Koordination der methylierung und der Lipidbiosynthese

Lipidmetabolismus gehört zu den wichtigsten energieverbrauchenden zellulären Prozessen. Die Synthese von Lipiden aber auch deren Verwertung werden einer strengen und komplexen Kontrolle unterworfen. Diese Kontrolle erlaubt auch eine dynamische Reaktion auf den metabolischen Status in der Zelle mittels einer Konservierung der Energieüberschüsse und der Kompensation des Energiedefizits. Störungen im Lipidmetabolismus sind in rapide zunehmende Zivilisations-Krankheiten involviert: Fettleibigkeit, Blutgefäßerkrankungen, Diabetes Typ II. Die molekularen Mechanismen, die zu Lipidstoffwechselpathologien führen, sind jedoch noch nicht ganz geklärt. Während unserer bisherigen Studien wurde eine koordinative Regulation zwischen der Methylierung und dem Phospholipidmetabolismus auf der Ebene von S-Adenosyl-L-homocysteinhydrolase in der Hefe S.cerevisiae identifiziert. SAH spielt eine Schlüsselrolle in der Transmethylierung, zB bei der de novo-Synthese des wichtigsten Phospholipides, Phosphatidylcholin, und der Sterolzwischenstufe Zymosterol. Unsere Studien haben gezeigt, dass sich eine Modulation der Sah1p-Aktivität auf die Biosynthese von Phospholipiden und Sterolen, aber auch von Triglyceriden auswirkt. Vom Säugern ist bekannt, daß sowohl DNA-Hypomethylierung als auch ein hohes Homocysteinniveau, die zum Teil durch die Funktion von Sah1p bestimmt werden, für Blutgefäßerkrankungen relevant sind. Sah1p nimmt daher eine Schlüsselrolle zwischen Methylierung, Homocysteinstatus und Lipidmetabolismus ein und bestimmt jene Parameter mit, die für die zelluläre Methylierung und für die balancierte Biosynthese von Lipidmolekülen wichtig sind. Das Ziel dieser Arbeit ist ein besseres Verständnis der Rolle von Sah1p, Homocystein und Methylierungspotential für den Phospholipid- und Neutral-Lipidmetabolismen und deren Regulation. Als Modellsystem wird die Hefe S.cerevisiae verwendet, die aufgrund struktureller und funktioneller Homologien eine besondere Bedeutung für die Erforschung zellulärer Prozesse in höher entwickelten Systemen erlang hat (nicht zuletzt dadurch nachgewiesen, dass der Medizin-Nobelpreis 2001 an zwei Hefeforscher verliehen wurde). Die im Projekt vorgeschlagenen Untersuchungen über die Koordinierung zwischen SAH Aktivität, Homocysteinstatus und Lipidmetabolismen ermöglichen neue Einblicke in die komplexen regulatorischen Netzwerke und molekulare Ursachen für Lipidstoffwechselstörungen.

Der Ablauf und die Regulation biologischer Prozesse sind von zahlreichen wichtigen Metaboliten abhängig. Einer dieser Metabolite S-Adenosyl-L-Methionin (AdoMet), ein sogenanntes "aktiviertes Methionin", wird von mehr als 50 Enzymen verwendet, um zelluläre Bestandteile, wie Proteine, Lipide oder Nukleinsäuren, zu modifizieren ("Methylierung"). Diese AdoMet-abhängigen Modifizierungen steuern somit zahlreiche biologische Prozesse, und unterliegen dementsprechend selbst einer ausgeprägten Regulation. Ein Hauptregulator der AdoMet-abhängigen Methylierung ist ein Enzym namens S-Adenosyl-L-Homocystein-Hydrolase (AHCY im Menschen; SAH1 in der Hefe). Eine vor kurzem entdeckte schwere genetische Krankheit, die zu AdoMet-Mangel führt (S-Adenosyl-L- Homocystein-Hydrolase (AHCY)-Defizienz), ist mit Muskelschwäche, Entwicklungsverzögerung, psychischen Störungen, Lebererkrankungen und, in Einzelfällen mit dem Tod im Kindesalter verbunden. Die vergleichsweise wesentlich häufigere Krankheit "Hyperhomocysteinemie" (erhöhter Homocystein-Spiegel im Blut) kann einen ähnlichen AdoMet-Mangel hervorrufen, und steht im Zusammenhang mit Herz- und Gefäßerkrankungen u.a. Atherosklerose, aber auch mit Demenz. Obwohl, die Bedeutung von Homocystein als Risikofaktor für Atherosklerose seit 1962 diskutiert wird, sind die Mechanismen, die zur Funktionsstörung durch mangelndes AdoMet führen, bislang nicht bekannt. In unserer Arbeit haben wir die Bäckerhefe als Modellsystem verwendet, um die Rolle der AdoMet-abhängigen Methylierung im Fettstoffwechsel zu verstehen. Dieser einfache einzellige Organismus eignet sich besonderes gut als experimentelles System für die Analyse von biologischen Prozessen, die oftmals in Hefe und vielzelligen Organismen sehr ähnlich ablaufen. Wir konnten zeigen, dass der Fettstoffwechsel extrem sensitiv auf AdoMet- Mangel reagiert, der einerseits durch eine Fehlfunktion des Enzyms SAH1, als auch durch einen erhörten Homocystein-Spiegel hervorgerufen wird. Eines der Merkmale des AdoMet-Mangels in Hefe ist die massive Akkumulation von Fett. Unsere Arbeiten konnten somit einen möglichen Mechanismus für die Entstehung von Fettstoffwechselstörungen aufzeigen, die durch AHCY-Mangel und Hyperhomocysteinemie im Menschen hervorgerufen werden.