(Wien, 04-05-2021) Oxidativer Stress ist ein biochemischer Zustand, bei dem die Menge der Sauerstoffträgermoleküle die Menge der Reduktionsmittel (auch als Antioxidantien bezeichnet) in einem Organismus übersteigt. Hohe Konzentrationen von Oxidantien können die Aktivität von Enzymen verändern und Lipide, Proteine und Nukleinsäuren schädigen. In der Zeitschrift Molecular Cell berichtet das Labor von Javier Martinez an den Max Perutz Labs über einen neuen und überraschenden Mechanismus, wie sich ein essentielles Enzym vor oxidativem Stress schützt. Die tRNA-Ligase RTCB entwickelte sich mit einem anderen Protein, dessen einziger Zweck es ist, RTCB vor Oxidation zu schützen. Dieses Protein namens PYROXD1 wird mit Myopathien beim Menschen in Verbindung gebracht und nutzt paradoxerweise ein wichtiges zelluläres Oxidationsmittel, NADP+, um seinen Partner zu schützen.
Das Auftauchen von Sauerstoff auf der Erde vor Millionen von Jahren stellte eine existenzielle Bedrohung für Organismen und die sie bildenden Moleküle dar, die sich für das Überleben unter anaeroben Bedingungen entwickelt hatten. „Für Systeme, die darauf optimiert waren, unter solchen Bedingungen zu funktionieren, war Sauerstoff tatsächlich giftig“, sagt Igor Asanovic, Erstautor und Doktorand im Martinez-Labor. Ein solches Beispiel ist das uralte Protein, auf das sich die Wissenschaftler in ihrer Studie konzentrierten, die tRNA-Ligase RTCB. Dieses Enzym ist essentiell für die Reifung von tRNAs sowie für das Spleißen einer wichtigen Boten-RNA, XBP1, die die „Unfolded Protein Response“ (UPR, dt. ungefaltete Protein-Antwort) reguliert. „Die Evolution schlug zwei Wege ein, um das Problem zu lösen. Bei Pflanzen und Pilzen ging das Protein komplett verloren und wurde durch ein anderes Protein ersetzt. Aber bei Tieren gab es, wie wir jetzt zeigen können, eine andere Lösung“, erläutert Igor Asanovic.
Die WissenschafterInnen entdeckten, dass sich RTCB mit PYROXD1 als dessen einziger antioxidativer Faktor gemeinsam entwickelt hat. „Die meisten Proteine verlassen sich auf allgemeine zelluläre antioxidative Systeme“, sagt Igor Asanovic. „Wir können nun zeigen, dass dieses Enzym über einen eigenen Schutzfaktor verfügt, der es vor Inaktivierung durch Oxidation schützt.“ Die Forscher vermuten, dass PYROXD1 einen eigentümlichen Mechanismus nutzt. Das Hauptmolekül der zellulären antioxidativen Verteidigung ist NAD(P)H, allerdings ist NADP+ ein pro-oxidativer Faktor. Als die WissenschafterInnen ihr System in vitro wiederherstellten, hat PYROXD1 das NAD(P)H in NADP+ umgewandelt, das dann eine antioxidative Wirkung auf RTCB hatte. „Wie dies auf atomarer Ebene tatsächlich funktioniert, ist allerdings noch rätselhaft“, sagt Igor Asanovic.
Es bleibt abzuwarten, ob der im Reagenzglas beobachtete Mechanismus in lebenden Zellen in gleicher Weise funktioniert und wie weit verbreitet das Konzept spezieller proteinbasierter Antioxidantien ist. Studien haben jedoch Mutationen in PYROXD1 bei menschlichen Krankheiten nahegelegt und die eigenen Daten der Wissenschaftler zeigen, dass krankheitsassoziierte Varianten von PYROXD1 die tRNA-Ligase nicht schützen. „Mich hat fasziniert, dass nicht verstanden wurde, was ein so essentielles Protein wie PYROXD1 eigentlich macht“, sagt Igor Asanovic. „Unsere Arbeit stellt die erste mechanistische Verbindung zwischen PYROXD1 und menschlichen Myopathien her. Es sind jedoch weitere Arbeiten erforderlich, um besser zu verstehen, wie sich der fehlende oxidative Schutz im Krankheitszustand genauer darstellt“, stellt er fest.
Service: Molecular Cell
The oxidoreductase PYROXD1 uses NAD(P)+ as an antioxidant to sustain tRNA ligase activity in pre-tRNA splicing and unfolded protein response
Igor Asanović, Emilia Strandback, Alena Kroupova, Djurdja Pasajlic, Anton Meinhart, Pai Tsung-Pin, Nemanja Djokovic, Dorothea Anrather, Thomas Schuetz, Marcin Józef Suskiewicz, Sirelin Sillamaa, Thomas Köcher, Rebecca Beveridge, Katarina Nikolic, Alexander Schleiffer, Martin Jinek, Markus Hartl, Tim Clausen, Josef Penninger, Peter Macheroux, Stefan Weitzer, Javier Martinez; Molecular Cell, 2021, https://doi.org/10.1016/j.molcel.2021.04.007
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1097276521003129