Regulation der Eisen-Schwefel Zentren und Funktionen zweier Radikal-SAM-Enzyme durch einen gemeinsamen Elektronendonor aus Hefe?

• Antragsteller: Professor Dr. Raffael Schaffrath
• Fachliche Zuordnung: Stoffwechselphysiologie, Biochemie und Genetik der Mikroorganismen ; Allgemeine Genetik und funktionelle Genomforschung ; Biologische und Biomimetische Chemie
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 311022465

Eisen-Schwefel (Fe/S) Zentren in Radikal-SAM-Enzymen nutzen Elektronen zur reduktiven SAM-Spaltung und Radikalbildung für viele biochemische Reaktionen, die für alle Zellen (inklusive unserer eigenen) wichtig sind. So korrelieren Störungen in Radikal-SAM-Enzymen beim Menschen mit Krankheiten, und schwere Neuropathien bzw Eierstock-Krebs können mit Defekten in Enzymen einhergehen, die tRNA Antikodon-Modifikation (Elongator: Elp3) bzw. die Diphthamidmodifikation (Dph1-Dph2) eines essenziellen Translationsfaktors (EF2) katalysieren. Um tRNA und EF2 Funktionen allzeit sicher zu stellen, sollten beide Enzyme ständig aktiv sein. Befunde, dass die Modifkationen an tRNAs und EF2 schwanken, lassen aber andere Schlüsse zu. Interessanterweise nutzen beide Enzyme mit Kti11 (alias Dph3) einen gemeinsamen Elektronendonor: Dph3 transferiert Elektronen auf Dph1-Dph2, und im Komplex mit Kti13 scheint Kti11 das Fe/S Zentrum von Elp3 mit Elektronen zu beliefern. Dies legt Enzymregulation mittels Elektronenfluss über einen gemeinsamen Faktor nahe. Prinzipiell mag der Kti13-Kti11 Komplex Elektronen in beide Modifikationswege leiten oder sie auf Elongator (Elp3) beschränken. Obwohl es Daten gibt, die beide Optionen unterstützen, ist die Bedeutung von Kti13 für die Diphthamidmodifkation von EF2 strittig, und eine Kombination beider Modelle, wonach Kti13 den Elektronenfluss in beide Wege ermöglicht aber mit jeweils unterschiedlichem Beitrag, ist auch möglich.Daher beabsichtigen wir in diesem SPP Projekt, die genaue Rolle von Kti13 und dessen Potenzial als Modulator des Elektronenflusses von Kti11/Dph3 auf die Fe/S Zentren der Elongator (Elp3) oder Dph1-Dph2 Enzyme aufzuklären. Dies soll neue Erkenntnisse zur Regulation von Radikal-SAM-Enzymen liefern mit dem Ziel zu verstehen, wie sich Zellen vor unphysiologischem, potenziell schädlichem Elektronentransfer schützen und biologisch relevanten sicherstellen können. Zudem sollen obige Parallelen im Elektronenfluss eröffnen, ob beide Modifikationswege funktionell verknüpft sind und innerhalb der mRNA-Translation miteinander kooperieren. Im Detail beabsichtigen wir folgende Fragen zu beantworten:- Ist Kti13 am Elektronentransfer von Kti11/Dph3 auf beide Radikal-SAM-Enzyme beteiligt?- Können Funktions-Separationsmutanten von Kti11 (und Kti13) differenzielle Fe/S Regulation anzeigen?- Gibt es einen durch Kti11/Dph3 (und Kti13) vermittelten cross-talk beider Radikal-SAM-Enzyme?Schwefeleinbau bei der Thiolierung Elongator-abhängiger tRNAs und der Synthese von Molybdän-Kofaktor (MOCO) sind nicht nur eng verknüpft mit Radikal-SAM-Reaktionen, sondern es gibt auch klare Zusammenhänge zwischen untermodifizierten tRNAs, unzureichenden Mengen an MOCO und der Krankheitsentstehung beim Menschen. Somit kommt unserem Projekt neben der biologisch grundlagen-orientierten auch eine biomedizinische Bedeutung zu, was den thematischen Bezug unseres Vorhabens zum SPP1927 Fokus Iron-Sulfur for Life unterstreicht.

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