TDO2 – ein zentrales Enzym im Tryptophan-Stoffwechsel
Die essenzielle Aminosäure Tryptophan ist ein wichtiger Grundbaustein für Proteine und dient gleichzeitig als Ausgangsstoff für Serotonin, Melatonin, Niacin (Vitamin B3) oder NAD+. Diese Moleküle sind für das Nerven- und Immunsystem und die Energieversorgung der Zelle lebenswichtig. Da Tryptophan ausschließlich über die Nahrung aufgenommen werden kann, muss der Körper den Tryptophan-Spiegel in einem natürlichen Bereich halten.
Das Enzym Tryptophan-2,3-Dioxygenase (TDO2) führt den ersten und ratenlimitierenden Schritt des Kynurenin-Stoffwechselwegs aus. Während die Zelle die Stoffwechselprodukte des TDO2 benötigt, muss gleichzeitig aber sichergestellt werden, dass nicht so viel Tryptophan umgesetzt wird.
Forschenden ist bereits seit den 1950er Jahren bekannt, dass TDO2 bei ausreichend Tryptophan stabil ist und bei Tryptophanmangel schnell abgebaut wird. Kürzlich wurde gezeigt, dass dieser Feedback-Mechanismus auf dem Ubiquitin-Proteasom-System beruht, dem zellulären System, das unerwünschte Proteine markiert und abbaut. Wie Tryptophan dieses System steuert, wurde jetzt aufgeklärt.
In zwei Schritten zum TDO2 Abbau
Alina Thielen, Erstautorin der Studie, erklärt: „Um den molekularen Mechanismus des Abbaus von TDO2 zu identifizieren, haben wir ein genomweites CRISPRi-Screening durchgeführt. So haben wir herausgefunden, dass zwei Proteine den Abbauprozess steuern: die Kinase CK2 und die E3-Ligase CUL1–β-TrCP. Um den Mechanismus zu verstehen, haben wir anschließend biochemische Reaktionen mit gereinigten Proteinen im Reagenzglas durchgeführt. Mithilfe der Kryo-Elektronenmikroskopie konnten wir uns die Struktur von TDO2 mit und ohne Tryptophan an der zweiten Bindungsstelle anschauen.“
Die Kinase und die E3-Ligase wirken nacheinander auf TDO2 ein und markieren es für den Abbau. Wird Tryptophan knapp, hängt die Kinase CK2 Phosphatgruppen an TDO2. Die Phosphorylierung ist das Erkennungssignal für die E3-Ligase CUL1–β-TrCP, die daraufhin Ubiquitin an TDO2 anhängt. Ubiquitin-markiertes TDO2 wird vom Proteasom, der Entsorgungsmaschine der Zelle, erkannt.
Alina Thielen erläutert weiter: „Es war bereits bekannt, dass Tryptophan an eine zweite Bindungsstelle des TDO2 bindet, die abseits des katalytischen Zentrums liegt. Mithilfe der Kryo-Elektronenmikroskopie konnten wir sehen, wie Tryptophan einen Proteinabschnitt nahe dieser zweiten Bindungsstelle ordnet, um TDO2 zu stabilisieren. Dieser Abschnitt legt sich wie eine Klappe über das gebundene Tryptophan, sodass die nahegelegene Erkennungssequenz für CK2 und CUL1–β-TrCP nicht erreichbar ist. Sinkt der Tryptophanspiegel, löst sich Tryptophan von der zweiten Bindungsstelle. Dadurch verliert die Klappe ihre Struktur, die Erkennungssequenz für CK2 und CUL1–β-TrCP wird zugänglich, und der Prozess des Proteinabbaus wird aktiviert.“
Therapeutische Relevanz des Stabilisierungsmechanismus von TDO2
Bei neurologischen Erkrankungen sowie verschiedenen Krebsarten wurde eine Hochregulierung von TDO2 beobachtet. In Tumoren können erhöhte TDO2-Level die Immunabwehr gegen den Krebs abschwächen. TDO2 ist daher ein möglicher Angriffspunkt für neue Wirkstoffe. Brenda Schulman erläutert: „Ein detailliertes Verständnis der TDO2-Regulierung ist wichtig, um TDO2 als therapeutisches Ziel nutzen zu können. Ein Wirkstoff, der auf die Stelle abzielt, an der das Enzym Tryptophan verstoffwechselt wird, könnte sich ebenfalls an der zweiten Bindungsstelle festsetzen und TDO2 so unerwünscht stabilisieren. Andererseits könnte ein Molekül, das die zweite Bindungsstelle besetzt, die Erkennungssequenz für CK2 und CUL1–β-TrCP aber zugänglich lässt, gezielt den Abbau von TDO2 auslösen.“
