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In dieser Arbeit wurden die Strukturen von drei Membranproteinen mittels Einzelpartikel-Kryo‑Elektronenmikroskopie (Kryo‑EM) gelöst. Bei den Membranproteinen handelt es sich um den humanen TRP-Kanal Polycystin‑2, den sekundär-aktiven Transporter BetP aus Corynebacterium glutamicum und den Rotor-Ring der N‑Typ ATPase aus Burkholderia pseudomallei.
Kanäle sind Membranproteine, die Ionen durch eine Pore über die Membran diffundieren lassen. Durch einen präzisen, kanalabhängigen Regulationsmechanismus wird die Pore nur bei Bedarf geöffnet. TRP (transient receptor potential) Kanäle sind anhand von DNA-Sequenzvergleichen identifiziert worden und kommen ausschließlich in Eukaryonten vor. In dieser Arbeit lag der Fokus auf der Strukturbestimmung des humanen TRP Kanals Polycystin‑2 (PC‑2). PC‑2 wurde in einer Studie entdeckt, in der Patienten mit der autosomal dominanten Erbkrankheit „polyzystische Nierenerkrankung“ untersucht wurden. Patienten mit dieser Krankheit tragen eine Mutation in einem der beiden Gene PKD1 oder PKD2, welche für die Proteine Polycystin‑1 und ‑2 kodieren. In dieser Arbeit wurden verschiedene Deletionsmutanten von PC‑2 hergestellt und in das Genom menschlicher HEK293 GnTI‑ Zellen inseriert. Die Zellen, die PC‑2 bzw. die Deletionskonstrukte am stärksten synthetisierten, wurden isoliert und für die rekombinante Proteinherstellung verwendet. Die Expression von PC‑2 führte zu der Entstehung von kristalloidem endoplasmatischem Retikulum. Mutationsstudien in dieser Arbeit zeigen, dass diese morphologische Veränderung durch die Akkumulation von Membranproteinen, die mit sich selbst interagieren, begünstigt wird. Weiter ist es in dieser Arbeit gelungen, PC‑2 zu reinigen und die Struktur des Proteins mit Hilfe von Einzelpartikel Kryo-EM mit einer Auflösung von 4.6 Å zu bestimmen. Die Membrandomäne von PC‑2 ist sehr ähnlich zu den bekannten TRP Kanal Strukturen. Ein Vergleich der PC‑2 Struktur mit dem offenen und geschlossenen TRPV1 Kanal legt nahe, dass PC‑2 in seiner offenen Konformation gelöst wurde.
Der sekundär aktive Transporter BetP von C. glutamicum gehört zu der Familie der BCC- (betaine-carnitine-choline) Transporter und wird durch osmotischen Schock aktiviert. Nach seiner Aktivierung importiert BetP zwei Natriumionen und ein Glycinbetain Molekül. Durch die Akkumulierung von Glycinbetain in der Zelle steigt das osmotische Potential des Zytoplasmas, was den Wasserausstrom aus der Zelle stoppt. Viele Strukturen, die BetP in unterschiedlichen Stadien des Transportprozesses zeigen, konnten bereits mittels Röntgenkristallographie gelöst werden. Allerdings ist die N‑terminale Domäne für die Kristallisation entfernt worden und die C‑terminale Domäne, die komplett aufgelöst ist, ist an einem wichtigen Kristallkontakt beteiligt. Um strukturelle Informationen über die N‑ und C‑terminale Domäne ohne Kristallisationsartefakte zu erhalten, wurde in dieser Arbeit die Struktur von BetP mittels Einzelpartikel Kryo‑EM bestimmt. Die Struktur mit einer Auflösung von 6.8 Å zeigt BetP in einem zum Zytoplasma geöffneten Zustand. Der größte Unterschied zu allen Kristallstrukturen ist die Position der C‑terminalen α‑Helix, die um ~30° rotiert ist und dadurch deutlich enger am Protein zu liegen kommt. Da BetP in Abwesenheit von aktivierenden Stoffen analysiert wurde, wird vermutet, dass es sich bei der gelösten Struktur um den inaktiven Zustand von BetP handelt.
Rotierende ATPasen sind membrangebunden Enzymkomplexe, die bei der zellulären Energieumwandlung eine entscheidende Rolle einnehmen. Sie bestehen aus einem löslichen und einem membrangebundenen Teil. Während in dem löslichen Teil der zelluläre Energieträger Adenosintriphosphat (ATP) entweder synthetisiert oder hydrolysiert wird, baut der membrangebundene Teil entweder einen Ionengradienten auf oder nutzt die Energie eines existierenden Gradienten für die ATP Synthese. Ein wesentlicher Bestandteil des membrangebundenen Teils einer rotierenden ATPase ist der Rotor-Ring. Dieser transportiert Ionen über die Membran und rotiert dabei um seine eigene Achse. In dieser Arbeit wurde eine Studie fortgesetzt, die den Rotor-Ring der N‑Typ ATPase von B. pseudomallei mittels Kryo‑EM untersuchte und zeigte, dass der Rotor-Ring aus 17 identischen Untereinheiten aufgebaut ist. Damit hat die N‑Typ ATPase das größte Ionen-zu-ATP-Verhältnis aller bisher charakterisierten ATPasen. In dieser Arbeit wurde die c17 Stöchiometrie des N‑Typ ATPase Rotor-Rings bestätigt und die Struktur mittels Kryo‑EM bestimmt. Im besonderen Fokus lag dabei der Einfluss von Detergenzien auf die Strukturbestimmung. Es konnte gezeigt werden, dass die beiden Parameter Dichte und Mizellengröße der verwendeten Detergenzien ausschlaggebend für den Erfolg der Strukturbestimmung dieses sehr kleinen Membranproteins sind.
