Die Abteilung Mikrobiologie unter der Leitung von Professor Schaffrath nutzt Hefe-Modellsysteme, um Protein- und RNA-Modifikationen zu untersuchen, die die mRNA-Translation, die Proteinsynthese und das Zellwachstum beeinflussen. Eine der Proteinmodifikationen von Interesse ist die sogenannte Umylierung. Dabei wird der Ubiquitin-ähnliche Modifikator Urm1 über eine Lysin-gerichtete Konjugationsreaktion, die von der Hefe bis zu menschlichen Zellen konserviert ist, auf ein Zielprotein (z.B. Ahp1) übertragen. Die Funktion und das Schicksal von urmylierten Proteinen sind noch unklar, weshalb die Gruppe diesen nicht-kanonischen Urm1-Konjugationsweg weiter untersucht.

Thiol-Peroxidasen und Peroxiredoxine sorgen für die zelluläre Redox-Homöostase und sind damit entscheidend für den Schutz der Zellen vor reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) und oxidativem Stress. Ihre Bedeutung wird durch die Entstehung von Krankheiten und vorzeitiger Alterung in Zellen (einschließlich unserer eigenen) belegt, die mit Defekten in Thiol-Peroxidasen einhergehen. Ahp1 (Alkylhydroperoxidase 1) ist ein 2-Cys-Peroxiredoxin aus Hefe, das zwei redoxaktive Thiole (C31, C62) unterhält (Abb. 1), die für die ROS-Entgiftung entscheidend sind. Während der Katalyse bildet Ahp1 ein Homo-Dimer und reduziert ROS mit seinen peroxidischen Cys-Resten (CP: C62), die zu einer Sulfensäure (-SOH) oxidiert werden. Anschließend werden die sulfenylierten CPs mit den auflösenden Cys-Resten (CR: C31) von gegenüberliegenden Ahp1-Untereinheiten im Dimer disulfidiert (Abb. 1). Nach Reduktion durch Thioredoxin wird das Homo-Dimer für einen weiteren Ahp1-Peroxidationszyklus repariert (Abb. 1).

Interessanterweise löst Redox-Stress die posttranslationale Modifikation von Ahp1 aus, einschließlich der Umylierung, einer Konjugation an das Ubiquitin-ähnliche Protein Urm1 (Abb. 1). Urm1 modifiziert nicht nur Proteine, sondern wirkt auch als Schwefel-Donor für die tRNA-Thiolierung zusammen mit Elongator, einem tRNA-Anticodon-Modifizierungskomplex. Wichtig ist, dass sowohl die tRNA-Thiolierung als auch die ROS-abhängige Ahp1-Umylierung erfordern, dass Urm1 an seinem C-Terminus thiocarboxyliert ist (Urm1-COSH). Dies deutet darauf hin, dass beide Urm1-Funktionen durch S-Transfer-Kopplung mit oxidativem Stress verbunden sind. Übereinstimmend haben mehrere Gruppen, einschließlich unserer eigenen, gezeigt, dass Redox-Stressoren und Thiol-reaktive Agenzien (H2O2, Diamid) Protein-Umylierung auslösen. In der Tat sind unter den identifizierten Urm1-Zielen aus Hefe, Pilzen, Fliegen und menschlichen Zellen Faktoren der oxidativen Stressantwort.

Dennoch bleibt eine spezifische Funktion für die Urmylierung von Ahp1 schwer fassbar. Offenbar ist Urm1 kein (Ubiquitin-ähnliches) Tag für den Abbau, sondern kann das Peroxiredoxin anderweitig beeinflussen. In Übereinstimmung damit wurde gezeigt, dass Ahp1 am Lys-Rest K32 urmyliert wird, der sich neben dem redoxaktiven CR (C31) befindet (Abb. 1). Daher kann die Urm1-Konjugation Ahp1 durch Konformationsänderungen in der Nähe des redoxaktiven Thiolzentrums (Abb. 1), das für die Katalyse entscheidend ist, beeinträchtigen.

Nachdem die Schaffrath-Gruppe im Rahmen der DFG-Förderung (SCHA750/15-1) Werkzeuge und Protokolle zur Diagnose der Umylierung etabliert hat, befasst sie sich derzeit in Zusammenarbeit mit der Max-Planck-Forschungsgruppe um Dr. Glatt (Jagiellonian University Krakau, Polen) mit mechanistischen Aspekten der Umylierung und der Bedeutung der Urm1-Konjugation (SCHA750/15-2) für die Zelle. Wie genau der Schwefel (Urm1-COSH) während der Umylierungsreaktion verwendet wird, ist unklar, so dass es entscheidend ist, sein Schicksal nach der Umylierung zu untersuchen. Auch ob und wie die Umylierung von Ahp1 den Thiol-basierten redox-aktiven Schalter beeinflussen kann, der für die Funktion des Peroxiredoxins bei der Reaktion auf ROS wichtig ist, sind Schlüsselfragen, die einer Antwort bedürfen. Insbesondere die folgenden unklaren Aspekte des Umylierungsweges stehen im Fokus der Gruppe:

• die Rolle des aktivierten Schwefels in Urm1-COSH für den Urm1-Konjugationsweg
• das Schicksal der aktivierten S-Spezies aus Urm1-COSH nach der Umylierung
• die Rolle der Urmylierung für die Ahp1-Leistung bei der ROS-Antwort

Jüdes A, Bruch A, Klassen R, Helm M, Schaffrath R (2016) Sulfur transfer and activation by ubiquitin-like modifier system Uba4•Urm1 link protein urmylation and tRNA thiolation in yeast. Microb Cell 3, 554-564. doi 10.15698/mic2016.11.539

Jüdes A, Ebert F, Bär C, Thüring KL, Harrer A, Klassen R, Helm M, Stark MJR, Schaffrath R (2015) Urmylation and tRNA thiolation functions of ubiquitin-like Uba4•Urm1 systems are conserved from yeast to man. FEBS Lett 589, 904-909. doi 10.1016/j.febslet.2015.02.024