ACSF3

Acyl-CoA-Synthetase-Familienmitglied 3 (ACSF3) ist ein mitochondriales Enzym, das beim Menschen durch das Gen ACSF3 kodiert wird.^[1] Es wird für den Abbau von Malonsäure und Methylmalonsäure benötigt und liefert den Vorläufer für die mitochondriale Fettsäuresynthese (mtFAS) und die mitochondriale Lysinmalonylierung.^[2][3] Das Enzym gehört zur Familie der Acyl-CoA-Synthetasen.^[4]

Struktur

Das Gen ACSF3 befindet sich auf dem Chromosom 16 am Locus q24.3.^[5] Es umfasst 14 Exons und erzeugt vier alternativ gespleißte mRNAs, die zwei Isoformen des ACSF3-Proteins kodieren:^[5][6]

Isoform 1

Drei Transkriptvarianten kodieren für ein 576 Aminosäuren langes Protein mit einer Masse von etwa 64,1 kDa, das eine vorhergesagte N-terminale mitochondriale Zielsequenz (MTS) besitzt, die je nach Vorhersagemethode die ersten 58 oder 83 Aminosäurereste umfasst.^[5][7][8][9] Experimentelle Studien bestätigten, dass das reife Protein in der mitochondrialen Matrix verortet ist.^[10][3]

Beobachtete posttranslationale Modifikationen:

• Acetylierung an Lysinrest 565 (K565)^[11]

Isoform 2

Eine einzelne Transkriptvariante kodiert für ein kürzeres Protein mit 311 Aminosäuren, das die Translation an einem stromabwärts gelegenen Startcodon relativ zu Isoform 1 beginnt.^[6][5]

Reaktion

ACSF3 unterscheidet sich von Acyl-CoA-Synthetasen, die Fettsäuren aktivieren, durch seine Präferenz für die Dicarbonsäuren Malonsäure und Methylmalonsäure, die es in die Thioester Malonyl-CoA und Methylmalonyl-CoA umwandelt.^[10][9] Lignocerinsäure (C24) wurde als weiteres Substrat beschrieben, wobei In-vitro-Studien widersprüchliche Ergebnisse liefern.^[4][8][10] Trotz dieser ungewöhnlichen Substratspezifität folgt ACSF3 demselben zweistufigen, ATP-abhängigen Mechanismus wie andere Acyl-CoA-Synthetasen über ein Acyl-Adenylat-Zwischenprodukt:^[12]

1. Adenylierungsschritt: Die Carboxylatgruppe des Substrats Malonsäure oder Methylmalonsäure greift das α-Phosphat von ATP in seiner Mg²⁺-gebundenen Form (Mg-ATP) an und bildet das hochenergetische Zwischenprodukt Malonyl-AMP bzw. Methylmalonyl-AMP sowie Diphosphat (PP_i). Während dieses Schritts koordiniert das Magnesium-Ion die β- und γ-Phosphate von ATP und stabilisiert deren negative Ladungen, wie es für alle Acyl-CoA-Synthetasen konserviert ist.^[12][13]
2. Thioesterifizierungsschritt: Die Thiolgruppe von Coenzym A (CoA, in freier Form häufig als CoA-SH bezeichnet) greift Malonyl-AMP oder Methylmalonyl-AMP an, verdrängt AMP und bildet den entsprechenden Thioester, Malonyl-CoA bzw. Methylmalonyl-CoA.

Dementsprechend katalysiert ACSF3 die folgenden Gesamtreaktionen:

• als Malonyl-CoA-Synthetase:

ATP + Malonat + CoA → AMP + Diphosphat + Malonyl-CoA

• als Methylmalonyl-CoA-Synthetase:

ATP + Methylmalonat + CoA → AMP + Diphosphat + Methylmalonyl-CoA

ACSF3 setzt am effizientesten Malonat um, aber auch Methylmalonat wird mit etwa 70 % dieser Aktivität effektiv aktiviert.^[10] Wie andere Acyl-CoA-Synthetasen unterliegt ACSF3 einer Produkt-Feedback-Hemmung.^[3]

Funktion

Analog zu den oben beschriebenen Gesamtreaktionen beschreiben die folgenden Unterabschnitte die funktionelle Rolle von ACSF3, beginnend mit den vorgelagerten Substraten Malonsäure und Methylmalonsäure und daran anschließend mit den nachgelagerten Produkten Malonyl-CoA und Methylmalonyl-CoA.