The transporter associated with antigen processing (TAP) is a heterodimeric ATP-binding cassette (ABC) transport complex, which selects peptides for export into the endoplasmic reticulum (ER) and subsequent loading onto major histocompatibility complex class I (MHC I) molecules to trigger adaptive immune responses against virally or malignantly transformed cells. Due to its pivotal role in adaptive immunity, TAP is a target for infectious diseases and malignant disorders, such as bare lymphocyte syndrome type I and cancer. A detailed knowledge about the TAP structure and transport mechanism is fundamental for the development of therapies or drugs against such diseases, but numerous aspects are insufficiently determined to date. The aim of this PhD thesis was to elucidate several structural details of TAP using powerful biochemical and biophysical methods and thereby to contribute to the understanding of the translocation machinery functionality.
High protein yields, an efficient isolation from the lipid environment and subsequent purification of a stoichiometric, stable, and functional TAP complex are prerequisites to get detailed insights into TAP functionality. The natural product digitonin is typically used as detergent to isolate TAP, but suffered from fluctuating purity and high costs. The novel detergent GDN was selected from a number of potential detergents upon their ability to isolate and purify TAP overcoming the limitations of digitonin without compromising on functional integrity. State-of-the-art biophysical techniques, such as solid-state nuclear magnetic resonance (NMR), require highly concentrated protein samples. A new and mild procedure to concentrate TAP was established within this thesis. Freeze drying is superior to conventional concentration techniques, such as ultrafiltration, resulting in TAP inactivation and aggregation already at concentrations of 10 mg/mL. This new procedure enables stabilizing TAP in a condensed glycerol matrix and to concentrate the transport complex up to 30 mg/mL active transporter. The functional integrity of the freeze-dried TAP complex was verified by determining equilibrium dissociation constants, peptide dissociation and ATP-hydrolysis rates as well as long-term stabilities identical to untreated TAP. The combined application of the detergent GDN and the freeze drying procedure facilitates the cost-efficient isolation of functional and highly concentrated TAP and enables to study the structure and mechanism of the peptide transporter TAP using modern analyses methods.
Information on peptide-TAP interactions at atomic level have not been obtained so far. This lack of knowledge hampered the mechanistic understanding of the initial steps of substrate translocation catalyzed by TAP. Dynamic nuclear polarization (DNP) enhanced magic angle spinning (MAS) solid-state NMR on highly concentrated TAP samples prepared with the freeze-drying procedure was used within this thesis to study this challenging membrane protein-substrate complex. The affinity and specificity of peptide binding by TAP are mediated by multiple recognition sites in the N- and C-terminal regions. Side-chains of positions 1, 3, and 9 are most substantially affected upon binding to TAP, revealing recognition principles of the translocation machinery. The nonamer peptide binds to TAP in an extended conformation with an N-to-C terminus distance of ~2.5 nm. Molecular docking revealed that the peptide substrate is locked with its N and C termini between TAP1 and TAP2 and adopts a tilted pose with respect to the membrane plane. The identified contact sites of TAP are consistent with results from earlier crosslinking and mutational analyses on the TAP complex.
The inadequate structure determination and insufficient knowledge about the dynamics of substrate translocation impedes a detailed comprehension of the TAP transport mechanism. Advanced biophysical methods, such as pulsed electron paramagnetic resonance (EPR) or single-molecule Förster resonance energy transfer (FRET), enable to locate the peptide-binding pocket and to elucidate dwell-times, conformational states and dynamics within the translocation cycle of TAP. The specific introduction of spin or fluorescent labels via single cysteines for such studies requires a cysteine-less TAP complex. The endogenous cysteine 213 in TAP2 remained to create a pseudo Cys-less TAP complex within this thesis due to its altered substrate repertoire when mutated to serine as shown in previous studies. Latter complex was used to introduce single-Cys mutations in the cytosolic extensions of transmembrane helices of TAP1. Their functional integrity with respect to peptide binding and translocation was comparable to pseudo Cys-less TAP. All pseudo single cysteines were efficiently labeled, but unintentionally C213TAP2 was labeled as well and TAP concomitantly inactivated. These unsatisfactory initial experiments required the generation of a functional, entirely Cys-less TAP transporter within this thesis. Therefore, C213TAP2 was replaced by all 19 proteinogenic amino acids. All analyzed mutants were capable to bind a high-affinity peptide of TAP, but with varying affinities and binding capacities. The replacement of C213 by isoleucine enabled the generation of a cysteine-less TAP complex with functional characteristics similar to the wild-type transporter and will promote the elucidation of the translocation mechanism of the peptide transporter TAP in future studies using pulsed EPR and single-molecule FRET.