SDR5C1: ein multifunktionelles Protein und seine pathogene Rolle

SDR5C1 ist ein multifunktionelles, mitochondriales Protein. Aufgrund seiner Struktur wird es zu der großen, in allen Lebensformen vorkommenden Enzymfamilie der Kurzkettendehydrogenasen/-reduktasen gezählt. Als Dehydrogenase ist SDR5C1 am Abbau der Aminosäure Isoleucin und kurzer, verzweigtkettiger Fettsäuren beteiligt. Gemeinsam mit dem Protein TRMT10C bildet es eine Methyltransferase, die für die Modifikation mitochondrialer Transfer-RNAs (tRNAs) verantwortlich ist. Mit einem weiteren Protein, PRORP, bildet dieser Methyltransferase- Komplex eine tRNA-prozessierende Nuklease, die Ribonuklease P genannt wird. Neben seiner Rolle im Aminosäure- und Fettsäuremetabolismus, hat SDR5C1 damit noch eine wichtige Funktion bei der Biosynthese mitochondrialer tRNAs, die für die Herstellung von Proteinen der mitochondrialen Atmungskette, und damit der zelluläre Energieproduktion benötigt werden. Mutationen im SDR5C1-Gen können eine schwere Erkrankung des Zentralnervensystems und des Herzens verursachen. In betroffenen Knaben (das Gen liegt auf dem X-Chromosom) manifestiert sich die Erkrankung etwa im Alter von einem Jahr. Kognitive und motorische Fähigkeiten lassen schnell nach, die Patienten erblinden, leiden an Epilepsie und weisen eine zunehmende Gehirnatrophie auf. Diese neurologischen Symptome werden von einer schweren, progressiven Kardiomyopathie begleitet. Die Patienten sterben meist im dritten oder vierten Lebensjahr. Wegen erhöhter Konzentrationen von Zwischenprodukten des Isoleucin-Abbaus im Urin der Patienten wurde die Erkrankung zunächst als metabolische Erkrankung eingestuft und als 2-Methyl-3-Hydroxybutyryl-CoA- Dehydrogenase-Mangel (MHBD-Mangel) klassifiziert. Symptome, klinischer Verlauf und neuere experimentelle Untersuchungen legen nahe, daß die Erkrankung ihre Ursache tatsächlich aber in einer Fehlfunktion der mitochondrialen Atmungskette hat, und nicht in einer Insuffizienz des Isoleucin-Stoffwechsels. Ziel des Projekts ist es den Pathomechanismus der durch Mutationen im SDR5C1-Gen verursachten Erkrankungen aufzuklären. Wir vermuten, daß Störungen der Funktion von SDR5C1 bei der Biosynthese mitochondrialer tRNAs für eine Unterfunktion der mitochondrialen Atmung, und damit für die Erkrankung verantwortlich sind. Diese Hypothese wollen wir mit biochemischen Methoden und mit Hilfe eines neuartigen, durch "Genome-Engineering" aus menschlichen Zellen in Kultur hergestellten Erkrankungsmodels überprüfen.

SDR5C1 ist ein Enzym des Aminosäure- und Fettsäure-Abbaus, und darüber hinaus eine Untereinheit der mitochondrialen Ribonuklease P (RNase P), welche ein Schlüsselenzym der Transfer-RNA (tRNA) Biogenese ist. Ein Teilkomplex der mitochondrialen RNase P, der auch SDR5C1 enthält, katalysiert die spezifische chemische Modifikation mitochondrialer tRNAs. Diese Modifikation wird für die strukturelle Stabilisierung letzterer verantwortlich gemacht. Mutationen im SDR5C1-kodierenden Gen verursachen eine kombinierte schwere Erkrankung des Zentralnervensystems und des Herzens; diese seltene Erkrankung wird heute als HSD10-Erkranknung bezeichnet. Im Rahmen dieses Projekts untersuchten wir die Auswirkung ausgewählter Mutationen auf die verschiedenen Funktionen von SDR5C1. So konnten wir zeigen, dass pathogene (Erkrankungen verursachende) Mutationen nicht nur, wie bereits zuvor bekannt, den SDR5C1-abhängigen Abbau von bestimmten Aminosäuren und Fettsäuren beeinträchtigen, sondern auch die in der tRNA-Biosynthese wichtige Spaltung und chemische Modifikation von tRNA-Vorstufen. Letztere, neu entdeckte Störung vermag nun tatsächlich viel besser den molekularen Mechanismus zu erklären, welcher offenbar der Fehlfunktion der Mitochondrien in HSD10-Patienten zugrunde liegt, als das die schon zuvor beobachtete Störung des Aminosäure- und Fettsäure-Abbaus vermochte. Genauer betrachtet zeigte sich, dass die untersuchten Mutationen die Struktur von SDR5C1 verändern und/oder seine Interaktion mit den anderen Untereinheiten des mitochondrialen RNase P-Komplexes stören oder unterbinden, was die Beeinträchtigung der Enzymaktivitäten nach sich zieht und letztlich zu der in den Patienten beobachteten mitochondrialen Fehlfunktion führt. Abgesehen davon führte das Projekt auch zu wichtigen konzeptionellen Fortschritten im Verständnis der molekularen Mechanismen des mitochondrialen RNase P-Multienzymkomplexes, nämlich wie und warum drei Proteine mit völlig verschiedenen enzymatischen Aktivitäten nur gemeinsam ihr tRNA-bezogenen katalytischen Funktionen wahrnehmen können.