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

Enzyme sind auserordentlich effiziente Biokatalysatoren und beschleunigen als solche nahezu samtliche 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 zuruckfuhren. Diese Tatsache hat man teilweise bei der EC-Klassifikation der Enzyme berucksichtigt. Die Einordnung in EC-Klassen erfolgt jedoch im allgemeinen nicht aufgrund von gemeinsamer Abstammung oder ahnlichen Reaktionsmechanismen, sondern uberwiegend nach enzymologischen Kriterien wie der Wirkungs- und Substratspezifitat. Infolgedessen weisen Enzyme der gleichen EC-Klasse haufig keine strukturelle Ahnlichkeit zueinander auf, wodurch impliziert wird, das diese Enzyme eher durch Konvergenz als durch Divergenz entstanden sind, wahrend umgekehrt Enzyme gemeinsamen evolutionaren Ursprungs oftmals ganz unterschiedlichen EC-Klassen angehoren. Letzteres fuhrte zur Annahme, das Enzyme trotz gemeinsamer Abstammung ganz verschiedene Funktionen haben konnen. Es gibt jedoch Hinweise darauf, das diese Enzyme ahnliche Reaktionsmechanismen zur Realisierung der verschiedenen Funktionen verwenden. Wahrend die EC-Klassifikation alle an sie gestellten Anforderungen erfullt, besteht somit Bedarf fur ein alternatives, komplementares Klassifizierungssystem, das nicht auf einer empirischen Einteilung der beobachteten Reaktionen, sondern auf der evolutionaren Verwandtschaft der Enzyme beruht und infolgedessen Ruckschlusse auf die zugrundeliegenden Reaktionsmechanismen zulast. 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 ahnlichen Enzymmechanismen. Vorbedingung zur Bearbeitung des Problems war die Entwicklung einer Methode zur Identifizierung modular aufgebauter Proteinen, die aus mehreren, evolutionar oftmals unabhangigen Sequenzdomanen bestehen. Da solche modularen Enzyme in unterschiedlichen Bereichen Ahnlichkeit zu verschiedenen Enzymfamilien aufweisen konnen, implizieren sie haufig ein scheinbares, tatsachlich jedoch nicht vorhandenes gemeinsames Auftreten von Enzymaktivitaten in einem Sequenzcluster. Die Domanenstruktur wurde mittels der Lage und Ausdehnung lokaler Sequenzalignments ermittelt. Anschliesend wurden die so bestimmten Sequenzbereiche entsprechend ihrer Sequenzahnlichkeit zu Gruppen homologer Sequenzabschnitte zusammengefast. 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, das abhangig vom verwendeten Grenzwert bis zu 40% der generierten Sequenzcluster Enzyme verschiedener Enzymklassen, teilweise sogar verschiedener EC-Hauptklassen enthielten. Bei der Analyse zeigte sich jedoch, das in allen betrachteten Fallen trotz auf den ersten Blick unterschiedlicher Katalyse der Reaktionsmechanismus oder aber die Substratspezifitat dieser Reaktionen sehr ahnlich sind.