Wissenschaftler der Universität des Saarlandes, der RPTU Kaiserslautern-Landau und des VIB-VUB in Brüssel haben bahnbrechende Erkenntnisse über Peroxiredoxine veröffentlicht. Diese wichtigen Enzyme sind entscheidend für den Schutz der Zellen vor oxidativem Stress und in der regulierenden Kontrolle von Peroxiden wie Wasserstoffperoxid. In einer aktuellen Studie, die in „Nature Chemical Biology“ veröffentlicht wurde, wird ein neues Verständnis über die Struktur und Funktion dieser Enzyme präsentiert, das die bisherigen Theorien herausfordert und erweitert.

Bisher ging man davon aus, dass Peroxiredoxine in einer ringförmigen Struktur aus zehn identischen Proteineinheiten organisiert sind. Neueste Forschungen zeigen jedoch, dass Zellen in der Lage sind, zwei verschiedene Versionen des Enzyms zu mischen und so hybride Protein-Komplexe zu bilden. Diese Entdeckung legt nahe, dass durch die Kombination nur zweier Bausteine zahlreiche unterschiedliche Komplexe gebildet werden können. Diese „molekulare Lego-Strategie“ könnte helfen, zelluläre Stressreaktionen und Signalwege besser abzustimmen.

Mechanismen der Peroxiredoxine

Peroxiredoxine, auch als Prxs bekannt, besitzen ein aktives Zentrum mit einem peroxydativen Cystein (Cys-P), das für die Einleitung des katalytischen Zyklus entscheidend ist. Cys-P wird durch Wasserstoffperoxid zu einem sulfenischen Säureintermediat (Cys-SOH) oxidiert. Das Auflösen (Resolving) erfolgt, wenn Cys-SOH mit einem anderen Cystein (Cys-R) eine Disulfidbindung eingeht. Diese Schritte sind zentral, um die antioxidative Funktion der Enzyme aufrechtzuerhalten und gelten als wichtiger Schutzmechanismus gegen oxidative Schäden.

Die Regulation der Peroxiredoxine erfolgt über das zelluläre Redoxumfeld und die oligomeren Zustände der Enzyme. Diese oligomeren Zustände, etwa Dimere oder Dekamere, beeinflussen maßgeblich die katalytischen Eigenschaften. Unterschiede in den Isoformen von Prxs zeigen, dass typische 2-Cys Peroxiredoxine Homodimere bilden, während atypische 2-Cys Prxs variierende Strukturen aufweisen.

Auswirkungen auf Gesundheit und Krankheiten

Die Dysregulation von Peroxiredoxinen ist mit verschiedenen Krankheiten in Verbindung gebracht worden, darunter Krebs und neurodegenerative Erkrankungen. Die Enzyme können als Biomarker fungieren und beispielsweise den Fortschritt von Krankheiten sowie die Wirksamkeit von Behandlungen anzeigen. Die Forschung deutet darauf hin, dass eine gezielte Therapie, die auf die Aktivität von Peroxiredoxinen abzielt, potenziell therapeutische Vorteile bietet, besonders in Bezug auf oxidative Stresskrankheiten. Herausforderungen dabei sind die Isoformenvielfalt und die potenziellen Toxizitäten bei einer Blockade bestimmter Prxs.

Ein entscheidendes Element dieser Studien war die Entdeckung, dass Peroxiredoxine auch in unterschiedlichen Organismen – von Hefen bis hin zu Menschen und Pflanzen – hybrid auftreten. So wurde beispielsweise die Bildung von hetero-oligomeren Komplexen zwischen Tsa1 und Tsa2 in Escherichia coli nachgewiesen, was die universelle Bedeutung dieser eiweißbasierten Reaktionen unterstreicht. Studien zeigen, dass über 80% der sequenzierten eukaryotischen Arten wahrscheinlich an der Hetero-Oligomerisierung von Peroxiredoxinen beteiligt sind.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das Verständnis dieser gemischten Komplexe und ihrer Struktur-Plastizität nicht nur tiefere Einblicke in die biologischen Funktionen von Peroxiredoxinen ermöglicht, sondern auch neue Perspektiven auf die Anpassungsfähigkeit von Zellen an Sauerstoffveränderungen und die damit verbundenen Krankheiten bietet. Wissenschaftler wie Bruce Morgan, Marcel Deponte und Joris Messens stehen als Ansprechpartner für künftige Forschungsprojekte zur Verfügung, die auf diesen Ergebnissen aufbauen.