Molekulare Mechanismen der S-Adenosyl-L-Homocystein Toxizität

S-Adenosyl-L-Methionin (AdoMet)-abhängige Methylierung spielt eine zentrale Rolle bei der Regulation zahlreicher biologischer Prozesse. Mehr als 50 AdoMet-abhängigen Methyltransferasen sind derzeit bekannt, die ein weites Spektrum an Biomolekülen wie Nukleinsäuren, Proteinen und Phospholipiden methylieren. Damit beeinflussen und steuern diese Enzyme zahlreiche zelluläre Prozesse wie z.B. Genexpression, Signalübertragung und Fettstoffwechsel. Alle AdoMet-abhängigen Methylierungsreaktionen sind durch die Bildung des Nebenproduktes S-Adenosyl-L- Homocystein (AdoHcy), einem starken Produkthemmer, gekennzeichnet. Die Akkumulation von AdoHcy ist mit einer Reihe von metabolischen Veränderungen und mehreren Krankheiten verbunden. Es ist derzeit nicht bekannt, welche AdoMet-abhängigen Methylierungsreaktionen am empfindlichsten auf die Akkumulierung von AdoHcy reagieren und welche Rolle eine Funktionsstörung der einzelnen AdoMet-abhängigen Methylierungsreaktionen in der Krankheitsentstehung spielt. Diesem Projekt liegt die Hypothese zugrunde, dass kritische Methylierungsreaktionen durch eine AdoHcy- abhängige Inhibierung für die Zelle limitierend werden. Genaue Kenntnisse der AdoHcy-sensitiven Methylierungsreaktionen als auch der durch AdoHcy beeinflussten zellulären Prozesse und Mechanismen sind für das Verständnis von AdoHcy-assoziierten Krankheiten notwendig. Bemerkenswert ist dass viele Krankheitsbilder, die als Folge einer AdoHcy-Akkumulierung entstehen, mit dem Fettstoffwechsel zu tun haben. Phospholipid- Methylierung ist der Hauptverbraucher von AdoMet im Organismus und wir vermuten daher dass die durch AdoHcy bewirkte Inhibierung der Phospholipid-Methylierung eine Schlüsselrolle bei AdoHcy-assoziierten Krankheiten spielt. Die beobachteten Veränderungen der Phospholipidzusammensetzung erklären auch weitere Effekte, wie zB Störungen der Funktion des endoplasmatischen Reticulums und die Akkumulierung von Fettsauren, Triglyceriden und Sterolen. Ziel dieses Projektes ist es daher unter die Verwendung von Hefemutanten und kultivierten Säugerzellen als experimentellen Systemen die molekularen Mechanismen der durch AdoHcy induzierten Störungen im Fettstoffwechsel aufzuklären. Daraus erwarten wir nähere Rückschlüsse über die pathologischen Mechanismen eines fehlgesteuerten AdoHcy- bzw. AdoMet-Stoffwechsels beim Menschen und die daraus resultierenden Erkrankungen.

Homocystein (Hcy) ist eine nicht proteinbildende Aminosäure, die im Zuge der Demethylierung von Methionin entsteht und entweder wieder zurück zu Methionin oder weiter zu Cystein umgebaut wird. Die Erhöhung des Hcy-Gehaltes im Blut wird Hyperhomocysteinämie (HHcy) genannt. Dies ist ein weitverbreiteter pathologischer Zustand, welcher bei 5-10% der Gesamtbevölkerung und sogar bei bis zu 30% der Senioren auftritt. HHcy wird mit eine Reihe von Krankheiten assoziiert, wie z B. kardiovaskulären und neurologischen Erkrankungen, Fettleber, Insulinresistenz und Krebs. Die molekularen Mechanismen, welche mit der Entstehung von HHcy-assoziierte Krankheitsbildern im Zusammenhang stehen, sind noch nicht aufgeklärt. Bei HHcy führt die Erhöhung des Hcy-Gehaltes zur Umkehrung der Hydrolyse von S-Adenosyl-L-Homocystein (AdoHcy) und resultiert in einer AdoHcy-Akkumulierung. Es wird angenommen, dass AdoHcy der Hauptauslöser der HHcy-assoziierten pathologischen Prozesse ist. Triglyceride und Phospholipide dienen als Hauptenergiespeicher beziehungsweise als Hauptbausteine von Membranen in der Zelle. Am Beispiel von Hefe, einem etablierten eukaryotischen Modelorganismus, konnten wir zeigen, dass die Erhöhung des Hcy-Gehaltes zur Triglycerid-Akkumulierung und zu einer Veränderung der Fettsäure-Verhältnisse sowohl innerhalb der Triglyceride als auch der Phospholipide führt. Um die Rolle von AdoHcy in diesen Prozessen zu verstehen, haben wir in Hefe ein alternatives System für den AdoHcy-Abbau eingeführt. Mit Hilfe dieses Systems haben wir gezeigt, dass in Hefe die Hcy-indizierte Deregulierung des Fettstoffwechsels durch AdoHcy-Akkumulierung eingeleitet wird. Unsere Daten zeigen, dass Hcy die Fettsäure-Biosynthese an mehreren Stellen beeinflusst, darunter die Fettsäure-Synthase und die Fettsäure-Elongasen. Die Beeinträchtigung in der Synthese langkettiger Fettsäuren hat in weiteren Folge auch Einfluss auf den Sphingolipid-Stoffwechsel, da gerade diese Fettsäuren essentiell für die Sphingolipid-Synthese sind. Bei diesen Prozessen dürfte wieder AdoHcy der Hauptverursacher sein. Auch andere zelluläre Prozesse in Hefe neben dem Fettstoffwechsel sprechen auf Änderungen im Verhältnis von AdoHcy und Hcy an, darunter sowohl die Stressantwort als auch die Biogenese von Ribosomen. Zusammenfassend zeigen unsere Daten, dass Hcy hauptsächlich durch seine Umwandlung zu AdoHcy eine Reihe von tiefgreifenden Veränderungen in der Zellphysiologie von Hefe auslöst und eine regulatorische Antwort bewirkt, welche mehrere zentrale zelluläre Prozesse sowie regulatorische und metabolische Wege umfasst. Das genauere Verständnis dieser Antwort ist notwendig, um bessere Therapieansätze zur Bekämpfung von HHcy-assoziierten Krankheiten zu entwickeln.