Untersuchungen zum Polymorphismus der alpha – 1 – Antitrypsin – und ALOX15 – Gene in der indonesischen Bevölkerung und die pathophysiologischen Rollen der Enzyme bei der chronisch – obstruktiven Lungenerkrankung (COPD) und Artheriosklerose

Abstract

Der genetische Polymorphismus trägt wesentlich zur funktionellen Individualität verschiedener Individuen einer Spezies bei und sorgt auch beim Menschen dafür, dass unterschiedliche Individuen sich gegenüber vergleichbaren Umwelteinflüssen unterschiedlich verhalten. Genetische Polymorphismen sind regional unterschiedlich stark ausgeprägt und tragen dazu bei, dass bestimmte Erkrankungen in verschiedenen Gebieten gehäuft oder seltener auftreten. Da bisher keine Daten zur Häufigkeitsverteilung des S – und Z – Allels des alpha – 1 – Antitrypsingens und des T560M – SNPs der ALOX15 in der indonesischen Bevölkerung vorlagen, wurde im Rahmen dieser Arbeit die Häufigkeit der genannten genetischen Polymorphismen in einem 150 Individuen umfassenden Probandenkollektiv der ost – javanesischen Bevölkerung untersucht. Dabei wurde festgestellt, dass weder die alpha – 1 – Antitrypsin Allele noch der genetische Polymorphismus der zur T560M – Mutation in der ALOX15 führt, mit hoher Frequenz (>2%) in untersuchten Probandenkollektiv vorkamen. Damit eignet sich die ost – javanesische Bevölkerung nicht für groß angelegte Korrelationsuntersuchungen zur funktionellen Bedeutung der untersuchten Polymorphismen bei bestimmten Erkrankungen. Der genetische Polymorphismus des humanen ALOX15 Gens, der einen T560M Austausch im kodierten Enzym bedingt, führt zu einen 95% Verlust der Enzymaktivität. Da die molekularen Ursachen für diesen Aktivitätsverlust unbekannt waren, wurde diese im zweiten Teil der Arbeit untersucht. Durch multiple ortsgerichtete Mutagenese an der rekombinanten ALOX15 und durch computergestützte Strukturmodellierung wurde festgestellt, dass dieser Aminosäureaustausch zu einer Störung des Wasserstoffbrückennetzwerkes führt, welches Thr560, das sich an der Peripherie des Enzymmoleküls befindet, mit Met418 verbindet, das direkt zur Geometrie des aktiven Zentrums beiträgt. Durch den Verlust der freien OH – Gruppe des Thr560 kommt es mit hoher Wahrscheinlichkeit zu einer Umorientierung der Seitenkette des Met418 und damit zu einer Strukturveränderung der Substratbindungstasche. Diese Veränderung könnte zu einer Behinderung der Substratbindung führen, was zum beobachteten Aktivitätsverlust beitragen könnte.

Genetic polymorphisms are responsible for the functional individuality of human beings. They are involved in the variable sensitivity of human individuals towards external stimuli and contribute to genetic predisposition of certain individuals for a number of diseases. Genetic polymorphisms occur with high frequencies in certain regions but show a less frequent distribution in other geographic areas. When this work was started there were no experimental data available in either of the major Indonesian subpopulations characterizing the allele frequency of the S – and the Z – allele of the human alpha – 1 – antitrypsin gene. Similarly, no experimental data have been published on the distribution of the single nucleotide polymorphism, which leads to the T560M mutation in the human ALOX15 gene, in Indonesia. In my dissertation I first quantified the frequency of occurrence of the above – specified genetic polymorphisms in a selected cohort (150 individuals) of the east – Javanese population. It was found that neither the two alpha – 1 – antitrypsin alleles nor the specified ALOX15 SNP occur with a frequency above 2 % in this cohort. These data indicate that the east – Javanese population may not be suitable for more detailed investigation into the functional relevance of these genetic variations and into their possible involvement in the pathogenesis of different diseases. The genetic polymorphism (SNP) leading to a T560M exchange in human ALOX15 induces a 95% loss in the catalytic activity of this enzyme. Since the molecular basis for the impaired catalytic activity has not been clarified, I explored the possible structural alterations induced by this amino acid exchange. Applying an integrated research strategy involving multiple site – directed mutagenesis, kinetic measurements and computer – assisted structural modelling I found that the T560M exchange may restructure the hydrogen bond network, which interconnects Thr560 (localized at periphery of the enzyme molecule) with Met418 (localized at the active site). The loss of the OH – group of Thr560 induces a reorientation of its side – chain and this restructures the hydrogen bond network stabilizing the catalytic centre. This structural alteration is likely to impair substrate binding at the active site and thus, reduces the catalytic efficiency of the enzyme.