Glutamin-Amidotransferasen (GATasen) sind Bi-Enzymkomplexe, bestehend aus einer Glutaminase und einer Synthase, die als Modellenzyme zur Analyse von Protein-Protein Wechselwirkungen gut geeignet sind. Die Glutaminase erzeugt durch die Hydrolyse von Glutamin Ammoniak, der am aktiven Zentrum der Synthase mit einem spezifischen Substrat zu den für die jeweilige GATase charakteristischen Produkten reagiert. Besonders gut charakterisierte Vertreter der GATasen sind die Imidazolglycerinphosphat-Synthase (ImGP-S; 1:1 Komplex aus der Glutaminase HisH und der Synthase HisF) aus der Biosynthese des Histidin und die Anthranilat-Synthase (AS; 2:2 Komplex aus der Glutaminase TrpG und der Synthase TrpE) aus der Biosynthese des Tryptophan, deren Funktion und Evolution auf der Basis ihrer Röntgenstrukturen im Rahmen dieser Arbeit untersucht wurden.
Die beiden aktiven Zentren des HisH:HisF Komplexes aus Thermotoga maritima liegen etwa 25 Å voneinander entfernt und sind über einen Ammoniak-Kanal miteinander verbunden. Die Aufklärung der Kristallstrukturen verschiedener ligandierter HisH:HisF Komplexe in Kooperation mit der Arbeitsgruppe von Dr. Matthias Wilmanns am EMBL Hamburg führte zur Identifizierung von Aminosäuren an der Kontaktfläche, die mutmaßlich an der Kommunikation der beiden aktiven Zentrum beteiligt sind. Durch strukturelle und funktionelle Charakterisierung von HisH:HisF Komplexen, in denen diese Aminosäuren gegen Alanin ausgetauscht waren, konnten Aminosäuren, die an der Bindung von Glutamin in HisH mitwirken und eine wichtige Bedeutung für den Ablauf der ImGP-S Reaktion haben, identifiziert werden.
Darüber hinaus wurden an der Kontaktfläche von HisH ganze Sekundärstrukturelemente mit konservierten Aminosäuren durch die entsprechenden Abschnitte aus TrpG ersetzt, und umgekehrt. Diese Austausche führten zu keiner messbaren Änderung der Löslichkeit, Stabilität oder der Fähigkeit bzw. Unfähigkeit zur Komplexbildung mit HisF. Dagegen wurde der Oligomerisierungszustand (HisH ist ein Monomer, TrpG ist ein Dimer) durch die Austausche teilweise übertragen. Durch den wechselseitigen Austausch eines Sequenzabschnittes wurden die Glutaminase-Aktivitäten von TrpG und HisH unabhängig von der Anwesenheit von TrpE bzw. der Substratbindung an HisF. Für HisH konnte gezeigt werden, dass für diesen Übergang von einer konditionalen zu einer konstitutiven Glutaminaseaktivität eine konservierte Aminosäure verantwortlich ist.
Diese Ergebnisse zeigen, dass der Austausch größerer Sequenzbereiche zwischen HisH und TrpG zu keiner wesentlichen Beeinträchtigung der Struktur führt und in beiden Enzymen der �molekularer Schalter� zur Regulation der Glutaminase-Aktivität identifiziert werden konnte. Dies spricht für einen gemeinsamen evolutionären Ursprung von HisH und TrpG
