Oxidativer Stress: enzymatische Detoxifizierung von reaktiven Carbonylverbindungen in einfachen Modellorganismen und im Menschen

• Antragsteller: Professor Dr. Edmund Maser
• Fachliche Zuordnung: Public Health, Gesundheitsbezogene Versorgungsforschung, Sozial- und Arbeitsmedizin
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 248793591

Durch Zellatmung entstehen ständig reaktive Sauerstoffspezies, die mittels Lipidperoxidation aggressive Carbonylverbindungen generieren, welche im Menschen zu Alterungsprozessen und Krankheiten beitragen. Der reduktive Metabolismus durch Enzyme der short-chain dehydrogenase/reductase (SDR) Superfamilie stellt einen wirksamen Schutz gegen diese Auswirkungen von oxidativem Stress dar. SDR übernehmen außerdem eine zentrale Rolle in der Biotransformation von anderen Endo- und Xenobiotika.An Modellorganismen konnte die große Bedeutung der Carbonyl-Reduktion bei der Entstehung von Krankheiten eindrucksvoll demonstriert werden. Untersuchungen an D. melanogaster belegen, dass die Carbonylreduktase sniffer eine protektive Funktion bezüglich altersbedingter Neurodegeneration hat und die Lebensdauer der Tiere verlängert. Wir konnten schließlich zeigen, dass sniffer ein neurotoxisches Lipidperoxidationsprodukt reduktiv detoxifiziert, das bei degenerativen Erkrankungen in den Geweben akkumuliert. In dem hier beantragten Projekt sollen mögliche funktionelle Homologe von sniffer und der humanen Carbonylreduktase 1 in Caenorhabditis elegans, Daphnia pulex/magna und Hydra vulgaris untersucht werden. Bioinformatische Voranalysen ergaben, dass Gene für sniffer und Carbonylreduktasen in diesen Modellorganismen teilweise in großer Zahl vorkommen, möglicherweise entstanden durch Genduplikationen. Insbesondere Daphnia pulex ist auf Protein-Ebene kaum charakterisiert und stellt als klassischer Testorganismus mit einer großen Anzahl von Umwelt-responsiven Genen ein besonders interessantes Modell für die Umwelttoxikologie dar. Ein weiterführender Ansatz fokussiert sich schließlich auf die humanen Carbonylreduktasen CBR1 und CBR3. Durch Struktur-Aktivitäts-Vergleich der Enzyme aus den Modellorganismen mit den beiden humanen Wildtyp-Formen und relevanten CBR3>CBR1 Übergangsmutanten sollen wichtige strukturelle Determinanten der aktiven Zentren der Enzyme identifiziert werden.Basierend auf unseren bioinformatischen Analysen sollen diese Gene kloniert, die Enzyme in prokaryotischen und eukaryotischen Systemen rekombinant hergestellt und biochemisch charakterisiert werden. Besonderes Interesse gilt einer möglichen protektiven Rolle dieser Enzyme gegenüber oxidativem Stress (Metabolisierung von Lipidperoxidationsprodukten oder AGEs Vorstufen). Durch Kristallisation und Röntgenstrukturanalyse sollen die katalytischen Hotspots der Enzyme ermittelt werden. Die Informationen können einen Einblick in die evolutionären Zusammenhänge der Entstehung von sniffer und den Carbonylreduktasen geben und einen wichtigen Beitrag zur Aufklärung deren physiologischer Rolle leisten. Die mithilfe der Modellorganismen gewonnenen Erkenntnisse können helfen, die grundlegenden zellbiologischen/biochemischen Mechanismen zu verstehen, welche auch im menschlichen Körper wirksam vor oxidativem Stress schützen und so möglicherweise alters- und krankheitsbedingter Neurodegeneration vorbeugen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen