Voorouderlijk eiwit onthult de structuur van belangrijk enzym

Kort & bondig

Net als veel andere organismen gebruiken mensen zogeheten FMO-enzymen om giftige stoffen onschadelijk te maken. Hoewel deze enzymen dus erg belangrijk zijn, is niet bekend hoe ze precies werken. De enzymen zijn namelijk niet stabiel genoeg om hun structuur in detail te kunnen bepalen. RUG-onderzoekers hebben samen met collega’s uit Italië en Argentinië een manier gevonden om de structuur van drie menselijke FMO enzymen op te helderen. Dat deden ze door uit te rekenen hoe de enzymen eruit moeten hebben gezien bij de voorouder van de zoogdieren, waarna ze de gereconstrueerde eiwitten hebben gemaakt. Die bleken stabiel genoeg om hun structuur te kunnen bepalen.

Heel veel organismen – inclusief de mens – bezitten enzymen om giftige stoffen onschadelijk te maken, de flavine-bevattende mono-oxygenases (flavin-containing monooxygenases, FMOs). Hoewel ze belangrijk zijn is het nog niet gelukt om de structuur van de enzymen te achterhalen, vooral omdat ze niet stabiel genoeg zijn voor het benodigde onderzoek. RUG-onderzoekers onder leiding van hoogleraar enzym-modificatie Marco Fraaije hebben met collega’s uit Italië en Argentinië de voorouderlijke genen van drie verschillende FMO’s gereconstrueerd om daarna de enzymen te onderzoeken. Deze voorouderlijke enzymen bleken stabiel genoeg om te kunnen zien hoe ze giftige stoffen verwerken. De resultaten zijn op 23 december gepubliceerd in het tijdschrift Nature Structural & Molecular Biology.

FMO’s kun je vinden in dieren, planten en bacteriën. Mensen hebben vijf verschillende FMO-enzymen die niet alleen giftige stoffen afbreken, maar ook belangrijk zijn bij het activeren van sommige geneesmiddelen. Mutaties in FMO genen kunnen ziekten veroorzaken. ‘Deze enzymen worden al heel lang bestudeerd door de farmaceutische industrie, maar het is nog niet gelukt de details van de eiwitstructuur te achterhalen’, zegt Fraaije. Menselijke FMO’s zijn eiwitten die vastzitten aan membranen in de cel. Tot nu toe was het niet gelukt om de structuur met röntgendiffractie te bepalen. ‘Mijn groep heeft zo’n vijftien jaar geleden wel de structuur van een bacterieel FMO beschreven, maar dat was geen membraangebonden eiwit.’

Stamboom

Verschillende nieuwe ontwikkelingen zetten Fraaije en zijn collega’s ertoe aan om een nieuwe poging te wagen om de structuur van menselijke FMO’s te achterhalen. ‘De afgelopen jaren zijn de gen sequenties van een groot aantal verschillende FMO’s gepubliceerd. Met die informatie is het mogelijk om een evolutionaire stamboom te maken, maar je kunt er ook de genetische sequenties mee reconstrueren van de FMO’s die onze verre voorouders bezaten.’ Met die sequenties is het mogelijk een kunstmatig gen te maken, dat in een bacterie is om te zetten in een eiwit. ‘Eerder onderzoek liet zien dat dit soort voorouder-eiwitten stabieler zijn dan de huidige versies’, vertelt Fraaije.

Collega’s van de Universidad Nacional de San Luis in Argentinië reconstrueerden de DNA volgordes, de Groningse groep produceerde en karakteriseerde de eiwitten en onderzoekers van de Universiteit van Pavia in Italië bepaalden de structuur ervan. Het internationale team wist zo de structuur van de voorouderlijke versie van drie van de vijf menselijke FMO’s te achterhalen.

Tunnel

‘De resultaten zijn fascinerend’, vindt Fraaije. ‘Het deel van het enzym dat in de membraan zit vormt een soort tunnel, waardoor stoffen naar het actief centrum van het enzym worden getransporteerd.’ Veel giftige stoffen hopen zich op in de vettige celmembraan. ‘De FMO enzymen halen ze uit de membraan en oxideren ze vervolgens.’ Dit maakt de gifstoffen beter oplosbaar in water, zodat de cel ze gemakkelijker kan uitscheiden. Alle drie de FMO’s hebben een ander soort tunnel, terwijl hun actief centrum identiek is. Fraaije: ‘We wisten dat de verschillende FMO’s verschillende stoffen onschadelijk maken, nu weten we dat dit door de verschillende tunnels komt.’

De aanpak om voorouderlijke genen te reconstrueren bleek dus succesvol. ‘De volgorde van de bouwstenen van de eiwitten, de aminozuren, is voor 90 procent gelijk aan die van het moderne enzym en de werking is identiek’, zegt Fraaije. Wetenschappers en farmaceutische bedrijven kunnen nu eindelijk zien hoe de FMO’s werken. ‘Daarmee is het mogelijk om geneesmiddelen zo te ontwerpen dat ze door de enzymen worden geactiveerd. En de waarneming dat de voorouderlijke enzymen stabieler zijn is ook interessant. Wanneer we begrijpen hoe dat komt is het mogelijk stabielere enzymen voor industrieel gebruik te ontwerpen.’

Vislucht

Ten slotte is nu ook beter te begrijpen waarom bepaalde mutaties in FMO genen ziekten veroorzaken. Een van die mutaties veroorzaakt het ‘visgeur syndroom’, waarbij het enzym FMO3 niet langer de stof trimethylamine kan verwerken. Het gevolg is dat deze stof, die een sterke vislucht veroorzaakt, zich ophoopt in het lichaam en vrijkomt in onder meer zweet, urine en ademlucht. Fraaije: ‘Dit onderzoek had een grote faalkans, we wisten niet zeker of het voorouder eiwit stabiel genoeg zou zijn. Maar onze gok heeft goed uitgepakt.’

Referentie: Callum R. Nicoll, Gautier Bailleul, Filippo Fiorentini, María Laura Mascotti, Marco W. Fraaije and Andrea Mattevi: Ancestral-sequence reconstruction unveils the structural basis of function in mammalian FMOs. Nature Structural & Molecular Biology 23 December 2019

Zie ook dit commentaar in Nat. Mol Biol: Flavin-containing monooxygenases: new structures from old proteins.