Schulman fasst die neuen Erkenntnisse zusammen: „Tryptophan ist nicht nur ein Metabolit und das Substrat für TDO2, es fungiert auch als Signal, das bestimmt, wie lange das Enzym TDO2 in der Zelle stabil bleibt. Unsere Studie deckt ein allgemeines Prinzip, das zeigt wie ein Metabolit direkt die Stabilität des Enzyms steuert, das ihn umsetzt und somit den Stoffwechsel der Zelle mit dem Proteinabbau verbindet. Wir untersuchen nun, wie Zellen diese Strategie breiter nutzen, um den Stoffwechsel an das Nährstoffangebot anzupassen.“
(Max-Planck-Institut für Biochemie)
Glossar:
TDO2: Tryptophan-2,3-Dioxygenase, das Enzym, das den ersten und ratenlimitierenden Schritt des Kynurenin-Stoffwechselwegs ausführt.
Kynurenin-Stoffwechselweg: der Hauptabbauweg für Tryptophan, über den unter anderem NAD+ entsteht.
Zweite Bindungsstelle: eine weitere Bindungsstelle an einem Enzym, die vom katalytischen Zentrum entfernt ist.
Tryptophan-gesteuerte Klappe: ein flexibler Abschnitt von TDO2, der sich bei Bindung von Tryptophan strukturiert und so verhindert, dass die Proteine, die den Abbau von TDO2 vermitteln, ihre Erkennungssequenz erreichen.
CK2: eine Kinase, ein Protein, das Phosphatgruppen an andere Proteine anhängt.
CUL1–β-TrCP: eine E3-Ubiquitin-Ligase, die die Phosphorylierung von CK2 erkennt und Ubiquitin anheftet.
CRISPRi-Screening: eine Methode zur systematischen Untersuchung von Genfunktionen, bei der das Ablesen von Genen gezielt gehemmt wird.
Kryo-Elektronenmikroskopie: ein Verfahren, bei dem schockgefrorene Proteine im hochauflösenden Elektronenmikroskop abgebildet werden, um ihre 3D-Struktur zu bestimmen.
Proteinabbau: der Prozess, bei dem Proteine in kleinere Peptide und Aminosäuren zerlegt werden, um die Proteinhomöostase aufrechtzuerhalten und die Zellfunktionen zu regulieren. Dieser Prozess umfasst zwei Hauptwege: das Ubiquitin-Proteasom-System für intrazelluläre Proteine und den lysosomalen Proteolyseweg, der sowohl extrazelluläre Proteine und Zelloberflächenproteine als auch bestimmte intrazelluläre Proteine, insbesondere durch Autophagie, abbaut.
Ubiquitin: ein kleines Protein, das oft als Markierung an andere Proteine angehängt wird. Dieser Prozess wird als Ubiquitinierung bezeichnet.
Ubiquitin-Proteasom-System (UPS): ein zelluläres System, der Proteine mit Ubiquitin-Molekülen markiert und sie so für den Abbau durch das Proteasom, einen großen Proteasekomplex, kennzeichnet. Dieses System ist für die Aufrechterhaltung der zellulären Homöostase wichtig, indem es beschädigte oder unnötige Proteine entfernt und verschiedene zelluläre Funktionen wie den Zellzyklus und die Stressreaktion reguliert.
Originalpublikation:
Alina S. Thielen, Bastian Bräuning, Karthik V. Gottemukkala, Judith Müller, J. Rajan Prabu, Pooja Verma, Simon Klaessens, Benoit J. Van den Eynde, Gary Kleiger, Peter J. Murray, and Brenda A. Schulman: A CK2–β-TrCP kinase-E3 ubiquitin ligase cascade is a metabolic sensor regulating Tryptophan 2,3-dioxygenase stability, Molecular Cell, November 2026
DOI: https://doi.org/10.1016/j.molcel.2026.09.023
