Strukturanalyse der Riboflavin Synthase aus Methanococcus jannaschii

Riboflavin (Vitamin B2) dient als Vorlaufer-Metabolit fur Flavinmononukleotid (FMN) und Flavinadenindinucleotid (FAD), welche als Cofaktoren verschiedener Oxido-reduktasen fungieren und unabdingbar in jeder lebenden Zelle benotigt werden. Riboflavin-Synthase katalysiert den terminalen Schritt in der Vitamin B2-Biosynthese. In dieser, seit uber 40 Jahren erforschten und immer noch nicht vollstandig verstandenen, komplexen Dismutationsreaktion dient ein Lumazinmolekul (6,7-Dimethyl-8-(1/-D-Ribityl)-lumazin) als Donor einer C4-Kohlenstoffeinheit gegenuber einem zweiten Lumazinmolekul. Hierbei entsteht Riboflavin und ein Pyrimidindion-Derivat, welches von der metabolisch in der Stoffwechsel-Kaskade eins weiter oben stehenden Lumazin-Synthase wieder recycelt werden kann. In den letzten Jahren konnte gezeigt werden, das die Riboflavin-Synthasen aus Hefen und Bakterien als Trimere in wasriger Losung vorliegen. Kristallographische Studien sowie Modelling-Studien legen nahe, das diese Riboflavin-Synthasen als asymmetrische Trimere aufgefast werden konnen, und folglich immer nur ein katalytisches Zentrum des Trimers zu einem Zeitpunkt kompetent ist, die Reaktion zu katalysieren. Im Detail wurde vorgeschlagen, das trimere Riboflavin-Synthasen umfangreiche Konformationsanderungen vollfuhren konnen, mit dem Resultat, das das aktive Zentrum zwischen benachbarten Monomeren temporar eine pseudo-C2-Symmetrie ausbildet. Nach diesem Modell erfolgt die Ubertragung einer C4-Kohlen¬stoffeinheit des Substrates, gebunden an der C-terminalen Domane des einen Monomers, auf die N-terminale Domane des dort befindlichen Substrates des benachbarten Monomers. In der hier vorliegenden Kristallstruktur konnte einerseits gezeigt werden, das archaeale Riboflavin-Synthasen - im Gegensatz zu den bisher bekannten (trimeren) Riboflavin-Synthasen - Homo-Pentamere darstellen, und andererseits, das die Vitamin-B2-Biosynthese in einer rigiden asymmetrischen Kavitat erfolgt, welche von zwei benachbarten Monomeren des Pentamers generiert wird. In der Komplexstruktur mit dem Substratanalogon liegen die beiden Molekule in antiparalleler Orientierung und endo-Konformation zueinander vor, welches hauptsachlich durch ein Netzwerk von H-Bruckenbindungen gewahrleistet wird. Mit den Ergebnissen dieser Studie kann gezeigt werden, das das Faltungsmuster ganzlich verschieden im Vergleich zu trimeren Riboflavin-Synthasen ist. Im wesentlichen entspricht das Faltungsmuster der dreidimensionalen Struktur der metabolisch in der Vitamin B2 Stoffwechselkaskade eins weiter oben stehenden Lumazin-Synthase. Diese weitgehend strukturelle Homologie erlaubt es uns, neue Hypothesen uber die Evolution und Ursprung dieses Stoffwechselweges zu machen. Daruber hinaus konnen die verschiedenen - allesamt hypothetischen - Reaktionsmechanismen aufgrund der Topologie der Komplexstruktur in einer Art und Weise diskutiert werden, wie es bisher nicht moglich war; im Detail auch eine Reaktionssequenz, welche im ersten Schritt eine Diels-Alder-Reaktion darstellt. Die Geometrie der Komplexstruktur last den Diels-Alderase-Mechanismus als attraktives Modell erscheinen. Das Modell der Positionierung des pentacyclischen Reaktionsintermediats belegt, das es nach Kenntnisstand der erste Prazedenzfall eines Enzyms (pentamere und trimere Riboflavin-Synthase) darstellt, das mit zwei unterschiedlichen Faltungsmustern via zwei stereochemisch unterschiedlichen Intermediaten eine Reaktion im Stoffwechsel katalysiert. Diese Resultate, bezuglich des jetzt moglichen Vergleichs der unterschiedlichen Kavitaten von Lumazin- und Riboflavin-Synthasen, sowie die jetzt mogliche Neubewertung der allesamt hypothetischen Reaktionsmechanismen, konnten von richtungsweisender Bedeutung fur die Entwicklung neuer Inhibitoren sein. Es ist zu hoffen, das diese Ergebnisse eine Hilfestellung - obgleich es sich hier um eine archaeale Riboflavin-Synthase handelt - bieten, um die Entwicklung von Agentien gegen Lumazin- und Riboflavin-Synthasen aus pathogenen Organismen aus dieser Perspektive neu zu evaluieren.