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The phospholipid bilayers are the primary constituents of the membrane in living cells in which lipids are hold together in bilayer leaflets through a combination of different forces into the liquid crystalline (Lα) phase. Despite their thin fragile formations, the phospholipid bilayers are responsible for performing a variety of important tasks in the cells, some of which are carried out directly by the lipid bilayers and some by various integral proteins embedded within the bilayers. There have been continues efforts over the past decades to replicate the compound biophysical properties of living cell membranes in model lipid bilayers.
An important question remains unanswered: is it possible to replicate physical properties under “non-equilibrium” conditions as found in cell membranes in model lipid bilayers? In almost all previous studies, the model lipid bilayers were under static conditions – for instance, at zero lateral pressure. However, in living organisms, the cell membranes are involved in continuous (nonequilibrium) exchange and (or) transport of lipid species with the surrounding environment which consequently leads them to experience continuous lateral pressure variations. One suitable in vitro approach is to spatiotemporally control the model lipid bilayers over a time period during which they can be spatially stimulated at a level compatible to that found under in vivo conditions. This can be achieved with high spatiotemporal resolution by making lipids light-dependent through implementation of azobenzene photoswitch in their structures.
In this study, a specific azobenzene containing photolipid (AzoPC) is integrated into POPE:POPG bilayers (POPE: 1-palmitoyl-2-oleoyl-sn-glycero-3-phosphoethanolamine, POPG: 1-palmitoyl-2-oleoyl-sn-glycero-3-phospho-(1'-rac-glycerol)) at ~14 mol% to construct a photo responsive model bilayers entitled as photoliposomes. Magic angle spinning solid-state NMR spectroscopy (MAS-NMR) at high field (850 MHz) is the measurement technique of choice by which it is possible to pursue the dynamics (fluidity) of the bulk lipids within the photoliposomes at atomistic resolution. It is shown that the AzoPCs undergo an efficient trans-to-cis isomerization (~85%) within the photoliposomes as the result of UV light absorption, and thermally relax back to the trans state during a period of ~65 h under the MAS measurement conditions. The order parameter measurements based on the C−H dipolar couplings reveal that the non-equilibrium cis-to-trans thermal isomerization impact of AzoPC on the fluidity of the bulk lipid is highly localized – the fluidity perturbations originate from specific order parameter changes in the middle section of the bulk lipid acyl chains. Further 1H NOESY measurements confirm the hypothesis that the azoswitch topologies in either cis and trans conformer of the photolipid is the key parameter in localized alteration of the C−H order parameters along the bulk lipid acyl chains.
Diacylglycerol kinase (DgkA) from E. coli is an enzyme responsible for the phosphorylation of diacylglycerol to phosphatidic acid, at the expense of adenosine triphosphate. Structurally, DgkA is a homo oligomer composed of three symmetric 14 kDa protomers, each of which has three transmembrane helices and one surface helix. Upon embedding within the photoliposomes, it is shown that DgkA enhances the AzoPC localization impact on the fluidity of the bulk lipids. In this regard, the results of a series of statistical simulations of lipid lateral diffusions along the bilayer leaflets in presence and absence of embedded proteins are accompanied with those of experimentally measured based upon which it is justified that membrane proteins markedly limit lipid lateral diffusions in the bilayers. In case of the DgkA proteo-liposomes with lipid-to-protein ratio of 50, it is estimated that the diffusion coefficient of lipids is above 2-fold lower compared to that of the protein free liposomes.
The cis-to-trans AzoPC isomerization and its following consequence in localized alteration of the bulk lipid fluidity is further investigated on the structural dynamics and enzymatic functionality of the embedded DgkA within the proteo-photoliposomes. It is revealed that DgkA structural dynamics are perturbated in a multi-scale, complex manner. The dynamics of residues located in different regions of DgkA changes with the light-induced AzoPC isomerization, but their time courses differ from residue to residue. For example, 29Ala, a residue on the hinge between the surface helix and membrane helix-1, exhibits the steepest time-dependent cross peak intensity changes in time-resolved NCA spectra. The impact of the lasting membrane fluidity perturbation on the enzymatic functionality of the embedded DgkA is subsequently measured which demonstrates a significant variation under cis- and trans-AzoPC conformations within the proteo-photoliposomes.
