Selektive Hydroxylierung von L-Prolin und Derivaten mit Prolinhydroxylasen - Ein Zugang zu Reaktivität und Mechanismus

• Antragsteller: Dr. Wolfgang Hüttel; Professor Dr. Erik Schleicher
• Fachliche Zuordnung: Biologische und Biomimetische Chemie ; Organische Molekülchemie - Synthese, Charakterisierung
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 246035025

• Erstellungsjahr: 2019

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Im Projekt wird die Enzymklasse der Fe2+/α-Ketoglutarat-abhängigen Hydroxylasen EPR-spektroskopisch beleuchtet. Die Untersuchung der Formation des Reaktions-Komplexes sowie des Reaktionsmechanismus der Hydroxylierung wurden an einer Reihe von ähnlichen Enzymen durchgeführt. Dabei wurde der Einfluss der Anlagerung von Kosubstraten, Substraten und Inhibitoren genauer untersucht. Während in gewöhnlichen Puls-EPR Experimenten kaum Unterschiede der verschiedenen Enzyme detektiert werden konnten, konnten mit komplexeren EPR-Methoden wie ESEEM oder HYSCORE Unterschiede in der Bindung von Reaktionspartnern am aktiven Zentrum aufgezeigt werden. Durch Einsatz von 15N-Histidin-markiertem Enzym konnten vorliegende Stickstoff- Kopplungen aus dem Aminosäure-Rückgrat zum Eisenatom geklärt werden. Zudem erfolgt eine genaue Charakterisierung der Stickstoff-Komplexierung durch die Vergiftung des Enzyms mit Stickstoffmonoxid. Der direkte Vergleich einer Prolin- und einer Pipecolinsäure-Hydroxylase lies Rückschlüsse auf die zweite Koordinationsphäre des Eisens zu. Hierbei wurde für pilzliche Enzyme zum ersten Mal eine Änderung der Geometrie des aktiven Zentrums nach Substratzugabe nachgewiesen. Des Weiteren konnte weiterhin die direkte Nähe eines Substrat-Moleküls zum Eisenzentrum durch 13C-Markierung nachgewiesen werden. Diese Ergebnisse können in Zukunft die Aufklärung der genauen Ausrichtung der Substrate zum aktiven Zentrum ermöglichen. Die spektroskopische Analyse des Prolin-Pipecolinsäure-Systems kann als Paradebeispiel für die ganze Enzymklasse dienen, wie Regio- und Stereoselektivität moduliert werden. Zusätzlich konnte in einem weiteren Projekt nachgewiesen werden, dass Deferasirox in Anwesenheit des Enzyms JMJD2A nicht als Eisen-Chelator fungiert und das Eisenatom aus dem aktiven Zentrum extrahiert, sondern als Inhibitor daran komplexiert.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• (2019) The Clinically Used Iron Chelator Deferasirox Is an Inhibitor of Epigenetic JumonjiC Domain-Containing Histone Demethylases. ACS chemical biology 14 (8) 1737–1750
  Roatsch, Martin; Hoffmann, Inga; Abboud, Martine I.; Hancock, Rebecca L.; Tarhonskaya, Hanna; Hsu, Kuo-Feng; Wilkins, Sarah E.; Yeh, Tzu-Lan; Lippl, Kerstin; Serrer, Kerstin; Moneke, Isabelle; Ahrens, Theresa D.; Robaa, Dina; Wenzler, Sandra; Barthes, Nic
  
• (2014) Pneumocandin Biosynthesis: Involvement of a trans-Selective Proline Hydroxylase, ChemBioChem 15, 2365–2369
  Houwaart, S., Youssar, L., and Hüttel, W.
  
• (2015) The toolbox of Auricularia auricula-judae dye-decolorizing peroxidase – Identification of three new potential substrate-interaction sites, Arch Biochem Biophys 574, 75–85
  Strittmatter, E., Serrer, K., Liers, C., Ullrich, R., Hofrichter, M., Piontek, K., Schleicher, E., Plattner, D. A.
  
• (2016) Regio- and Stereoselective Hydroxylation of Amino Acids – New Fungal Proline Hydroxylases, Dissertation, Institut für Pharmazeutische Wissenschaften, Albert-Ludwigs-Universität Freiburg
  Houwaart, S.
  
• (2017) Pipecolic Acid Hydroxylases: A Monophyletic Clade among cis-Selective Bacterial Proline Hydroxylases that Discriminates L-Proline, ChemBioChem 18, 1523–1528
  Mattay, J., and Hüttel, W.
  
• (2017) Selective Activation of Csp3–H Bonds with Fe(II)-Dependent Non-heme Dioxygenases, Habilitationsschrift, Universität Freiburg
  Hüttel, W.
  
• (2017) Selectivity and Substrate Specificity in Proline and Pipecolic Acid Hydroxylases, Dissertation, Institut für Pharmazeutische Wissenschaften, Albert-Ludwigs-Universität Freiburg
  Mattay, J.
  
• (2017) Structural Diversity in Echinocandin Biosynthesis: the Impact of Oxidation Steps and Approaches toward an Evolutionary Explanation, Z. Naturforsch., C: Biosci. 72, 1–20
  Hüttel, W.
  
• (2018) Cryptic Production of trans-3-Hydroxyproline in Echinocandin B Biosynthesis, Appl. Environ. Microbiol. 84, e02370-02317
  Mattay, J., Houwaart, S., and Hüttel, W.
  
• (2018) Das komplexierte Eisenion als Katalysator in verschiedenen Elektronentransferprozessen, Dissertation, Institut für Physikalische Chemie, Albert-Ludwigs-Universität Freiburg
  Serrer, K.