Allosterische Kommunikation und Untereinheiten-Spezifität in Glutaminamidotransferasen

• Antragsteller: Professor Dr. Reinhard Sterner
• Fachliche Zuordnung: Biochemie ; Strukturbiologie
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 249556939

Glutaminamidotransferasen (GATasen) sind Bienzymkomplexe, die aus einer Glutaminase- und einer Synthase-Untereinheit bestehen und den Einbau von Stickstoff in unterschiedliche Biomoleküle katalysieren. Die beiden Untereinheiten jeder GATase sind strukturell und funktionell gekoppelt, wobei die Bindung des Substrates der Synthase die Hydrolyse des an die Glutaminase gebundenen Glutamins allosterisch stimuliert. Der entstehende Ammoniak diffundiert durch einen intermolekularen Kanal zur Synthase und reagiert dort mit deren „wartenden“ Substrat zu den für die jeweilige GATase spezifischen Produkten. Im ersten Teil des Projektes möchten wir am Beispiel der Imidazolglycerinphosphat Synthase (ImGP-S; Glutaminase-Untereinheit: HisH; Synthase-Untereinheit: HisF) die molekularen Mechanismen entschlüsseln, die der Stimulation der Glutaminhydrolyse am aktiven Zentrum von HisH durch die Binding des Substrates an das aktive Zentrum von HisF zugrunde liegen. Dazu sollen, aufbauend auf den Ergebnissen der abgelaufenen Projektphase, allosterisch kompetente mit allosterisch inkompetenten ImGP-S Varianten sowie Varianten mit konstitutiver Glutaminaseaktivität durch mehrdimensionale NMR, Röntgenkristallographie und den Einbau einer nicht-natürlichen Aminosäure vergleichend analysiert werden. Ein besonderes Augenmerk gilt dabei einem konservierten Histidinrest am aktiven Zentrum von HisH sowie einem konservierten Aspartatrest von HisF, der an der Kontaktfläche zu HisH liegt und eine entscheidende Rolle für die Stimulation der Glutaminhydrolyse zu spielen scheint. Im zweiten Teil des Projektes möchten wir die strukturellen Grundlagen analysieren, die zur Ausbildung der spezifischen Glutaminase-Synthase Interaktionen innerhalb der unterschiedlichen GATasen führen. Dazu wollen wir zunächst durch rationales Proteindesign eine promiskuitive Glutaminase, die mit zwei unterschiedlichen Synthasen interagiert, in eine spezifische Glutaminase, die mit nur einer Glutaminase wechselwirkt, überführen. In der abschließenden Projektphase wollen wir durch Computer-basiertes positives und negatives Proteindesign die Interaktionsspezifität einer Glutaminase vollständig ändern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen