Hexokinase 1 (HK1) ist ein Enzym, das beim Menschen durch das HK1-Gen auf Chromosom 10 codiert wird und gehört zur Gruppe der Hexokinasen. Hexokinasen phosphorylieren Glucose, um Glucose-6-phosphat (G6P) zu produzieren und somit den ersten Schritt in den meisten Glucosestoffwechselwegen markieren. Das Gen codiert für eine allgegenwärtige Form der Hexokinase, die an der äußeren Membran der Mitochondrien lokalisiert ist.
Mutationen in diesem Gen wurden mit einer hämolytischen Anämie aufgrund eines Hexokinasemangels in Verbindung gebracht. Alternatives Spleißen dieses Gens führt zu fünf Transkriptvarianten, die verschiedene Isoformen codieren, von denen einige gewebespezifisch sind. Jede Isoform hat einen unterschiedlichen N-Terminus; der Rest des Proteins ist bei allen Isoformen identisch. Eine sechste Transkriptvariante wurde beschrieben, aber aufgrund des Vorhandenseins mehrerer Stopcodons wird nicht angenommen, dass sie ein Protein codiert.HK1 hexokinase 1 (human)
Struktur Hexokinase 1 ist eine von vier hochhomologen Hexokinase-Isoformen in Säugetierzellen.K. Murakami, H. Kanno, J. Tancabelic, H. Fujii: Gene expression and biological significance of hexokinase in erythroid cells. In: Acta haematologica. Band 108, Nummer 4, 2002, S. 204–209, , PMID 12432216 (Review).K. Okatsu, S. Iemura, F. Koyano, E. Go, M. Kimura, T. Natsume, K. Tanaka, N. Matsuda: Mitochondrial hexokinase HKI is a novel substrate of the Parkin ubiquitin ligase. In: Biochemical and biophysical research communications. Band 428, Nummer 1, November 2012, S. 197–202, , PMID 23068103.
Gen Das HK1-Gen umfasst ungefähr 131 kb und besteht aus 25 Exons. Alternatives Spleißen seiner 5′-Exons erzeugt verschiedene Transkripte in verschiedenen Zelltypen: Exons 1-5 und Exon 8 (Exons T1-6) sind Testis-spezifische Exons; Exon 6, das sich etwa 15 kb „stromabwärts“ (engl. downstream) der Testis-spezifischen Exons befindet, ist das Erythroid-spezifische Exon (Exon R); und Exon 7, das sich etwa 2,85 kb stromabwärts von Exon R befindet, ist das erste 5′-Exon für die allgegenwärtig exprimierte HK1-Isoform. Darüber hinaus codiert Exon 7 die in HK1-Genen der Säugetiere konservierte Porin-Bindungsdomäne (PBD). Die restlichen 17 Exons teilen sich alle HK1-Isoformen.
Zusätzlich zu Exon R ist ein Abschnitt des proximalen Promotors, der ein GATA-Element, eine SP1-Stelle, eine CCAAT-Nukleotidsequenz und ein Ets-Bindungsmotiv enthält, für die Expression von Hexokinase R (HK-R) in Erythrozyten erforderlich.
Protein Das HK1-Gen codiert für ein 100 kDa schweres Homodimer mit einer regulatorischen N-terminalen Domäne (Reste 1–475), einer katalytischen C-terminalen Domäne (Reste 476–917) und einer α-Helix, die die beiden Untereinheiten verbindet.A. E. Aleshin, C. Zeng, G. P. Bourenkov, H. D. Bartunik, H. J. Fromm, R. B. Honzatko: The mechanism of regulation of hexokinase: new insights from the crystal structure of recombinant human brain hexokinase complexed with glucose and glucose-6-phosphate. In: Structure. Band 6, Nummer 1, Januar 1998, S. 39–50, , PMID 9493266. Beide Enddomänen bestehen aus einer großen Unterdomäne und einer kleinen Unterdomäne. Die flexible Region der C-terminalen großen Unterdomäne (Reste 766–810) kann verschiedene Positionen einnehmen und soll mit der ATP-Base Adenin interagieren.
Darüber hinaus binden Glucose und Glucose-6-phosphat in enger Nachbarschaft an den N- und C-terminalen Domänen und stabilisieren einen gemeinsamen Konformationszustand der C-terminalen Domäne.A. E. Aleshin, C. Zeng, G. P. Bourenkov, H. D. Bartunik, H. J. Fromm, R. B. Honzatko: The mechanism of regulation of hexokinase: new insights from the crystal structure of recombinant human brain hexokinase complexed with glucose and glucose-6-phosphate. In: Structure. Band 6, Nummer 1, Januar 1998, S. 39–50, , PMID 9493266.A. E. Aleshin, C. Kirby, X. Liu, G. P. Bourenkov, H. D. Bartunik, H. J. Fromm, R. B. Honzatko: Crystal structures of mutant monomeric hexokinase I reveal multiple ADP binding sites and conformational changes relevant to allosteric regulation. In: Journal of molecular biology. Band 296, Nummer 4, März 2000, S. 1001–1015, , PMID 10686099. Gemäß einem Modell wirkt Glucose-6-phosphat als allosterischer Inhibitor, der die N-terminale Domäne bindet, um ihre geschlossene Konformation zu stabilisieren, die dann eine Konformation der flexiblen C-terminalen Unterdomäne stabilisiert, die ATP blockiert. Ein zweites Modell besagt, dass Glucose-6-phosphat als aktiver Inhibitor fungiert, der die geschlossene Konformation stabilisiert und mit ATP um die C-terminale Bindungsstelle konkurriert. Die Ergebnisse mehrerer Studien legen nahe, dass der C-Terminus sowohl katalytisch als auch regulierend wirken kann.M. L. Cárdenas, A. Cornish-Bowden, T. Ureta: Evolution and regulatory role of the hexokinases. In: Biochimica et Biophysica Acta. Band 1401, Nummer 3, März 1998, S. 242–264, , PMID 9540816 (Review). Währenddessen fehlt dem hydrophoben N-Terminus die enzymatische Aktivität, jedoch enthält er die G6P-Regulierungsstelle und das PBD, das für die Stabilität des Proteins und die Bindung an die äußere Mitochondrienmembran (OMM) verantwortlich ist.R. L. Printz, H. Osawa, H. Ardehali, S. Koch, D. K. Granner: Hexokinase II gene: structure, regulation and promoter organization. In: Biochemical Society transactions. Band 25, Nummer 1, Februar 1997, S. 107–112, , PMID 9056853 (Review).
Funktion Als eine von zwei Isoformen der Hexokinase und als Mitglied der Zuckerkinasefamilie (Kinasen, die Hydroxygruppen von Zuckermolekülen phosphorylieren) katalysiert die Hexokinase 1 den geschwindigkeitsbestimmenden und ersten obligatorischen Schritt des Glucosestoffwechsels, bei dem es sich um die ATP-abhängige Phosphorylierung von Glucose zu Glucose-6-phosphat handelt. Physiologische Konzentrationen an Glucose-6-phosphat können diesen Prozess regulieren, indem sie HK1 als negative Rückkopplung hemmen, obwohl anorganisches Phosphat (Pi) die G6P-Hemmung lindern kann. Im Gegensatz zu HK2 und HK3 wird HK1 nicht direkt von Pi reguliert, was besser zu seiner allgegenwärtigen katabolen Rolle passt. Durch die Phosphorylierung von Glucose verhindert HK1 effektiv, dass Glucose die Zelle verlässt und bindet so Glucose an den Energiestoffwechsel.A. Schindler, E. Foley: Hexokinase 1 blocks apoptotic signals at the mitochondria. In: Cellular signalling. Band 25, Nummer 12, Dezember 2013, S. 2685–2692, , PMID 24018046.
Darüber hinaus fördert seine Lokalisierung und Bindung an die äußere Mitochondrienmembran die Kopplung der Glykolyse an die mitochondriale oxidative Phosphorylierung, wodurch die ATP-Produktion durch direktes Recycling von mitochondrialem ATP/ADP erheblich gesteigert wird, um den Energiebedarf der Zelle zu decken.W. T. Regenold, M. Pratt, S. Nekkalapu, P. S. Shapiro, T. Kristian, G. Fiskum: Mitochondrial detachment of hexokinase 1 in mood and psychotic disorders: implications for brain energy metabolism and neurotrophic signaling. In: Journal of Psychiatric Research. Band 46, Nummer 1, Januar 2012, S. 95–104, , PMID 22018957.R. B. Robey, N. Hay: Mitochondrial hexokinases, novel mediators of the antiapoptotic effects of growth factors and Akt. In: Oncogene. Band 25, Nummer 34, August 2006, S. 4683–4696, , PMID 16892082 (Review). Insbesondere bindet OMM-gebundenes HK1 an VDAC1, um die Öffnung der mitochondrialen Permeabilitäts-Transitions-Pore (mPTP) auszulösen und mitochondriales ATP freizusetzen, um den glykolytischen Prozess weiter zu befeuern.
Eine weitere wichtige Funktion von OMM-gebundenem HK1 ist das Überleben der Zellen und der Schutz vor oxidativen Schäden. Die Aktivierung der Proteinkinase B wird durch HK1-VDAC1-Kopplung als Teil des intrazellulären Signalwegs zwischen der Wachstumsfaktor-vermittelten Phosphoinositid-3-Kinase (PI3) und dem intrazellulären Zellüberleben der Proteinkinase B ermöglicht, wodurch die Freisetzung von Cytochrom c und die anschließende Apoptose verhindert werden. Tatsächlich gibt es Hinweise darauf, dass sich die VDAC-Bindung durch das anti-apoptotische HK1 und durch die pro-apoptotische Kreatinkinase sich gegenseitig ausschließen, was darauf hinweist, dass das Fehlen von HK1 die Bindung und Öffnung von VDAC durch Kreatinkinase ermöglicht. Darüber hinaus zeigt HK1 eine anti-apoptotische Aktivität, indem es am OMM befindliche Bcl-2-Proteine antagonisiert, die dann die TNF-induzierte Apoptose hemmen.
Im präfrontalen Kortex bildet HK1 mutmaßlich mit EAAT2, Na+/K+-ATPase und Aconitase einen Proteinkomplex, der dazu dient, Glutamat aus dem perisynaptischen Raum zu entfernen und niedrige Basalspiegel im synaptischen Spalt aufrechtzuerhalten.D. Shan, D. Mount, S. Moore, V. Haroutunian, J. H. Meador-Woodruff, R. E. McCullumsmith: Abnormal partitioning of hexokinase 1 suggests disruption of a glutamate transport protein complex in schizophrenia. In: Schizophrenia research. Band 154, Nummer 1–3, April 2014, S. 1–13, , PMID 24560881, .
Insbesondere ist HK1 die am häufigsten exprimierte Isoform unter den vier Hexokinasen und wird in den meisten Geweben konstitutiv exprimiert, obwohl es hauptsächlich in Gehirn, Nieren und roten Blutkörperchen vorkommt. Die hohe Häufigkeit von HK1 in der Netzhaut, insbesondere im Innensegment des Photorezeptors, in der äußeren plexiformen Schicht, in der inneren Körnerschicht, in der inneren plexiformen Schicht und in der Ganglienzellenschicht bestätigt den entscheidenden metabolischen Zweck.F. Wang, Y. Wang, B. Zhang, L. Zhao, V. Lyubasyuk, K. Wang, M. Xu, Y. Li, F. Wu, C. Wen, P. S. Bernstein, D. Lin, S. Zhu, H. Wang, K. Zhang, R. Chen: A missense mutation in HK1 leads to autosomal dominant retinitis pigmentosa. In: Investigative ophthalmology & visual science. Band 55, Nummer 11, Oktober 2014, S. 7159–7164, , PMID 25316723, . Es wird auch in Zellen exprimiert, die von hämatopoetischen Stammzellen wie Erythrozyten, Leukozyten und Thrombozyten sowie von Erythroid-Vorläuferzellen stammen. Bemerkenswerterweise ist HK1 die einzige Hexokinase-Isoform in Zellen und Geweben, deren Funktion am stärksten vom Glucosestoffwechsel abhängt, einschließlich Gehirn, Erythrozyten, Thrombozyten, Leukozyten und Fibroblasten.A. P. Gjesing, A. A. Nielsen, I. Brandslund, C. Christensen, A. Sandbæk, T. Jørgensen, D. Witte, A. Bonnefond, P. Froguel, T. Hansen, O. Pedersen: Studies of a genetic variant in HK1 in relation to quantitative metabolic traits and to the prevalence of type 2 diabetes. In: BMC medical genetics. Band 12, Juli 2011, S. 99, , PMID 21781351, . Bei Ratten ist es auch die vorherrschende Hexokinase im fetalen Gewebe, wahrscheinlich aufgrund ihrer konstitutiven Glucoseverwertung.S. Reid, C. Masters: On the developmental properties and tissue interactions of hexokinase. In: Mechanisms of ageing and development. Band 31, Nummer 2, 1985 Jul-Aug, S. 197–212, , PMID 4058069.
Klinische Bedeutung Mutationen in diesem Gen sind mit dem Typ 4G des Morbus Charcot-Marie-Tooth assoziiert, die auch als erbliche motorische und sensorische Neuropathie vom Russe-Typ (HMSNR) bezeichnet wird. Aufgrund der entscheidenden Rolle von HK1 bei der Glykolyse wurde ein Hexokinasemangel als Ursache für Erythroenzymopathien identifiziert, die mit einer hereditären nicht-sphärozytären hämolytischen Anämie (HNSHA) assoziiert sind. Ebenso hat ein HK1-Mangel zu einer Schädigung der weißen Substanz, Missbildungen, psychomotorischen Retardierungen sowie zu latentem Diabetes mellitus und Panmyelopathie geführt. HK1 ist in Krebsarten stark exprimiert und seine anti-apoptotischen Wirkungen wurden in hochglykolytischen Hepatomzellen beobachtet.
Neurodegenerative Erkrankungen