Abbau von Malonsäure

Die Rolle von ACSF3 im Propionat-Stoffwechselweg innerhalb der Mitochondrien.

Der mitochondriale Ursprung der Malonsäure ist unbekannt.^[10] Sie passiert Plasmamembranen nur in begrenztem Umfang, wobei die Aufnahme unter sauren Bedingungen zunimmt, und gelangt über den Dicarboxylat-Carrier SLC25A10 in die Mitochondrien.^[14] Eine Hauptquelle wird in der nicht-enzymatischen Hydrolyse von cytosolischem Malonyl-CoA aus der de-novo-Fettsäuresynthese vermutet, wobei die Spiegel mit der lipogenen Aktivität korrelieren.^[3] Weitere Beiträge können von Acyl-CoA-Thioesterasen, der Carboxylierung von Acetyl-CoA, der Decarboxylierung von Oxalacetat, der Oxidation von Malondialdehyd und dem β-Alanin-Stoffwechsel stammen.^[3] Exogene Beiträge können zudem aus der Ernährung resultieren, da freie Malonsäure in Pflanzen wie Hülsenfrüchten vorkommt.^[10]

Durch die Umwandlung von Malonsäure in Malonyl-CoA spielt ACSF3 eine entscheidende Rolle bei der Entfernung von intramitochondrialem Malonsäure, einem starken Inhibitor der mitochondrialen Atmung.^[15][3] Denn Malonsäure hemmt kompetitiv die Succinat-Dehydrogenase (SDH), ein Enzym, das sowohl im Citratzyklus als auch als Komplex II der Atmungskette wirkt.^[15][3] ACSF3 erfüllt hierbei eine metabolische Editing-Funktion, indem sie eine Malonsäure bedingte Toxizität verhindert und es hochgradig metabolisch aktiven Zellen ermöglicht, die Atmung aufrechtzuerhalten.^[3]

Abbau von Methylmalonsäure

Methylmalonsäure entsteht als Nebenprodukt durch die Hydrolyse von Methylmalonyl-CoA im Propionatstoffwechselweg und wird von ACSF3 wieder zu Methylmalonyl-CoA recycelt, wodurch sie erneut in den Stoffwechselweg eingespeist wird.^[16][17] Nach einem Acsf3-Knockout-Mausmodell wurde der Threoninabbau als Hauptquelle für die Anhäufung von Methylmalonsäure identifiziert.^[18]

Eine effiziente Entfernung sowohl von Methylmalonsäure als auch von Malonsäure ist erforderlich, um die mitochondriale Funktion aufrechtzuerhalten und eine metabolische Azidose zu verhindern.^[18][7] Insbesondere beeinträchtigt Methylmalonsäure die SDH-Aktivität indirekt, indem sie den mitochondrialen Succinatimport stört, anstatt durch direkte enzymatische Hemmung.^[19] In Maus-Osteoblastenzellmodellen unterdrückte sie die osteogene Differenzierung und die Mineralisierung der Knochenmatrix durch Herunterregulierung osteogener Markergene und verknüpft so die ACSF3-vermittelte Entfernung von Methylmalonsäure mit der Knochenbildung.^[18]

Synthese von mitochondrialem Malonyl-CoA

Da Malonyl-CoA ein membranundurchlässiges Zwischenprodukt ist, erfordert es eine lokale Synthese innerhalb der Mitochondrien.^[10] Obwohl der genaue Ursprung des mitochondrialen Malonyl-CoA noch umstritten ist, wird angenommen, dass der Pool durch ACSF3 aus Malonsäure und durch die mitochondriale Isoform der Acetyl-CoA-Carboxylase 1 (mtACC1) aus Acetyl-CoA bereitgestellt wird.^[20][21] Mitochondriales Malonyl-CoA wird für die mitochondriale Fettsäuresynthese, die Lysinmalonylierung und die Acetyl-CoA-Synthese benötigt.^[2][15]

Mitochondriale Fettsäuresynthese (mtFAS)

Die Rolle von ACSF3 im mitochondrialen Fettsäuresyntheseweg.

