Identifizierung ähnlicher Reaktionsmechanismen in homologen Enzymen unterschiedlicher Funktion unter Verwendung konservierter Sequenzdomänen

Enzyme sind außerordentlich effiziente Biokatalysatoren und beschleunigen als solche nahezu sämtliche biochemischen Reaktionen in biologischen Systemen. Neue Enzyme entstehen nicht de novo, sondern entwickeln sich schrittweise durch Abwandlung der bereits vorhandenen Enzyme. Daher lassen sich die Reaktionen des Grundstoffwechsels der Zellen trotz ihrer Vielfalt auf relativ wenige Grundtypen zurückführen. Diese Tatsache hat man teilweise bei der EC-Klassifikation der Enzyme berücksichtigt. Die Einordnung in EC-Klassen erfolgt jedoch im allgemeinen nicht aufgrund von gemeinsamer Abstammung oder ähnlichen Reaktionsmechanismen, sondern überwiegend nach enzymologischen Kriterien wie der Wirkungs- und Substratspezifität. Infolgedessen weisen Enzyme der gleichen EC-Klasse häufig keine strukturelle Ähnlichkeit zueinander auf, wodurch impliziert wird, daß diese Enzyme eher durch Konvergenz als durch Divergenz entstanden sind, während umgekehrt Enzyme gemeinsamen evolutionären Ursprungs oftmals ganz unterschiedlichen EC-Klassen angehören. Letzteres führte zur Annahme, daß Enzyme trotz gemeinsamer Abstammung ganz verschiedene Funktionen haben können. Es gibt jedoch Hinweise darauf, daß diese Enzyme ähnliche Reaktionsmechanismen zur Realisierung der verschiedenen Funktionen verwenden. Während die EC-Klassifikation alle an sie gestellten Anforderungen erfüllt, besteht somit Bedarf für ein alternatives, komplementäres Klassifizierungssystem, das nicht auf einer empirischen Einteilung der beobachteten Reaktionen, sondern auf der evolutionären Verwandtschaft der Enzyme beruht und infolgedessen Rückschlüsse auf die zugrundeliegenden Reaktionsmechanismen zuläßt. In der vorliegenden Dissertation wurde untersucht, ob eine auf Sequenzhomologie basierende Einteilung der Enzyme mit den von den Enzymen verwendeten Reaktionsmechanismen korreliert. Ziel war die systematische Clusterung und Analyse aller bekannten Enzymsequenzen zur Identifizierung von gemeinsamen oder ähnlichen Enzymmechanismen. Vorbedingung zur Bearbeitung des Problems war die Entwicklung einer Methode zur Identifizierung modular aufgebauter Proteinen, die aus mehreren, evolutionär oftmals unabhängigen Sequenzdomänen bestehen. Da solche modularen Enzyme in unterschiedlichen Bereichen Ähnlichkeit zu verschiedenen Enzymfamilien aufweisen können, implizieren sie häufig ein scheinbares, tatsächlich jedoch nicht vorhandenes gemeinsames Auftreten von Enzymaktivitäten in einem Sequenzcluster. Die Domänenstruktur wurde mittels der Lage und Ausdehnung lokaler Sequenzalignments ermittelt. Anschließend wurden die so bestimmten Sequenzbereiche entsprechend ihrer Sequenzähnlichkeit zu Gruppen homologer Sequenzabschnitte zusammengefaßt. Hierzu wurde die Methode der Clusteranalyse verwendet. Die Analyse erfolgte bei verschiedenen Grenzwerten, um eine hierarchische Strukturierung des Sequenz-Raumes zu erhalten. Hierbei zeigte sich, daß abhängig vom verwendeten Grenzwert bis zu 40% der generierten Sequenzcluster Enzyme verschiedener Enzymklassen, teilweise sogar verschiedener EC-Hauptklassen enthielten. Bei der Analyse zeigte sich jedoch, daß in allen betrachteten Fällen trotz auf den ersten Blick unterschiedlicher Katalyse der Reaktionsmechanismus oder aber die Substratspezifität dieser Reaktionen sehr ähnlich sind