Transport mechanism of a multidrug resistance protein investigated by pulsed EPR spectroscopy
(2019)
In human several diseases result from malfunctions of ATP-binding cassette (ABC) systems, which form one of the largest transport system superfamily. Many ABC exporters contain asymmetric nucleotide-binding sites (NBSs) and some of them are inhibited by the transported substrate.1 For the active transport of diverse chemically substrates across biological membranes, ABC transport complexes use the energy of ATP binding and subsequent hydrolysis. In this thesis, the heterodimeric ABC exporter TmrAB2,3 from Thermus thermophilus, a functional homolog of the human antigen translocation complex TAP, was investigated by using pulsed electron-electron double resonance (PELDOR/DEER) spectroscopy. In the presence of ATP, TmrAB exists in an equilibrium between inward- and outward-facing conformations. This equilibrium can be modulated by changing the ATP concentration, showing asymmetric behaviour in the open-to-close equilibrium between the consensus and the degenerate NBSs. At the degenerate NBS the closed conformation is more preferred and closure of one of the NBSs is sufficient to open the periplasmic gate at the transmembrane domain (TMD).3 By determining the temperature dependence of this conformational equilibrium, the thermodynamics of the energy coupling during ATP-induced conformational changes in TmrAB were investigated. The results demonstrate that ATP-binding alone drives the global conformational switching to the outward-facing state and allows the determination of the entropy and enthalpy changes for this step. With this knowledge, the Gibbs free energy of this ATP induced transition was calculated. Furthermore, an excess of substrate, meaning trans-inhibition of the transporter is resulting mechanistically in a reverse transition from the outward-facing state to an occluded conformation predominantly.3 This work unravels the central role of the reversible conformational equilibrium in the function and regulation of an ABC exporter. For the first time it is shown that the conformational thermodynamics of a large membrane protein complex can be investigated. The presented experiments give new possibilities to investigate other related medically important transporters with asymmetric NBSs or other similar protein complexes.
The membrane protein Green Proteorhodopsin (GPR), found in an uncultured marine γ-proteobacterium, is a retinal binding protein and contains a conserved structure of seven transmembrane helices (A-G). The retinal is bound to a conserved lysine residue (K231) in helix G via Schiff base linkage. It belongs to the widespread family of microbial rhodopsins and functions as a light dependent outward proton pump that bacteria may utilize for establishing a proton gradient across the cellular membrane. Proton pumping takes place after photon absorption, where GPR goes through a series of conformational changes, termed photocycle, causing the proton to be transported across the cellular membrane from the intra-cellular to the extracellular space. It is further mediated by the highly conserved functional residues D97 and E108, which function as the primary proton acceptor and primary proton donor for the protonated Schiff base, respectively. Another functionally important residue is the highly conserved H75 in helix B. It forms an intra-molecular cluster with D97 and is responsible for the high pKa value of the primary proton acceptor, stabilized by a direct interaction between D97 and H75.
Different Proteorhodopsin variants are globally distributed and colour tuned to their environment, depending on the water depth in which they occur. A single residue in the retinal binding pocket at position 105 is responsible for determining the absorption wavelength of the protein. GPR (from eBAC31A08) contains a leucine at position 105, while BPR (blue proteorhodopsin, from Hot75m4) in deeper waters possesses a glutamine. Although GPR shows 79% sequence identity with BPR, a single amino acid substitution (L105Q) in GPR is able to switch the absorption maximum to the one of BPR.
Protein oligomerisation describes the association of subunits (protomers) through non-covalent interactions, forming macromolecular complexes. It is an important structural characteristic of microbial rhodopsins, contributing to structural stability and promoting tight packing of the protomers in the bacterial membrane. GPR was shown to assemble into radially arranged oligomers, mainly pentamers and hexamers. No high resolution crystal structure of the whole GPR complex is available, but the structurally related BPR (Hot75m4) was successfully crystallized, showing pentameric oligomers.
The BPR crystal structure model reveals detailed information about complex assembly of the whole proteorhodopsin family. It reveals the oligomeric structures and shows residues that are part of the protomer interfaces, forming cross-protomer contacts, which is valuable information for the elaborate analysis of cross-protomer interactions of GPR oligomers.
Based on the knowledge of GPR and BPR oligomeric complexes, the aim of this study is to analyse specific cross-protomer contacts and to characterize the functional role of GPR oligomerisation. This includes the identification of residues, which are part of charged cross-protomer contacts and play an important role for the formation of the GPR oligomeric complex. Furthermore, this study deals with a detailed characterization of a potentially functional cross-protomer triad between the residues D97-H75-W34, which was detected in the BPR structural model. Hereby, the focus lies especially on the functional role H75, which is highly conserved and is positioned in between the primary proton acceptor D97 and W34 across the protomer interface. In summary, this study addresses GPR oligomerisation via specific cross-protomer contacts and its potential role for the functional mechanism of the protein.
The fundamental technique used in this study is solid-state NMR. Furthermore, an elaborate characterization of GPR oligomerisation was executed using a variety of biochemical methods and mutational approaches. Solid-state NMR is a powerful biophysical method to analyse membrane proteins in their native lipid environment and can be used to obtain diverse information about structure, molecular dynamics and orientation of the protein in the lipid bilayer.
Solid-state NMR naturally has a low sensitivity. In order to detect the low number of spins, DNP signal enhancement is of particular importance in this study. It is exhibited under cryogenic conditions and allows to drastically enhance the solid-state NMR signal by transferring magnetization from highly polarized electrons to the nuclear spins.
By applying these methods and techniques on GPR oligomers, this study reveals new insights in specific cross-protomer interactions in the complex. First the oligomeric states of GPR were determined for the specific experimental conditions used in this study. LILBID-MS, BN-PAGE and SEC analysis identified the pentameric state to be dominant for GPR. Furthermore, specific interactions across the protomer interface, which drive GPR oligomerisation, were identified. This was conducted by creating mixed 13C-15N labelled complexes. These mixed complexes show a unique isotope labelling pattern across their protomer interfaces. Solid-state NMR 13C-15N-correlation spectroscopy (TEDOR) was used to identify through-space dipole-dipole couplings, which indicate specific cross-protomer contacts. The results indicated that the residues R51, D52, E50 and T60 are important for GPR oligomerisation, and further analysis via single mutations of these residues showed a severe impact of the GPR oligomerisation behaviour.
The functional importance of GPR oligomerisation was analysed by DNP-enhanced solid-state NMR on the cross-protomer D97-H75-W34 triad. The DNP cryogenic conditions allowed to trap GPR in distinct stages of the photocycle. It could be shown that trapping GPR in a specific intermediate leads to a drastic conformational effect for the highly conserved H75 residue. Furthermore, DNP-enhanced solid-state NMR was used to characterize the cross-protomer contact between H75 and W34. Mutations of W34 could show that the cross-protomer interaction is highly important for the functionality of the protein, as negative mutants such as W34E showed a reverse proton transport across the bacterial membrane.
In summary this study represents a detailed analysis of GPR cross-protomer interactions and sheds light into the cause and functional importance of oligomeric complex formation in the microbial rhodopsin.
Cytochrome c oxidases are among the most important and fundamental enzymes of life. Integrated into membranes they use four electrons from cytochrome c molecules to reduce molecular oxygen (dioxygen) to water. Their catalytic cycle has been considered to start with the oxidized form. Subsequent electron transfers lead to the E-state, the R-state (which binds oxygen), the P-state (with an already split dioxygen bond), the F-state and the O-state again. Here, we determined structures of up to 1.9 Å resolution of these intermediates by single particle cryo-EM. Our results suggest that in the O-state the active site contains a peroxide dianion and in the P-state possibly an intact dioxygen molecule, the F-state may contain a superoxide anion.
Die Familie der ubiquitären ATP binding cassette (ABC)-Membranproteine katalysiert unter Hydrolyse von ATP die Translokation von Substraten über biologische Membranen. In der hier vorliegenden Arbeit wurde die Struktur und Funktion des osmoprotectant uptake (Opu) Systems A aus B. subtilis untersucht, das aus drei Untereinheiten, der ATPase OpuAA, dem integralen Membranprotein OpuAB und dem Substrat-Bindeprotein OpuAC, besteht und unter hyperosmolaren Bedingungen die kompatiblen Solute Glycin-Betain (GB) und Prolin-Betain (PB) in die Zelle importiert, um eine Plasmolyse zu verhindern. Sämtliche Untereinheiten wurden getrennt oder als OpuAA/AB Komplex in E. coli überproduziert und bis zur Homogenität isoliert. OpuAA zeigte ein dynamisches Monomer-Dimer Gleichgewicht (KD= 6 µM), das durch Nukleotide beeinflusst wurde. Unter Bedingungen hoher Ionenstärke konnten Monomer und Dimer getrennt isoliert und analysiert werden. Die Affinitäten und Stöchiometrien der OpuAA/Nukleotid Komplexe wurden unter Verwendung des fluoreszierenden TNP-ATP bzw. einer Nukleotid-sensitiven Trp-Mutante des OpuAA untersucht. Das Monomer hatte ein Molekül TNP-ATP gebunden, während zwei Moleküle TNP-ATP in dimerem OpuAA detektiert wurden. Die Affinität von Nukleotiden zu OpuAA nahm in folgender Reihe zu: ATP<ATP/Mg2+<ADP/Mg2+. Eine Erhöhung der Ionenstärke bewirkte nicht nur eine Erniedrigung der KD-Werte von OpuAA/Nukleotid Komplexen, sondern auch eine Steigerung der ATPase Aktivität. In 1 M NaCl zeigte das Monomer basale ATPase Aktivität, während das Dimer nur sehr geringe Aktivität hatte, jedoch durch Zugabe von OpuAB und OpuAC aktiviert wurde. K+ wurde als ein Modulator der ATPase Aktivität von OpuAA identifiziert. Die Zugabe von TNP-ADP/Mg2+ induzierte in dimeren OpuAA einen konformellen Wechsel, der zu einem Zerfall des Dimers führte. Monomer und Dimer hatten gegenüber Nukleotiden unterschiedliche Affinitäten, was eine unterschiedliche Architektur der Nukleotid-Bindetasche implizierte. Die Architektur des OpuAA Dimers wurde mittels FRET untersucht. Dazu wurde OpuAA ortspezifisch mit Fluorophoren markiert und ein Verfahren etabliert, in dem die intermolekularen Distanzen des Dimers bestimmt werden konnten. Ein Vergleich der Distanzen mit anderen NBD Dimeren zeigte, dass OpuAA eine zu BtuD oder MalKE. coli vergleichbare Dimer Architektur mit einer head-to-tail Orientierung hat. Die Struktur des OpuAC/GB und OpuAC/PB Komplexes wurde durch Röntgenstrukturanalyse mit einer Auflösung von 2,7 Å bzw. 2,8 Å aufgeklärt und zeigte zwei globuläre Domänen, die über zwei Peptidsegmente miteinander verbunden waren. Die delokalisierte positive Ladung des Liganden war von einem cluster aus drei Trp-Resten, dem sog. "Tryptophan-Prisma", über kationische-p-Interaktion komplexiert. Nach Ligandenbindung wurden beide Domänen durch eine Wasserstoffbrücke zwischen den konservierten Asp22 und Trp178 überbrückt. Dieser molekulare Schalter wurde von OpuAC genutzt, um Affinitäten von GB und PB zu regulieren.
Die Tumorprotein-Familie des Proteins p53 besteht aus drei Familienmitgliedern p53, p63 und p73 mit diversen Funktionen als Transkriptionsfaktoren. p53 war das erste Mitglied dieser Familie, das im Jahre 1979 entdeckt wurde und wurde zunächst als krebsverursachendes Protein eingeordnet, weil es in vielen Tumorgeweben in erhöhter Menge vorgefunden wurde. Es wurde allerdings festgestellt, dass der Großteil dieser gefundenen p53-Proteine funktionsunfähig durch Mutationen in ihrer Aminosäuresequenz waren. Unmutiertes p53 hingegen führt zu einem Stopp von Zellteilung oder sogar Zelltod, sofern die Zellen genetischem Stress durch Strahlung oder mutagene Chemikalien ausgesetzt sind. Heute wird p53 als eines der wichtigsten Tumor-Unterdrückungsproteine betrachtet. Die beiden anderen Familienmitglieder p63 und p73 existieren in einer Vielzahl von Isoformen. Neben carboxyterminaler alternativer mRNA-Prozessierung (α, β, γ, usw. Isoformen) führen zwei unabhängige Promotoren auch zu zwei unterschiedlichen Aminotermini. Hier wird zwischen ΔN- und TA-Isoformen unterschieden. Im Falle von p63 treten zwei dominante Isoformen auf, ΔNp63α und TAp63α. Während ΔNp63α eine Rolle in der Differenzierung von Haut spielt, wurde TAp63α bisher ausschließlich in Eizellen gefunden. Dort hat es die Funktion eines Sensors, der die genetische Integrität der weiblichen Keimbahn sicherstellt. Es liegt in Eizellen in hoher Konzentration vor, allerdings in einer komplett inaktiven Form. Werden Schäden im der Erbgut der Eizelle festgestellt, so wird das Protein aktiviert und kann so den Prozess des Zelltods der Eizelle einleiten. Mutationen oder das Fehlen des p63-Genes führen zu Missbildungen während der Entwicklung und zu unvollständig ausgebildeter Haut. Im Falle von p73 gibt es ebenfalls mehrere Isoformen, wobei die Funktionen und Relevanzen der einzelnen Isoformen bisher nicht komplett geklärt werden konnten. Eine p73-negative Maus hat einen diffusen Phänotyp, der sich durch niedrige Intelligenz, fast sterile Männchen und chronische bronchiale Infektion auszeichnet. Generell sind alle Mitglieder der p53-Familie tetramere Proteine und sind nur in diesem Zustand auch aktiv. Die einzige Ausnahme stellt, wie oben beschrieben, TAp63α dar, das in einem inaktiven dimeren Zustand vorliegt und nur durch Modifikation durch zwei unabhängige Kinasen aktiviert werden kann. Dabei geht es in den tetrameren Zustand über und ist daraufhin aktiv.
Alle drei Proteine haben (anhand ihrer längsten Isoform beschrieben) eine konservierte Domänenstruktur. Am Aminoterminus befindet sich zunächst die transaktivierende-Domäne (TAD), die für Interaktionen mit transkriptionellen Koaktivatioren relevant ist. Danach folgt die stark konservierte Desoxyribonukleinsäure (DNA) bindende Domäne (DBD). Sie stellt sicher, dass der Transkriptionsfaktor sequenzspezifisch an der richtigen Stelle auf die DNA bindet. Weitergehend folgt die Tetramerisierungsdomäne (TD), welche den oligomeren Zustand des Proteins herstellt. Im Falle von p53 endet das Protein an dieser Stelle, bei p63 und p73 folgen noch das Sterile-Alpha-Motiv (SAM) und die Transkription-inhibierende Domäne (TID). Die SAM Domäne wird generell als Interaktionsdomäne beschrieben, es konnte allerdings bis dato kein Interaktionspartner gefunden werden. Die TID hat einen negativen Einfluss auf die transkriptionelle Aktivität der Proteine. Im Falle von TAp63α interagiert sie zusätzlich mit der TAD um den Dimeren Zustand zu stabilisieren.
Histon Acetylasen
Die Acetylierung von Histonen ist neben deren Methylierung die wichtigste Modifikation. Sie ist essenziell für die Transkription innerhalb aller eukaryontischen Lebewesen, da sie durch die Modifikation von Histonen die DNA für die DNA-Polymerase II zugänglich macht. Es gibt insgesamt fünf verschiedene, nicht näher miteinander verwandte Familien von Histonacetylasen. Diese Studie beschäftigt sich ausschließlich mit der KAT3 Familie, bestehend aus den Proteinen p300 und CBP. Beide sind hochgradig konserviert, in gefalteten Bereichen der Proteine erreicht die Sequenzidentität fast 100%. Beide Proteine scheinen sehr ähnliche Aufgaben zu erfüllen, die jedoch nicht komplett identisch sind. Die Fehlfunktion von einem Allel von CBP führt zum Krankheitsbild des Rubinstein-Taybi-Syndrom (RTS), während ein Mangel an p300 sich in Mäusen auf das Gedächtnis auswirkt. Der komplette Verlust beider Allele eines der Proteine ist immer tödlich, genauso wie auch Verlust jeweils eines Allels bei beiden Proteinen. Insgesamt vier unabhängige Domänen in p300/CBP sind in der Lange die transaktivierende Domänen der p53-Familie zu binden. Bei zwei der Domänen handelt es sich um Zinkfinger-Proteine (Taz1 und Taz2), die anderen beiden sind kleine, ausschließlich α-helikale Domänen (Kix und IBiD).
Diese Studie beschäftigt sich mit der Lösung von Strukturen von der transaktivierenden Domäne von p63 und p73 mit der p300-Domäne Taz2. Außerdem wurden die Auswirkungen von direkten Acetylierungen von TAp63α charakterisiert und der Effekt von einem potenten p300/CBP Inhibitor auf Oozyten unter genotoxischem Stress analysiert. Zusätzlich wurde die Phosphorylierungskinetiken von Tap63α wärend der Aktivierung durch Kinasen untersucht.
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The transporter associated with antigen processing-like (TAPL) acts as a lysosomal ATP-dependent polypeptide transporter with broad length selectivity. To characterize in detail its substrate specificity, a procedure for solubilization, purification and functional reconstitution of human TAPL was developed. TAPL was expressed in Sf9 insect cells with the baculovirus expression system and solubilized from crude membranes. By intensive screening of detergents, the mild non-ionic detergents digitonin and dodecylmaltoside were found to be ideal for solubilization with respect to efficiency, long term stability, and functionality of TAPL. TAPL was isolated in a two-step procedure with a yield of 500 micro g/L cell culture and, subsequently, reconstituted into proteoliposomes. The KM(pep) for the peptide RRYCfKSTEL (f refers to fluorescence label) and KM(ATP) were determined to be 10.5 ± 2.3 micro M and 97.6 ± 27.5 micro M, respectively, which are in the same range as the Michaelis-Menten constants determined in the membranes. The peptide transport activity of the reconstituted TAPL strongly depends on the lipid composition. Interestingly, the E. coli lipids are prefered over other tested natural lipids extracts. Moreover, phosphatidylcholine, the most abundant phospholipid in eukaryotic cells influenced TAPL activity in a dose dependent manner. In addition, some negatively charged lipids like DOPA and DOPS increased peptide transport activity with preference for DOPS. However, DOPE or egg PG which are also negatively charged had no effect. It seems not only the charge but also the specific head group of phospholipids that has impact on the function of TAPL. With the help of combinatorial peptide libraries containing D-amino acid residues at defined positions as well as bulky fluorescein labeled peptides, the key positions of the peptides were localized to the N- and C-terminal residues with respect to peptide transport. The C-terminal position has the strongest selectivity since modification at this position shows strongest impact on peptide transport. Additionally, positions 2 and 3 of the peptide also have weak influence on peptide selectivity. Subsequently, the residue preferences at the key positions were systematically investigated by combinatorial peptide libraries with defined residues at certain positions. At both ends, TAPL favors positively charged, aromatic, or hydrophobic residues and disfavors negatively charged residues as well as asparagine and methionine. The residue preferences at the key positions are valid for peptide substrates with different length, indicating a general rule for TAPL selectivity. Besides specific interactions of both terminal residues, electrostatic interactions are important, since peptides with positive net charge are more efficiently transported than negatively charged ones. By size exclusion chromatography (SEC) and blue native PAGE, TAPL purified in the presence of digitonin or dodecylmaltoside had an apparent molecular weight of 200 kDa which is close to the theoretical molecular mass of the TAPL homodimer (172 kDa). The purified and reconstituted TAPL showed specific ATP hydrolysis activity which can be inhibited by orthovanadate. TAPL in proteoliposomes showed 6-fold higher ATP hydrolysis than digitonin solubilized protein, indicating the phospholipids impact on TAPL function. However, no peptide substrate stimulated ATPase activity was observed. For site-specific labeling of TAPL, eight cysteines in each half transporter were replaced by alanine or valine. The TAPL cys-less mutant showed the same peptide transport activity as TAPL wt. Based on the functional TAPL cys-less mutant, seven single cysteine mutants were introduced into strategic positions. All single cysteine mutants in the TMD did not influence peptide transport, whereas the mutant L701C, which is close to the conserved H-loop motif, displayed impaired transport. TAPL orthologs Haf-4 and Haf-9 from Caenorhabditis elegans possess around 40% sequence identities with TAPL and 50% with each other. Both proteins are putative half transporters and reported to be involved in the intestinal granule formation (Bauer, 2006; Kawai et al., 2009). To further understand the physiological functions of these two proteins, they were expressed in Sf9 insect cells. Haf-4 and Haf-9 showed weak but specific ATP- and peptide-dependent peptide transport activity for the given peptide RRYCfKSTEL. Therefore, it was proposed that the physiological roles for Haf-4 and Haf-9 might be related to their peptide transport activity. Besides forming functional homodimeric complex as estimated by the peptide transport activities, both half transporter could also form heteromers which was confirmed by coimmunoprecipitation. However, the heteromers showed decreased transport activity.
In der vorliegenden Arbeit wurden Untersuchungen an zwei verschiedenen Retinalproteinen durchgeführt. Das erste analysierte Retinalprotein, Channelrhodopsin 2, wurde hauptsächlich auf die Beziehung zwischen Retinalisomerisierung und Photozyklus bzw. Funktionalität untersucht. Hierfür wurde das Chromophor all-trans Retinal durch verschiedene, sterisch anspruchsvolle, Retinalanaloga ersetzt. Das 9,12-Phenylretinal wurde bereits in BR erfolgreich eingesetzt, um die Isomerisierung des all-trans Retinals zum 13-cis Retinal in der Bindetasche zu verhindern und die Funktionalität des Proteins zu stoppen. In ChR2 hingegen kann das Phenylretinal nach Lichtanregung isomerisieren und ein Photoprodukt bilden, welches anschließend einen modifizierten Photozyklus durchläuft. In diesen Photozyklus zerfällt das erste Photoprodukt P1' sehr schnell und bildet ein zusätzliches Intermediat, Px, welches zeitlich zwischen dem P1' und P2' Intermediat liegt und eine grundzustandsähnliche Absorptionsbande besitzt. Im Vergleich zum Wildtyp läuft der modifizierte Photozyklus schneller ab als im Wildtyp und das Protein behält seine Funktion. Ein weiteres Retinalanalogon ist das trans-locked Retinal, welches sich als schwierig in das Protein einzubauen erwies. Dies resultierte in zwei verschiedenen Absorptionsbanden, wobei nicht klar war, welche die mit dem korrekt eingebauten Retinal war. Beide Banden wurden in Ultrakurzzeitexperimenten angeregt, hierbei stellte sich heraus, dass die bathochrom verschobene Spezies das korrekt eingebaute Retinal besitzt, da diese auch eine Schwingungsfeinstruktur, wie auch der Wildtyp, zeigt. Das trans-locked Retinal kann ChR2 erfolgreich an der Isomerisierung hindern und zeigt nach dem Zerfall des angeregten Zustandes keine Photoprodukt-Bildung.
