Wie Enzyme Zuckerbäume bauen

Viele Membranproteine werden in Zellen h?herer Lebewesen mit komplexen Strukturen aus Zuckermolek¨¹len, sogenannten Glykanen, best¨¹ckt. Diese molekularen Zuckerb?umchen sind nicht nur ?usserst vielf?ltig, sondern auch charakteristisch f¨¹r den jeweiligen Organismus, einen Zelltyp oder dessen Differenzierunsgrad. Unterschiedliche Glykane sind zum Beispiel auch der Schl¨¹ssel zu den unterschiedlichen Blutgruppen beim Menschen.

Eine besondere Klasse der Glykane sind mit Lipiden verkn¨¹pfte Zuckermolek¨¹le: Lipid-gebundene Oligosaccharide. Diese bestehen aus einem Fettmolek¨¹l, das in der Zellmembran verankert ist, und einem Zuckerteil, der entweder ins Innere von Zellorganellen oder in den Zellaussenraum ragt.

Forscher der ETH Z¨¹rich, der Universit?t Bern sowie der Universit?t Chicago haben nun die Struktur eines der Enzyme aufgekl?rt, welche f¨¹r den Aufbau der Lipid-gebundenen Oligosaccharide  verantwortlich sind. Die entsprechende Studie ist in der j¨¹ngsten Ausgabe des Fachmagazins Nature erschienen.

Modulare Architektur von Proteinen

Das gefundene Enzym namens ALG6 ist Mitglied einer ganzen ?berfamilie von Enzymen, welche die Forscher als Glykosyltransferasen der Kategorie C bezeichnen. Sie sitzen in Zellmembranen und koppeln einfachere Zuckermolek¨¹le an andere Zucker, um Zuckerb?umchen aufzubauen. Sie verkn¨¹pfen zudem Zuckermolek¨¹le und sogar ganze Zuckerb?umchen mit Proteinen. Damit ¨¹bernimmt diese Enzymfamilie mehrere biologische Schl¨¹sselrollen, und zwar in allen m?glichen Organismen von Bakterien ¨¹ber Pilze bis hin zu hochentwickelten S?ugetieren.

F¨¹r Biologen war diese Enzym¨¹berfamilie lange ein R?tsel, da die Strukturen der einzelnen Familienmitglieder kaum Gemeinsamkeiten aufweisen. Der einzige gemeinsame Nenner war, dass es sich um Membranproteine handelt, welche Zucker von einem Molek¨¹l auf ein anderes transferieren und dass die f¨¹r den Transfer verwendeten Zucker immer an Lipide gekn¨¹pft sind.

Mit Hilfe der Struktur von ALG6 fand die von ETH-Professor Kaspar Locher angef¨¹hrte Gruppe nun heraus, dass die Mitglieder dieser Enzymfamilie modular aufgebaut sind. Es scheint, als ob die ALG6 und seine Verwandten aus einem Modul, dessen Struktur in der Entwicklungsgeschichte erhalten blieb, sowie aus einem zweiten strukturell variablen Modul bestehen.

?Wir vermuten, dass es der modulare Aufbau den Enzymen erm?glichte, sich in  verschiedene Richtungen zu entwickeln und somit ein weites Spektrum an verschiedenen Substraten zu erschliessen und umzusetzen?, sagt Jo?l Bloch, Doktorand in Lochers Gruppe und Erstautor der Studie.

Die Forschungsergebnisse erkl?ren erstmals den Mechanismus dieser Enzymfamilie. ?Dies hat weitreichende Auswirkungen f¨¹r die Zellbiologie sowie f¨¹r die Herstellung therapeutischer Substanzen, die auf der Zuckerbiologie beruhen?, so der ETH-Doktorand. Insbesondere die Herstellung von massgeschneiderten therapeutischen Antik?rpern, an denen die Pharmaindustrie stark interessiert ist, k?nnten von den neuen Erkenntnissen profitieren.

Rekord in der Kryo-Elektronenmikroskopie

Die Forschenden sehen ihre Resultate zudem als Durchbruch in der Aufkl?rung von Molek¨¹lstrukturen von Proteinen mittels Kryo-Elektronenmikroskopie (Kryo-EM). Die bahnbrechende Technologie, f¨¹r welche 2017 der Chemienobelpreis unter anderen an den Waadtl?nder Jacques Dubochet vergeben wurde, hat sich zur wichtigsten Methode bei der Strukturaufkl?rung von grossen Molek¨¹lkomplexen gemausert. Die hochaufl?sende Strukturaufkl?rung kleiner Proteine, insbesondere von solchen, die in Membranen eingebettet sind, gelang damit hingegen nicht. Der Grund: die Mikroskopie-Daten von kleinen gemessenen Partikeln verunm?glichen pr?zise strukturelle Berechnungen in der Strukturaufkl?rung.

Die ETH-Forscher haben dieses Problem in Zusammenarbeit mit einer Forschungsgruppe der Universit?t Chicago nun l?sen k?nnen. In Zusammenarbeit mit den dortigen Forschern stellten sie einen synthetischen Antik?rper her, welcher an ALG6 bindet. Dieser Antik?rper erh?hte das Gewicht des Enzyms ALG6 so, dass dessen Struktur mithilfe der Kryo-EM hochaufgel?st aufgekl?rt werden konnte.

?Die auf diese Weise erzielte Aufl?sung ist aktuell der Weltrekord bei der Strukturaufl?sung eines membrangebundenen Komplexes dieser Gr?sse?, sagt Kaspar Locher nicht ohne Stolz. Diese Weiterentwicklung der Kryo-EM werde es vielen anderen Wissenschaftlern erm?glichen, Strukturen von kleinen Membranproteinen aufzukl?ren. ?Dadurch wird die Wissenschaft rasch Fortschritte erzielen bei der Untersuchung von Membranproteinen, die mit einer Vielzahl von Krankheiten in Verbindung stehen?, betont der ETH-Professor.

Ein chemo-enzymatischer Baukasten

Damit nicht genug: In Zusammenarbeit mit Chemikern der Universit?t Bern entwickelten die ETH-Forschenden Synthesemethoden, mit denen sie hochkomplexe Lipid-gebundene Oligosaccharide im Labor herstellen konnten. Mit herk?mmlichen Synthesen der organischen Chemie war dies bisher nicht m?glich.

Dies wiederum bot den Forschenden neue Einblicke in den essenziellen Stoffwechselweg der Biosynthese von Lipid-gebundenen Oligosacchariden. Die Wissenschaftler k?nnen nun besser erkl?ren, wie Zellen komplexe Glykane herstellen. ?Dies ist ein Meilenstein in der Glykobiologie, der k¨¹nftig f¨¹r die Herstellung von Zucker-Protein-Verbindungen bedeutend sein k?nnte?, sagt Locher.