Ursachen und biologische Bedeutung der Promiskuität moderner Enzyme aus der Histidinbiosynthese

• Antragsteller: Professor Dr. Rainer Merkl; Professor Dr. Reinhard Sterner
• Fachliche Zuordnung: Biochemie ; Bioinformatik und Theoretische Biologie
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 398497149

Die patchwork-Hypothese postuliert, dass in der Frühphase der Evolution nur wenige Enzyme existierten, die eine große Zahl ähnlicher Substrate in unterschiedlichen Biosynthesewegen umsetzten. Aus diesen promiskuitiven Vorläuferenzymen wären dann durch Genduplikation und Diversifikation spezialisierte Enzyme entstanden, welche jeweils nur ein Substrat in einem Biosyntheseweg umsetzen. Die Realität ist jedoch komplizierter, insofern auch viele moderne Enzyme promiskuitiv sind. Prominente Beispiel dafür sind HisC (Histidinolphosphat Aminotransferase) bzw. HisB (Histidinol Phosphatase) aus der Histidinbiosynthese, welche mit messbarer Effizienz auch die Reaktionen der homologen Enzyme SerC (Phosphoserin Transaminase) bzw. SerB (Phosphoserin Phosphatase) aus der Serinbiosynthese katalysieren können. Bisher ist unklar i) warum moderne His-Enzyme promiskuitiv sind und ii) welche Faktoren generell die Evolvierbarkeit hin zu spezialisierten Enzymen bestimmen. Zur Beantwortung dieser Fragen planen wir eine Kombination aus bioinformatischer Analyse mit molekularbiologischen und biochemischen Experimenten. Bezüglich Fragenkomplex i) soll untersucht werden, ob die Promiskuität moderner HisC und HisB Enzyme eine schon bei rekonstruierten Vorläuferenzymen vorliegende Eigenschaft ist und ob Promiskuität in Organismen ohne SerC und SerB Enzyme stärker ausgeprägt ist als in Organismen mit diesen Enzymen. Bezüglich Fragenkomplex ii) wollen wir klären, ob die Promiskuität durch Proteindesign gesteigert werden kann bzw. ob sie sich verringern lässt ohne gleichzeitig die nativen Aktivitäten zu eliminieren. Mithilfe von in silico Analysen wollen wir zusätzlich den Beitrag von Genduplikationen und anschließender Diversifikation zur Flexibilität und Robustheit metabolischer Netzwerke bewerten. Basierend auf den dabei erzielten Ergebnissen möchten wir weitere Enzyme identifizieren, die mit hoher Wahrscheinlichkeit promiskuitiv sind.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen