1. Phylogenetic and bioinformatic study of 17beta-hydroxysteroid dehydrogenases
- Author
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Breitling, Rainer, Adamski, J. (Priv.-Doz, Dr.), Balling, Rudolf (Prof. Dr.), and Scherer, Siegfried (Prof. Dr.)
- Subjects
Biowissenschaften, Biologie ,evolution ,bioinformatics ,hydroxysteroid dehydrogenases ,ddc:570 ,ddc:540 ,Chemie ,Evolution ,Bioinformatik ,Hydroxysteroid-Dehydrogenasen - Abstract
Diese Arbeit demonstriert die kombinierte Anwendung unterschiedlicher bioinformatischer Verfahren auf die Familie der 17beta-Hydroxysteroid-Dehydrogenasen. Diese Protein-Familie ist an der Aktivierung und Inaktivierung von Steroid-Hormonen beteiligt, die sie an der Position 17 des Steroid-Grundgerüstes reduzieren bzw. oxidieren. Verschiedene 17beta-HSDs sind an humanen Erkrankungen beteiligt, z.B. an Pseudohermaphroditismus (17beta-HSD3) oder Zellweger-artigem Syndrom (17beta-HSD4). Außerdem wird den 17beta-HSDs eine Rolle bei der Entstehung und Proliferation von verschiedenen Tumoren zugeschrieben. In dieser Arbeit wird ein neues Evolutionsszenario für die 17beta-HSDs und ihre Verwandten beschrieben. Durch Vereinigung von Proteinstrukturvergleichen und Sequenzvergleichen zu einem einheitlichen Modell war es möglich, einen zuverlässigen Stammbaum der Proteinfamilie zu erstellen. In diesem Stammbaum zeigte sich eine frühe, grundlegende Teilung der 17beta-HSDs in zwei Hauptklassen. Durch Feststellung der Stammbaumwurzel war es möglich den zeitlichen Verlauf der Evolutionsereignisse festzustellen, die zur Entwicklung der Proteinvielfalt in der HSD-Familie geführt haben. Eine umfassende bioinformatische Studie wurde durchgeführt, um die physiologische Funktion der 17beta-HSD Typ 7 festzustellen. Durch Kombination von Expressionsdaten, phylogenetischer Rekonstruktion und Strukturanalysen war es möglich, zu zeigen, dass dieses Östrogen-synthetisierende Enzym wahrscheinlich zuerst an der Cholesterin-Biosynthese beteiligt war, und zwar bei der Reduktion von 3-Ketosteroiden. 17beta-HSD7 ist beim Menschen fast ubiquitär exprimiert und zeigt signifikante Ähnlichkeit mit der 3-Ketosteroid-Reduktase Erg27p aus Hefen. Das Protein fehlt dagegen in Cholesterin-auxotrophen Organismen. Zusätzliches Gewicht erhält diese Vermutung durch die Entdeckung eines spezifischen Promotormoduls, das 17beta-HSD7 mit Proteinen des Cholesterinmetabolismus (IDI1 und MLN64) gemeinsam hat. Anschließende Reaktionen des Cholesterin-Synthesewegs werden von Proteinen katalysiert, deren Mutation zu den Entwicklungsdefekten CHILD-Syndrom und CDPX2-Syndrom führt. Damit ist auch 17beta-HSD7 ein Kandidat für ähnliche Erkrankungen. Durch die Integration von Strukturdaten mit der statistischen Auswertung von Proteinalignments wurden unerwartete konservierte Elemente in der dreidimensionalen Struktur von 17beta-HSD Typ 5 und ihren Verwandten entdeckt. Ein 3D-Modell des Enzyms erm"oglichte es, Struktur-Funktions-Beziehungen von Phytoöstrogenen aufzuklären, die als Inhibitoren der 17beta-HSD5 wirken. Außerdem war es möglich die pH-Abhängigkeit der Inhibition durch Glycyrrhetin-Säure zu erklären. Die notwendigen Methoden zur Evolutionsanalyse großer Datensätze wurden in einer Pilotstudie entwickelt und getestet. Dazu wurde die Evolution der Paired-Box (Pax)-Familie untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass der nächste Verwandte dieser Proteine eine Tc1-Transposase ist. Das erste Pax-Protein entstand am Anfang der Metazoen-Evolution durch ein einmaliges Fusionsereignis, bei dem sich die DNA-Bindungsdomäne einer Transposase mit einer Homöodomäne zu einem neuen Transkriptionsfaktor verband. Diesem Fusionsereignis folgte dann eine schnelle Aufspaltung der Familie in mehrere Untergruppen. Durch die Entdeckung der Verwandtschaft mit den Transposasen ist es möglich, nicht nur die Einteilung der Pax-Proteine festzustellen, sondern auch den zeitlichen Ablauf ihrer Evolution zu bestimmen. This work describes the integrative application of various bioinformatic approaches to the family of 17beta-hydroxysteroid dehydrogenases. This protein family is involved in the activation and inactivation of steroid hormones by reduction and oxidation at position 17 of the steroid backbone. Several family members are known to be involved in human disorders (e.g. pseudohermaphroditism or Zellweger-like syndrome) and are implicated in cancerogenesis and tumor proliferation. A reliable evolutionary scenario for the large family of HSD-related proteins was constructed by combining structure-based and sequence-based comparisons into a single phylogenetic tree. The tree indicates a fundamental subdivision of the 17beta-HSDs into two major groups. By determining the root of the phylogenetic tree it was possible to evaluate the time course of evolutionary events leading to the diversity 17beta-HSDs. A comprehensive bioinformatic study was performed to assess the physiological function of human 17beta-HSD type 7. Integrating expression data, phylogenetics and structural analyses it was possible to demonstrate that this estrogenic enzyme probably has an ancestral function in cholesterol metabolism, namely the reduction of 3-ketosteroids. Adjacent steps in the pathway are catalysed by proteins that are mutated in developmental defects (CHILD syndrome and CDPX2 syndrome), making 17beta-HSD7 a likely candidate for similar disorders. The combination of protein structure and statistical evaluation enabled the identification of unexpected conserved structural elements in 17beta-HSD type 5 and its relatives. A 3D-model of the enzyme allowed the explanation of the inhibitory capacity of phytoestrogens acting on 17beta-HSD5. The computer algorithm developed for that purpose is universally applicable and might be used for the structural analysis of other large protein families. The techniques necessary for the evolutionary analysis of large sequence datasets were established and validated in a pilot study on paired-box proteins. It was possible to find the ancestors of the paired-box family among Tc1-transposase proteins. It is shown that paired-box proteins originated at the beginning of metazoan evolution by a single fusion event between a transposase DNA binding domain and a homeobox protein. The fusion event was followed by a rapid diversification of the protein family.
- Published
- 2008