Lars Bräuer

Modelling- und Mutationsstudien an ausgewählten prenylierenden Enzymen

Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades doctor rerum naturalium (Dr. rer. nat.) vorgelegt an der Mathematisch-Naturwissenschaftlich-Technischen Fakultät der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg
verteidigt am 24.08.2006

Abstract
Nach wie vor stellen die Isoprenoide / Terpenoide mit mehreren zehntausend Vertretern die wohl größte Klasse der Naturstoffe dar. Prinzipiell können verschiedene Klassifizierungen prenylierender Enzyme vorgenommen werden, sei es nach Art der katalysierten Reaktion, ihrer zellulären Lokalisation oder nach EC-Nomenklatur. Der Schwerpunkt dieser Arbeit lag hauptsächlich auf aromatischen Prenyltransferasen und Monoterpen-Synthasen. Der große Bedarf, Katalysemechanismen zu verstehen und das immense Produktspektrum, durch welches sich insbesondere die Terpenzyklasen auszeichnen, nachvollziehen zu können, macht das Wissen um die dreidimensionale Struktur der entsprechenden Enzyme unabdingbar. Nicht zuletzt die durch aromatische Prenyltransferasen katalysierte C-C-Bindungsknüpfung ist von außerordentlichem Interesse für die synthetisch-chemische Forschung. Lassen sich doch derartige Reaktionen oftmals nur unter relativ "harten" und unphysiologischen Reaktionsbedingungen oder unselektiv realisieren. Das Defizit an strukturellen und mechanistischen Informationen zu dieser Gruppe prenylierender Enzyme erforderte den Einsatz diverser Methoden des Molecular Modelling und der theoretischen Chemie. Hierdurch gelang die Erstellung dreidimensionaler Computermodelle, wodurch Einblicke in die Struktur der 4-Hydroxybenzoesäure oligoprenyltransferase bzw. in die Struktur zweier Terpensynthasen möglich waren. Weiterhin konnte über Dockinganalysen und quantenmechanische Berechnungen (QM, QM/MM) ein weiteres Verständnis zu Katalysemechanismen der betrachteten Enzyme ermöglicht und unter Zugrundelegung dieser in silico Analysen Ansatzpunkte für gerichtete Mutationsstudien erörtert werden. Deren Resultate sind nun einerseits ein Maß für die Aussagekraft der Modelle und andererseits die Grundlage für gezielte Veränderungen des biokatalytischen Verhaltens der Enzyme.
Alle erörterten Ergebnisse tragen zum Verständnis der Prinzipien der Biokatalyse prenylierender Enzyme bei und bilden eine Grundlage für weitere effektive Modifikationen am Mechanismus der Prenylierung bzw. Zyklisierung. Weiterhin können die dreidimensionalen Strukturen bei der Entwicklung neuer Liganden oder Inhibitoren für diese Enzyme hilfreich sein und dementsprechend verschiedene metabolische Wege in Pflanzen, Tieren oder Bakterien beeinflussen.

Prenyltransferases catalyze the formation of C-C-bonds between an electron-rich acceptor and allylic isoprenoid diphosphates as electrophiles. In contrast, terpene-cyclases are mainly responsible for the cyclization of iosprenoid compounds to a huge variety of cyclic mono-, di-, tri- and oligoterpenes. Nevertheless, both enzyme families belong to the main group of prenylating enzymes, which products are ultimately converted into over 60000 naturally occurring isoprenoid containing compounds - essential in all organisms. In E. coli, for instance, the isoprenoids ubiquinone and bactoprenol are required for respiration and cell wall biosynthesis, respectively. Up to now, for the investigated enzymes there is no X-ray structure known. Only limited similarities or in very few cases homologous proteins could be found. Molecular modeling in combination with site directed mutagenesis should help to explain the substrate specificity and to explore the evolutionary origin of both classes of enzymes. Based on these modeling analyses, amino acids identified as important to the catalysis mechanism were selectively replaced to obtain new mutants. All mutants were tested for their ability to form the expected products and then compared to the wildtype-enzymes. The results in all cases confirm the involvement of the mutated amino acids in the catalysis mechanism and were used as basis for comprehensive quantum mechanical investigations (docking, QM/MM). Finally all findings allow a deeper insight into the catalysis mechanism of prenylating enzymes and might help to design specific ligands (e.g. inhibitors) for this important class of biocatalysts.

Keywords:
Prenyltransferase, Terpen-Zyklase, Molecular-Modelling, Quantenmechanik, QM/MM, Kraftfelder, Isoprenoide, Mutagenese, Biokatalyse

prenyltransferases, terpene-cyclases, molecular modeling, quantum-mechanics, QM/MM, forcefield, isoprenoids, mutagenesis, biocatalysis

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Inhaltsverzeichnis
Titelblatt, Inhalt, Abkürzungsverzeichnis
1. Einleitung (10-25)
2. Materialien und Methoden (26-50)
3. Resultate und Diskussionen (51-95)
4. Zusammenfassung (96-98)
5. Literaturverzeichnis (99-107)
6. Anhang (108-113)