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Projekt
Biochemische und strukturelle Charakterisierung der Dejodasen aus Säugern als zentraler Regulatoren des Thyroidhormonmetabolismus
Antragsteller
Professor Dr. Ulrich Schweizer; Professor Dr. Clemens Steegborn
Fachliche Zuordnung
Endokrinologie, Diabetologie, Metabolismus
Förderung
Förderung von 2015 bis 2021
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 280029505
Thyroxin (T4) ist das Hauptprodukt der Schilddrüse. Durch ortsspezifische Dejodierung wird T4 umgesetzt zu T3, dem Rezeptor-bindenden Hormon. Eine weitere Dejodierung, von T3 zu T2, führt zur Inaktivierung. Dejodierung und Decarboxylierung von Thyroidhormonen (TH) führt zur Bildung von Thyronaminen, TAM. Alle diese TH Dejodierungen werden von einer Familie von drei Jodothyronin-Dejodasen (Dio1, Dio2, Dio3) katalysiert, die sich darin unterscheiden, von welchem der zwei aromatischen Ringsysteme der TH sie Jod entfernen können. Die Dejodase-Isoformen sind evolutionär verwandt. Sie weisen signifikante Sequenzhomologien auf und haben fast alle strukturellen und katalytischen Eigenschaften gemeinsam. Dejodasen besitzen im Aktivzentrum ein Selenocystein (Sec) und am N-Terminus eine Transmembranregion, die an der katalytisch essentiellen Dimerisierung beteiligt ist. Als zentrale Enzyme des TH Metabolismus sind Dio attraktive Wirkstofftargets, und die Entwicklung Isoform-spezifischer Inhibitoren wäre mit Hinblick auf klinische Anwendungen sehr wünschenswert. Die Entwicklung von Dio-Wirkstoffen wurde durch mangelnde Informationen zu Struktur und Katalyse dieser Enzyme behindert. Die Membranständigkeit und das enthaltene Sec erschweren die effiziente rekombinante Produktion von Säugerdejodasen für strukturelle und funktionelle Studien. Um erste Einblicke in die Katalyse der Dio zu erhalten, haben wir kürzlich eine Kristallstruktur einer inaktiven, monomeren Dio3 katalytischen Domäne gelöst. Dazu wurde eine N-terminal deletierte, lösliche Sec->Cys-Mutante verwendet. Struktur und biochemischen Ergebnisse identifizierten ein H-Brückennetzwerk im Aktivzentrum, erste Details der Substrat-Bindungsstelle und Ähnlichkeiten zu Peroxiredoxinen, die einen verwandten Mechanismus für die Dio-Reduktion nach Jodfreisetzung nahelegen. Wir planen nun Dio-Struktur und -Katalyse weiter zu untersuchen, indem wir Volllänge Dio rekombinant exprimieren. Wir werden die verfügbaren katalytischen Domänen und die Volllängeproteine zur Lösung von Kristallstrukturen aktiver Dio-Dimere, oxidierter katalytischer Domänen und von Dio-Ligandenkomplexen verwenden, um so Detailinformationen zu Mechanismus und Ligandenerkennung zu erhalten. Wir werden die Proteine zudem für biochemische Experimente verwenden, insbesondere Aktivitätsstudien und massenspektrometrische Analysen, um die Rolle des H-Brückennetzwerks zu untersuchen, ebenso wie das Zusammenspiel der konservierten Cys und der Selenylsulfide/Disulfide bei der Enzymreduktion und dem Mechanismus, über den dieses System vom Thiol-Kofaktor reduziert wird. Wir werden die strukturellen und mechanistischen Erkenntnisse zur Verbesserung vorhandener und Identifizierung neuer Dio-Inhibitoren verwenden, um so potente und Isoform-spezifische Wirkstoffe zu erhalten. Diese Substanzen werden als Leitverbindungen für die Therapeutika-Entwicklung und als Hilfsmittel in physiologischen Studien zur Dio-Funktion von großem Nutzen sein.
DFG-Verfahren
Schwerpunktprogramme
