Alkylglycerol Monooxygenase in Dictyostelium discoideum

Unser Körper bildet eine faszinierende Vielfalt von Fettmolekülen (Lipiden), die wir für die Speicherung von Energie, für den Aufbau von Membranen und für die Weiterleitung von Reizsignalen in der Zelle benötigen. Ein Klasse dieser Fettmoleküle haben sind Ether-gebundene Glycero-Phospholipide. Diese kommen in vielfältigen Varianten in unserem gesamten Körper vor, und ihr Stoffwechsel und ihre Rolle sind noch weitgehend unerforscht. Wir wissen, dass diese Verbindungen für die Entwicklung des Gehirns und für die Reifung der männlichen Samenzellen wichtig sind. Alkylglycerol Monooxygenase ist nach derzeitigem Wissensstand das einzige Enzym, das die Ether- Bindung in diesen Lipiden spalten kann und damit deren nicht mehr umkehrbaren Abbau einleitet. Die von diesem Enzym durchgeführte Reaktion wurde bereits 1964 beschrieben. Es dauerte jedoch bis 2010, bis es uns im Rahmen des vorangegangenen Projektes gelang, der Reaktion eine Proteinsequenz zuzuordnen. Diese Zuordnung ermöglichte es uns einerseits, das Enzym mit den modernen Methoden der Molekularbiologie in Zellen zu verändern und die Auswirkungen zu studieren und andererseits, die vielfältigen, bereits vorhandenen Datenbanken für Gen-Assoziationsstudien auf Zusammenhänge zwischen Alkylglycerol Monooxygenase und Krankheiten zu durchsuchen. Zu unserer Überraschung schlagen diese einen Zusammenhang zwischen Alkylglycerol Monooxygenase und zellulärer Differenzierung in der Embryonalentwicklung vor. Aus vorbereitenden Versuchen, und aus dem Studium der wissenschaftlichen Literatur haben wir eine Hypothese erarbeitet, die den Zusammenhang zwischen veränderter Alkylglycerol Monooxygenase und der zellulären Entwicklung erklärt. Nach dieser Hypothese verändern sich je nach Alkylglycerol Monooxygenase Aktivität in den Zellen die Spiegel von Ether-gebundenen Glycero-Phospho-Inositolen, die dann über Phosphorylierungs-Kaskaden und den wnt-Signalweg die Zelldifferenzierung beeinflussen. In dem vorliegenden Projekt wollen wir unsere Arbeitshypothese mit Untersuchungen in der sozialen Amöbe Dictyostelium discoideum testen. Dieser eukaryonte Modell-Organismus enthält Gene für Alkylglycerol Monooxygenase und für jene Proteine, von welchen wir vermuten, dass sie im Wirkmechanismus von Alkylglycerol Monooxygenase auf die Zelldifferenzierung eine Rolle spielen. Dictyostelium bietet den großen Vorteil, dass er nur einen Chromosomensatz enthält, und ein verhältnismäßig einfaches Genom aufweist. Dadurch lassen sich leicht Stämme mit gezielt veränderten biochemischen Eigenschaften herstellen. Die zelluläre Differenzierung in diesem Organismus ist sehr gut beschrieben und ausgefeilte Methoden zum Entdecken kleiner Veränderungen in diesem Vorgang sind etabliert. Um unsere Arbeitshypothese zu testen, planen wir, Dictyostelium Stämme mit veränderter Alkylglycerol Monooxygenase Aktivität herzustellen und die Auswirkung dieser Veränderungen auf die zelluläre Differenzierung und auf das Lipidom (das ist die Gesamtheit der enthaltenen Fettmoleküle) zu studieren. Wir planen in diesen Stämmen, gezielt die Proteine zu verändern, von denen wir annehmen, dass sie an der Wirkung der Alkylglycerol Monooxygenase beteiligt sind, und wollen beobachten, ob dadurch die Zelldifferenzierung verändert wird. Damit wollen wir die Mechanismen erklären, mittels welcher Alkylglycerol Monooxygenase zu veränderter Embryonalentwicklung im Menschen führen kann.

Alkylglycerol Monooxygenase ist ein Enzym, das im Stoffwechsel einer besonderen Klasse von Fett-Verbindungen benötigt wird, den Etherlipiden. Etherlipide sind in unserem Körper relativ häufig, sie kommen in den Membranen unserer Zellen vor allem im Gehirn und in den Zellen des Immunsystems vor. Etherlipide sind im Vergleich zu anderen Lipiden bisher wenig untersucht worden. Ein spezielles Etherlipid, der Blutplättchen aktivierende Faktor, ist ein sehr aktiver Vermittler der Entzündungsreaktion. Alkylglycerol Monooxygenase ist das einzige Enzym, das in der Lage ist, die Etherbindung der Alkylglycerole zu spalten. Diese Enzymreaktion wurde 1964 erstmals beschrieben. Sie benötigt zusätzlich zum Luftsauerstoff den Cofaktor Tetrahydrobiopterin, eine dem Vitamin Folsäure ähnliche Verbindung, die unser Körper aber selbst herzustellen vermag. In vorangegangenen, ebenfalls vom fwf geförderten Arbeiten konnten wir das Gen finden, das den Bauplan für die Alkylglycerol Monooxygenase enthält. Damit eröffnete sich für uns die Möglichkeit, mit den Werkzeugen der modernen Molekularbiologie die Fähigkeit von Modellorganismen Ether Lipide zu spalten zu verändern, und damit die Rolle dieser Stoffwechselreaktion auf das Verhalten des Organismus zu studieren. Für dieses Projekt wählten wir Dictyostelium discoideum als Modellorganismus aus. Dictyostelium discoideum ist ein Schleimpilz, der im Boden wächst. Er ist ein faszinierendes Modellsystem, da er in Form einzelner getrennter Zellen wächst, die in Zusammenarbeit dann gemeinsam einen Fruchtkörper ausbilden können, der dann Sporen freisetzt. In der Vergangenheit wurden mehrere grundlegende biochemische Reaktionen in diesem Schleimpilz entdeckt, die sich später auch als bedeutend für den Menschen herausgestellt haben. Wir stellten Stämme von Dictyostelium discoideum her, denen entweder die Alkylglycerol Monooxygenase fehlte, oder die einen stark erhöhten Anteil von Alkylglycerol Monooxygenase aufwiesen und studierten das Verhalten dieses Schleimpilzes unter verschiedenen Bedingungen im Labor. Wir untersuchten die oben erwähnte Bildung von Fruchtkörpern, die Wanderung zu Nahrungsquellen und zum Licht, sowie das Wachstum auf Bakterienrasen im Vergleich zu Wachstum auf flüssigem Nahrungsbrei. Überraschenderweise fanden wir, dass das Verhalten des Organismus weitgehend unabhängig davon war ob er das Enzym Alkylglycerol Monooxygenase enthielt oder nicht. Lediglich das Wachstum auf Bakterien war in Abwesenheit der Alkylglycerol Monooxygenase beeinträchtigt. Auf flüssigem Nahrungsbrei wuchs der Schleimpilz aber gleich gut unabhängig vom Gehalt an Alkylglycerol Monooxygenase. Dictyostelium discoideum unterscheidet sich in dem Stoffwechsel des für die Alkylglycerol Monooxygenase benötigten Cofaktors vom Menschen. Im Gegensatz zu Tetrahydrobiopterin synthetisiert er ein verwandte Verbindung die Tetrahydrodictyopterin genannt wird. Wir konnten zeigen, dass die Alkylglycerol Monooxygenase aus Dictyostelium discoideum mit Tetrahydrodictyopterin besser arbeiten kann als mit Tetrahydrobiopterin. In vorangegangenen Arbeiten aus einem anderen Labor war vorschlagen worden, dass Tetrahydrodictyopterin von Dictyostelium discoideum lediglich als Oxidationsschutz hergestellt wird. Unsere Daten zeigen aber klar, dass es als Cofaktor für Enzyme wirkt, die auch für diese spezielle Verbindung massgeschneidert sind.