In der nährstoffregulierten mitochondrialen Fettsäuresynthese (mtFAS) dient Malonyl-CoA als Vorstufe der Kettenverlängerungseinheit Malonyl-ACP (C3), die in einer Kondensationsreaktion unter Freisetzung von CO₂ die an ACP gebundene Fettsäurekette pro Runde um zwei Kohlenstoffatome verlängert.^[20][10][22] Die entstehenden Acyl-ACP-Spezies erfüllen je nach Kettenlänge unterschiedliche Funktionen: So wird beispielsweise Octanoyl-ACP (C8) für die Biosynthese von Liponsäure benötigt, einem Cofaktor wichtiger mitochondrialer Enzymkomplexe wie dem Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex (PDC), dem α-Ketoglutarat-Dehydrogenase-Komplex (OGDC), dem 2-Oxoadipat-Dehydrogenase-Komplex (OADHC), dem verzweigtkettigen α-Ketosäure-Dehydrogenase-Komplex (BCKDHC) und dem Glycine-Cleavage-System (GCS).^[23] Längerkettige Spezies (C10–16) hingegen aktivieren allosterisch das Netzwerk der LYRM-Proteine.^[24][25] Beim Menschen umfasst dieses Netzwerk mindestens 12 Proteine und reguliert die mitochondriale Translation, die Biogenese von Eisen-Schwefel-Clustern sowie die Assemblierung der Komplexe der Atmungskette.^[26][25]

Lysinmalonylierung

→ Hauptartikel: Lysinmalonylierung

Lysinmalonylierung ist eine dynamische posttranslationale Modifikation, bei der Malonyl-CoA als Donor der Malonylgruppen für Lysinreste dient, wodurch deren positive Ladung aufgehoben und das sterische Volumen vergrößert wird.^[27] Dies kann die Proteinkonformation, -aktivität und Protein-Protein-Interaktionen verändern und wird mit dem Energiestoffwechsel, insbesondere der Glykolyse und der β-Oxidation, in Verbindung gebracht.^[28] ACSF3 reguliert die durch die Nahrungsaufnahme gesteuerte rhythmische Lysinmalonylierung mitochondrialer Proteine, indem es die Verfügbarkeit von Malonyl-CoA steuert, und moduliert dadurch hepatische Stoffwechselwege wie die Glykogenmobilisierung, die Lipidsynthese und die Triglyceridanreicherung.^[29] Es wurde berichtet, dass das Ausmaß der Lysinmalonylierung je nach Zelltyp variiert.^[18]

Synthese von Acetyl-CoA

Die Umwandlung von Malonyl-CoA zu Acetyl-CoA durch Malonyl-CoA-Decarboxylase (MCD), das anschließend in den Citratzyklus eingespeist werden kann, vervollständigt den Malonsäure-Abbauweg.^[29][3] Gleichzeitig wird dadurch die Anreicherung von Malonyl-CoA begrenzt, das vermutlich ACSF3 über Produkt-Feedback hemmt, und damit die Malonsäureentfernung über diesen Weg aufrechterhält.^[3]

Synthese von mitochondrialem Methylmalonyl-CoA

Methylmalonyl-CoA ist ebenfalls ein membranundurchlässiges Zwischenprodukt und muss daher lokal in den Mitochondrien synthetisiert werden.^[30] Der mitochondriale Methylmalonyl-CoA-Pool wird durch den Propionatstoffwechselweg bereitgestellt, mit zusätzlichen Beiträgen von ACSF3 durch die Aktivierung von Methylmalonsäure.^[16] Methylmalonyl-CoA wird für die Synthese von Succinyl-CoA und für die Lysinmethylmalonylierung benötigt.^[31][32]

Synthese von Succinyl-CoA

Die Umwandlung von Methylmalonyl-CoA zu Succinyl-CoA durch die Methylmalonyl-CoA-Mutase unterstützt die anaplerotische Auffüllung von Zwischenprodukten des Citratzyklus.^[31] Die Bedeutung variiert je nach Gewebetyp und Metabolitspiegel und ist besonders im Gehirn ausgeprägt, wo die Aufrechterhaltung des α-Ketoglutarat-Pools die Produktion von GABA und Glutamin unterstützt.^[31] Mitochondriales Succinyl-CoA ist außerdem essenziell für die Substratkettenphosphorylierung im Citratzyklus, die Hämbiosynthese, die Nutzung von Ketonkörpern und die Lysinsuccinylierung.^[33]

Lysinmethylmalonylierung

Die Lysinmethylmalonylierung, eine pathogene posttranslationale Modifikation, erfordert Methylmalonyl-CoA als Donor, wobei ACSF3 zu dessen Verfügbarkeit beiträgt.^[32]

Klinische Bedeutung

Kombinierte Malon- und Methylmalonazidurie (CMAMMA)

Pathogene Varianten im ACSF3-Gen verursachen die Stoffwechselerkrankung kombinierte Malon- und Methylmalonazidurie (CMAMMA).^[7] CMAMMA ist eine Erkrankung, die durch hohe Konzentrationen von Methylmalonsäure und Malonsäure gekennzeichnet ist. Die Krankheit wird in der Regel entweder durch einen Gentest oder biochemisch durch höhere Methylmalonsäure- als Malonsäurespiegel diagnostiziert. Durch die Berechnung des Verhältnisses von Malonsäure zu Methylmalonsäure im Blutplasma kann CMAMMA von klassischen Methylmalonazidurien unterschieden werden.^[34] Die Störung zeigt typischerweise Symptome in der frühen Kindheit, die zunächst mit hohen Säurewerten im Blut (Ketoazidose) beginnen. Weitere Merkmale sind unwillkürliche Muskelverspannungen (Dystonie), schwacher Muskeltonus (Muskelhypotonie), Entwicklungsverzögerung, Unfähigkeit in der erwarteten Geschwindigkeit zu wachsen und an Gewicht zuzunehmen (Gedeihstörung), Unterzuckerung (Hypoglykämie) und Koma. Bei einigen betroffenen Kindern kann sogar eine Mikrozephalie auftreten. Andere Menschen mit CMAMMA entwickeln bis zum Erwachsenenalter keine Anzeichen und Symptome. Diese Menschen haben in der Regel neurologische Probleme wie Krampfanfälle, Gedächtnisverlust, eine Abnahme der geistigen Leistungsfähigkeit oder psychiatrische Erkrankungen.^[1]

Chronisch obstruktive Lungenerkrankung (COPD)

Eine epigenetische Studie fand eine unterschiedliche DNA-Methylierung des ACSF3-Gens im fetalen Lungengewebe, das mütterlichem Tabakkonsum ausgesetzt war, was auf eine mögliche Rolle bei der Entstehung der chronisch obstruktiven Lungenerkrankung (COPD) bereits während der Entwicklung hindeutet.^[35] Darüber hinaus haben integrative Analysen der DNA-Methylierung und Genexpression in Lungengewebe ACSF3 als einen Schlüsselfaktor bei der Regulation von COPD identifiziert.^[35]

Metabolische Dysfunktion-assoziierte steatotische Lebererkrankung (MASLD)

ACSF3 ist an der Pathophysiologie der mit metabolischer Dysfunktion assoziierten steatotischen Lebererkrankung (MASLD, früher NAFLD) beteiligt.^[11] Seine Expression ist bei Mausmodellen mit fettreicher Ernährung sowie bei den Erkrankungen Adipositas und alkoholischer Lebererkrankung erhöht, wobei letztere beiden mit einer Beeinträchtigung des mitochondrialen Fettsäurestoffwechsels und einer verstärkten Lipidperoxidation einhergehen.^[11] Die Deacetylierung von ACSF3 durch die mitochondriale Deacetylase Sirtuin 3 (SIRT3) führt zu einer verringerten Stabilität und fördert den Abbau von ACSF3, was unter Bedingungen einer fettreichen Ernährung die hepatische Lipidhomöostase verbessert und die Steatose in Mausmodellen reduziert.^[11] Es konnte gezeigt werden, dass die phenolische Verbindung Protocatechusäure (PCA) SIRT3 aktiviert, was die SIRT3-ACSF3-Achse als möglichen therapeutischen Ansatzpunkt für MASLD in den Blickpunkt rückt.^[11][36]

Evolutionäre Rolle

Die uralte humanspezifische regulatorische Variante rs34590044-A hochreguliert die Expression von ACSF3 und ist mit einer erhöhten Körpergröße sowie einer gesteigerten Grundumsatzrate (Basal Metabolic Rate, BMR) assoziiert.^[18] Anatomisch moderne Menschen weisen im Vergleich zu nichtmenschlichen Menschenaffen eine größere Körpergröße und einen höheren, auf die Körpermasse angepassten BMR auf – ein Unterschied, der als Anpassung an fleischreiche Ernährung durch verbesserten Threoninstoffwechsel und verringerte Anhäufung von Methylmalonsäure interpretiert wird.^[18] Funktionelle Studien an menschlichen Zellen und Mausmodellen zeigen, dass ACSF3 für die Aufrechterhaltung der mitochondrialen Aktivität unerlässlich ist und die Osteogenese indirekt beeinflusst, indem es die Anhäufung von Methylmalonsäure begrenzt, und verknüpft auf diese Weise den Stoffwechsel, die Körpergröße und die Ernährung des Menschen.^[18]

Siehe auch

• MECR