Der Ursprung der Deubiquitinasen - Ein evolutionärer Ansatz zur Identifizierung und zum Verständnis neuer Ubiquitin- und UBL-Proteasen.

• Antragsteller: Professor Dr. Kay Hofmann
• Fachliche Zuordnung: Biochemie ; Bioinformatik und Theoretische Biologie ; Strukturbiologie
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 449991788

Die Ubiquitinierung von Proteinen ist eine posttranslationale Modifikation, die neben ihrer Bedeutung für die Proteostase auch eine Vielzahl anderer zellulärer Prozesse reguliert, darunter die Verteidigung gegen intrazelluläre Krankheitserreger. Wichtige Regulatoren der Ubiquitinierung sind die sogenannten Deubiquitinasen (DUBs), die Ubiquitin von Substraten entfernen können. Bakterien haben kein eigenes Ubiquitinsystem, besitzen aber manchmal DUBs um die Verteidigung der Wirtszelle zu umgehen. Unsere Vorarbeiten legen nahe, dass die meisten eukaryotischen Deubiquitinase-Klassen miteinander verwandt sind und sich wahrscheinlich aus einer „Proto-DUB“ entwickelt haben. Dies scheint auch für die meisten bakteriellen Deubiquitinasen zu gelten. Unser Projekt zielt darauf ab zu verstehen, welche Eigenschaften eine Protease zu einer DUB machen, und welche Faktoren die Spezifität der Deubiquitinierung bestimmen. Ein tieferes Verständnis dieser Faktoren sollte es ermöglichen, DUBs allein anhand ihrer Sequenzen zu erkennen. Dadurch sollte es möglich werden, DUBs im Genom von Bakterien und anderen Krankheitserregern zu identifizieren, die Ubiquitin-basierten Abwehrmechanismen entgegenwirken müssen, für die jedoch bisher keine Deubiquitinasen identifiziert werden konnten. Ubiquitinierung führt u.a. zum Abbau intrazellulärer Bakterien durch Autophagie, was ein großes Hindernis für das intrazelluläre Überleben der Krankheitserreger darstellt. In Vorarbeiten haben wir eine bioinformatische Strategie für die DUB-Entdeckung entwickelt, die es uns ermöglicht, auch strukturell umgelagerte Deubiquitinase-Familien und sogar solche mit verändertem aktivem Zentrum zu identifizieren. Wir werden diese Methoden verwenden, um DUBs in Genomen von medizinischer und/oder agronomisch relevanten Pathogenen zu identifizieren, einschließlich grampositiver Bakterien, für die bislang keine solche Aktivität beschrieben wurde. Wir werden auch zwei neue DUB-ähnliche Aktivitäten untersuchen, die wir kürzlich entdeckt haben: bakterielle „Ubiquitin Clippasen“ und „Trans-Ubiquitinasen“. Die erstere Enzymklasse entfernt Ubiquitin ähnlich wie eine herkömmliche DUB, spaltet Ubiquitin jedoch vor dem C-terminalen GlyGly-Motiv und nicht dahinter. Dadurch wird die Deubiquitinierung irreversibel und führt allmählich zur Zerstörung des Ubiquitinsystems des Wirts. Auf den ersten Blick erscheinen solche Clippasen ideal für Bakterien, um die Ubiquitin-basierte Wirtsabwehr außer Gefecht zu setzen. Dennoch scheinen nur wenige Bakterien Clippasen evolviert zu haben; wir werden versuchen herauszufinden, warum. Die „Trans-Ubiquitinasen“ spalten Ubiquitin-Ketten nicht einfach in ihre Monomere, sondern konjugieren das freigesetzte Ubiquitin direkt auf ein anderes Substrat. Unsere Vorhersagen sehen Enzyme mit dieser Aktivität in mehreren Krankheitserregern. Es ist daher von besonderem Interesse, wie diese Bakterien von einer Transubiquitinase profitieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen