PEMT

PEMT erfüllt folgende Funktionen:

• PEMT katalysiert drei sequenzielle Methylierungen durch S-Adenosylmethionin (SAM), die PE zu PC konvertieren. Es ist für ca. 30 % der PC-Biosynthese zuständig.^[1] Der CDP-Cholin-Pfad ist für rund 70 % verantwortlich. Da PC ungefähr die Hälfte aller Phospholipide der Zellmembran ausmacht, ist der PEMT-Pfad entscheidend für die Erhaltung der Zellmembran.
• PC, das mittels des PEMT-Pfads gebildet wurde, kann durch Phospholipasen C/D abgebaut und zur De-novo-Synthese von Cholin genutzt werden. Der PEMT-Pfad ist somit für die Aufrechterhaltung der Hirn- und Leberfunktion sowie des Gesamtstoffwechsels zuständig.
• Phosphatidylcholin-Moleküle, die durch den PEMT-Pfad methyliert wurden, enthalten im Vergleich zu den im CDP-Cholin-Weg synthetisierten Molekülen tendenziell längere, mehrfach ungesättigte Ketten sowie mehr Arachidonsäure.
• Ein wesentlicher Weg der hepatischen PC-Verwertung ist die Sekretion von Galle in den Darm.
• Die PEMT-Aktivität bestimmt zudem die normale Sekretionsrate von VLDL durch die Leber.
• PEMT ist außerdem ein bedeutender Regulator des Plasma-Homocysteins, das sezerniert oder zu Methionin/Cystein umgewandelt werden kann.

Der genaue Mechanismus, mit dem PEMT die sequenziellen Methylierungen katalysiert, ist noch unbekannt. Studien liefern jedoch bereits Hinweise.

Diese Studien legen nahe, dass eine einzige Substratbindungsstelle alle drei von PEMT methylierten Phospholipide bindet.

• Phosphatidylethanolamin (PE)
• Phosphatidyl-Monoethylethanolamin (PMME)
• Phosphatidyl-Dimethylethanolamin (PDME)

Die erste Methylierung ${\displaystyle \mathrm{P}\mathrm{E}⟶\mathrm{P}\mathrm{M}\mathrm{M}\mathrm{E}}$ ist hierbei der geschwindigkeitsbestimmende Schritt des PEMT-Pfads von PE zu PC.

$${\displaystyle \mathrm{P}\mathrm{E}⟶\mathrm{P}\mathrm{M}\mathrm{M}\mathrm{E}⟶\mathrm{P}\mathrm{D}\mathrm{M}\mathrm{E}⟶\mathrm{P}\mathrm{C}}$$

Bei jedem Schritt wird S-Adenosyl-L-Methionin für die Substratmethylierung verwendet. Dabei entstehen das methylierte Substrat und S-Adenosyl-L-Homocystein.

Es wird vermutet, dass die Struktur oder die spezielle Konformation, die PE annimmt, eine geringere Affinität zur aktiven PEMT-Bindestelle aufweist. Folglich würde PMME unmittelbar nach der ersten Methylierung mittels Ping-Pong-Mechanismus in PDME umgewandelt. PDME würde in PC umgewandelt, bevor ein weiteres PE-Molekül an das aktive Zentrum binden könnte.

PEMT wird vorrangig durch sein Substratangebot reguliert, d.h. durch das Vorhandensein von PE, PMME, PDME und SAM. Stehen diese Substrate nur in geringer Menge zur Verfügung, wird PEMT gehemmt. Außerdem wird es durch S-Adenosylhomocystein reguliert (Nebenprodukt der Methylierungen).

Außerdem ist PEMT auch über seine Genexpression reguliert.

Das menschliche PEMT-Gen liegt auf Chromosom 17p11.2 und umfasst neun Exons sowie acht Introns; es codiert mehrere Transkripte, aus denen zwei Isoformen hervorgehen. Die lange Isoform (PEMT-L) und die kurze Isoform (PEMT-S) entstehen durch unterschiedliche Promotornutzung und Spleißvarianten. Alle drei Transkripte werden in der Leber exprimiert, während ein exon-1-haltiges Transkript auch im Herzen nachweisbar ist. ^[2][3] Für PEMT sind regulatorische Varianten beschrieben, darunter Promotorvarianten wie rs12325817, die die hormonabhängige Expression beeinflussen können, sowie kodierende Varianten wie rs7946, die mit verminderter Enzymaktivität assoziiert sind. ^[4][3]

PEMT ist ein membranständiges ER-Enzym mit vier Transmembransegmenten; beide Termini liegen cytosolisch. Die Polypeptidkette umfasst 199 Aminosäuren und hat eine berechnete Molekülmasse von etwa 22 kDa. ^[5][6] Die strukturelle Topologie ist so angeordnet, dass hydrophile Schleifen zwischen den Transmembrandomänen in das ER-Lumen ragen, während die N- und C-terminalen Abschnitte cytosolisch verbleiben. ^[5][6]

In Mäuseversuchen führte ein PEMT-Defizit lediglich zu minimalen PE- und PC-Level-Schwankungen. Wurde dieses jedoch mit einer cholinarmen Ernährung gepaart, führte es zu schwerem Leberversagen. Rasch sinkende PC-Level durch die biliäre PC-Sekretion sowie eine schwindende Membranintegrität durch ein niedrigeres PE/PC-Verhältnis führten zu Steatose und Steatohepatitis.

Ein Valin-zu-Methionin-Austausch an Position 175 führte zu einer niedrigeren PEMT-Aktivität und konnte mit der damals als nichtalkoholische Fettlebererkrankung (NAFLD) bezeichneten Erkrankung (heutige Bezeichnung: metabolische Dysfunktion-assoziierte steatotische Lebererkrankung, MASLD) sowie einer erhöhten Häufigkeit der damals als nichtalkoholische Steatohepatitis (NASH) bezeichneten Erkrankung (heutige Bezeichnung: metabolische Dysfunktion-assoziierte Steatohepatitis, MASH) in Verbindung gebracht werden.^[7]

PEMT moduliert den Homocysteinspiegel im Blutplasma. Hohe Konzentrationen des Homocysteins werden mit Herz-Kreislauf-Erkrankungen und Arteriosklerose (v.a. KHK) in Verbindung gebracht. Bei Mäusen, die eine cholesterin- und fettreiche Ernährung erhielten, konnte ein PEMT-Defizit einer Arteriosklerose vorbeugen. Ein PEMT-Defizit führte zu einem geringeren VLDL-Spiegel. Außerdem führte ein geringerer PC-Gehalt in VLDL zu Strukturveränderungen, wodurch diese schneller entfernt werden konnten.

Mäuse mit einem PEMT-Defizit hatten außerdem keine Gewichtszunahme und waren vor Insulinresistenz geschützt. Eine Erklärung für dieses Phänomen ist das hypermetabolische Verhalten der Mäuse, bei dem sie sich stärker auf Glukose als Energiequelle stützten als auf Fette. Die ausbleibende Gewichtszunahme wurde auf einen Cholinmangel zurückgeführt, da Cholin aus dem über den PEMT-Pfad synthetisierten PC gebildet werden kann.

PEMT-defiziente Mäuse zeigten außerdem erhöhte Serum-Glukagon-Werte, eine erhöhte hepatische Glukagon-Rezeptor-Expression sowie erhöhte AMPK- und Insulin-Rezeptor-Substrat-1 (IRS1)-Ser307-Werte. Letztere vermindern die Insulin-induzierte Signaltransduktion. Zusammen führen diese Umstände zu einer erhöhten Gluconeogenese und letztlich zu einer Insulinresistenz.