der Abbau, und somit die schnelle zur Verfügungstellung von Energie, erfolgt durch die Glykogenphosphorylase und das Glykogen-Entzweigungsenzym (glycogen debranching enzyme (GDE)). Mutationen in einem dieser Schlüsselenzyme führt zu vielfältigen Krankheiten, die insgesamt unter dem Begriff der Glykogenspeicherkrankheiten zusammengefasst sind. Änderungen im Glykogenmetabolismus spielen ebenfalls bei der Entwicklung von Krebs eine Rolle. So ist die GDE als Suppressor in Blasenkrebs identifiziert wurden. Trotz der normen Bedeutung dieser Enzyme sind die humanen Vertreter kaum funktionell und strukturell im Detail charakterisiert. Das vollumfängliche Verständnis der Funktion der einzelnen Enzyme in diesem komplexen hochregulierten dynamischen System ist jedoch unerlässlich, um zu verstehen wie es durch Mutationen zu den verschiedenen phänotypischen Manifestationen der Glykogenspeicherkrankheiten kommt und wie die GDE den Glykogenstoffwechel beeinflusst. Nur so lassen sich gezielte Therapien entwickeln und das dynamische Glykogengleichgewicht in die gewünschte Richtung beeinflussen. Mit der Weiterentwicklung chemischer Synthese- und strukturbiologischen Methoden sind wir jetzt in der idealen Position diese fundamentalen Fragen zum Glykogenstoffwechsel zu beantworten. Wir werden durch eine Kombination aus experimentellen Methoden, Kryo-EM, Kristallographie, NMR, Enzymbiochemie, zusammen mit bioinformatischen Methoden und automatischer chemischer Glykansynthese die Struktur und Funktion des humanen Glykogen-Entzweigungsenzyms (GDE) und seine Rolle im Glykogenstoffwechsel und Energiehaushalt des Menschen bestimmen. Dabei werden wir die Funktion der einzelnen Strukturelemente bestimmen und Ihre Rolle für die Aktivität des Enzyms bestimmen. Weiterhin werden wir bestimmen, wie das Enzym mit dem Glykogenpartikel selbst und anderen im Glykogenstoffwechsel aktiven Enzymen und Proteinen interagiert, um einen optimalen schnellen Abbau des Glykogens für die Energiegewinnung zu erreichen. Ebenfalls werden wir regulatorische Prinzipien und Mechanismen aufklären. Die erhaltenen Ergebnisse werden ebenfalls zu einem tieferen Verständnis der Rolle einzelner Mutationen auf die Aktivität des Enzyms und damit der phänotypischen Ausprägungen der Glykogenspeicherkrankheit 3 (GSD3) führen und die Rolle der Mutationen der GDE im Zellmetabolismus definieren. Dies wird dann erlauben gezielte Therapien zu entwickeln, die diese Abnormalitäten im dynamischen Glykogengleichgewicht korrigieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen