Struktur und Mechanismus bakterieller Kollagenasen

Kollagen ist das häufigste und gleichzeitig eines der stabilsten Proteine im Menschen. In einer Vielzahl physiologischer sowie pathologischer Prozesse spielt der Ab- und Umbau der Kollagenmatrix eine entscheidende Rolle. Nur wenige spezialisierte Enzyme, die Kollagenasen, vermögen das tripel-helikale, zwirnartig aufgefaltete Kollagen zu spalten. Dabei wird zunächst der Dreifachzwirn lokal entfaltet, dass nachfolgend die Spaltung der separierten Polypeptidketten erfolgen kann. Kollagenasen der Wirbeltiere gehören zur sehr gut studierten Proteinfamilie der MMPs, von denen auch exakte dreidimensionale Strukturmodelle vorliegen. Dagegen existieren derzeit nur vergleichsweise rudimentäre Kenntnisse über den räumlichen Aufbau mikrobieller Kollagenasen. Diese haben sich von den MMPs unabhängig entwickelt. Die jahrzehntelange intensive Arbeit auf clostridialen Kollagenasen hat unter anderem eine Vielzahl biotechnologischer Anwendungen gezeitigt. Zusätzlich bietet sich bei pathogenen Stämmen wie Clostridium histolyticum oder C. tetani, mit den Kollagenasen ein hochkarätiges Zielmolekül für die Wirkstoffentwicklung an. In dem vorliegenden Antrag schlagen wir die Kristallstrukturaufklärung von drei verwandten mikrobiellen Kollagenasen aus C. histolyticum und C. tetani vor. Diese drei Enzyme unterscheiden sich in wichtigen Details ihrer Domänenstruktur. Damit repräsentieren sie ideale Kandidaten um in einer vergleichenden Studie die Rolle der einzelnen Domänen dieser Mosaikproteine aufzuklären sowie ein tiefgehendes Verständnis für das Zusammenspiel dieser Domänen bei der komplexen Katalyse der Kollagenspaltung zu entwickeln.

Kollagen macht rund ein Drittel aller Proteine im menschlichen Körper aus. Es findet sich in Knochen, Knorpeln und Sehnen ebenso wie in der Haut und verleiht als extrazelluläre Matrix den Organen ihre Form. Aufgebaut ist Kollagen wie ein wie ein Zwirnfaden, wobei sich drei einzelne Proteinketten zu einer Tripelhelix spiralförmig verdrehen. So erreichen die Kollagenfasern besonders hohe Zugfestigkeit und Stabilität. Beim natürlichen Gewebeumbau und bei der Wundheilung muss Kollagen ständig erneuert und wiederaufgebaut werden. Schleichen sich dabei Fehler ein, kommt es zu Vernarbungen und Verhärtungen, so genannte Fibrosen.Für den Abbau des widerstandsfähigen Kollagens sind hochspezialisierte Enzyme notwendig, die sogenannten Kollagenasen. Diese werden auch von bestimmten Bakterien (Clostridien) produziert, die dadurch das Kollagen im Bindegewebe abbauen und sich dadurch rasch ausbreiten können. Der genaue Mechanismus des Kollagen-Abbaus war bisher unklar.Im Rahmen des FWF-geförderten Projektes gelang es nun an der Universität Salzburg die Kristallstruktur der clostridialen Kollagenase G zu bestimmen und den enzymatischen Mechanismus des Kollagen-Abbaus weitgehend zu entschlüsseln.Die Kollagenase weist eine zangenartige Architektur auf. Dabei ist das enzymatische Reaktionszentrum vollständig in einer Zangenbacke enthalten. Für den Abbau von Kollagen ist allerdings die zweite Zangenbacke zwingend erforderlich. Der Strukturanalyse folgend helfen die beiden Zangenbacken zusammen, um das gezwirnte Kollagenmolekül aufzuwinden und in einem zweiten Schritt die entzwirnten, einzelnen Peptidketten zu spalten. Dies geht mit einer Domänenbewegung einher, die durch die Dehydratisierung des Kollagenmoleküls entropisch angetrieben wird. Dieser zweistufige Reaktionsmechanismus wird durch Mutagenese-Studien unterstützt. Bemerkenswert ist auch das Zusammenspiel zweier Metalle im Reaktionszentrum der Kollagenase. Die Metalle stellen eine Möglichkeit zur Regulation der Enzymaktivität dar. Diese strukturellen und enzymatischen Arbeiten unterstützen eine Vielzahl biotechnologischer und pharmazeutischer Anwendungen. So werden Kollagenasen schon jetzt bei der Behandlung von Erkrankungen des Bindegewebes der Handinnenfläche (Morbus Dupuytren) oder bei Inselzelltransplantationen zur Behandlung von Diabetes eingesetzt.