Bei dem zweiten Retinalprotein, welches in dieser Arbeit untersucht wurde, handelt es sich um Krokinobacter eikaustus rhodopsin 2. Zuerst wird in dieser Arbeit die Primärreaktion des Proteins untersucht. Diese wurde unter verschiedenen Salzbedingungen, welche wichtig für die spätere Funktion des Proteins sind, jedoch auch Einfluss auf die Ultrakurzzeitdynamik des Proteins nehmen, analysiert. Der angeregte Zustand des Proteins zerfällt biexponentiell, wobei die erste Komponente den reaktiven Pfad und die langsamere Komponente den nicht-reaktiven Pfad beschreibt. Der reaktive Pfad bildet innerhalb einiger hundert Femtosekunden das bathochrom verschobene, isomerisierte J Intermediat, welches durch Kühlprozesse auf der unteren Pikosekundenzeitskala in das K Intermediat übergeht. Beim nicht-reaktiven Pfad zerfällt der angeregte Zustand innerhalb einiger Pikosekunden und geht in den Grundzustand über, ohne dass eine Isomerisierung des Retinals stattfindet. Sind Na+ oder K+ Ionen in der Lösung anwesend, sind diese Prozesse gleich schnell. In Abwesenheit dieser Ionen wird der nicht-reaktive Pfad stärker populiert und zerfällt langsamer. Das gleiche salzabhängige Verhalten konnte mit der Mutante H30A gezeigt werden. Die Aminosäure H30 sitzt im Interface zweier Oligomere in der Nähe der extrazellulären Na+ Bindestelle. Durch die Mutation von Histidin zu Alanin, wird das Protein fast ausschließlich zu einer Na+-Pumpe und pumpt kaum noch Protonen. Die Ultrakurzzeitdynamik bleibt jedoch unbeeinflusst davon und unterscheidet sich nicht vom Wildtyp. Neben dem normalen all-trans Retinal wurden auch hier, wie schon für Channelrhodopsin 2, Retinalanaloga im Wildtyp untersucht, hier hauptsächlich unter dem Aspekt der Farbanpassung. Die hier verwendeten Analoga waren das A2 Retinal und das MMA Retinal (MMAR), die beide durch die Erweiterung des -Systems zum Grundzustand rotverschobene Absorptionsspektren aufweisen. Das A2 Retinal besitzt eine weitere Doppelbindung und das MMAR zwei weitere Doppelbindungen im -Jonen Ring im Vergleich zum Retinal. Das MMAR hat zusätzlich noch eine weitere Methylamino-Gruppe. Durch das größere -System hat das MMAR auch die größere Rotverschiebung im Spektrum. Beide Retinalanaloga zeigen sehr breite ESA Banden und isomerisieren nur zu einem geringen Prozentsatz, die Hauptpopulation der angeregten Moleküle geht über den nicht-reaktiven Pfad zurück in den Grundzustand.
Der Photozyklus von KR2 wurde ebenfalls untersucht. Hierbei wird unter anderem das Verhalten des Proteins unter verschiedenen pH- und Salzbedingungen analysiert. Hierbei konnte festgestellt werden, dass die Dynamik des Natrium-Pump-Zyklus unabhängig vom pH Wert ist. In einem pH Bereich zwischen 6 und 9.5 ändern sich die Lebenszeiten des Zyklus nicht signifikant, jedoch wird die Amplitude des O Intermediats, welches als Indikator für den (nicht Protonen) Ionentransport genutzt wird, bei niedrigem pH Wert geringer. Die geringere Amplitude weist auf einen geringeren Na+-Transport hin. Dies liegt an der Kompetition der zu transportierenden Ionen, in diesem Fall Na+ und H+. Ist die H+ Konzentration viel höher als die Na+ Konzentration, so fängt das Protein an H+ zu pumpen. Unter physiologischen Bedingungen handelt es sich bei KR2 jedoch um eine reine Na+-Pumpe. Sind Kalium-Ionen bei pH 9.5 anwesend, so zeigt das Protein wie auch beim Natrium-Pump-Zyklus ein starkes O Intermediat, was darauf hindeutet, dass auch K+ transportiert werden kann. Dies konnte von Dr. Janina Sörmann (Arbeitsgruppe Bamberg, MPI für Biophysik Frankfurt) auch in elektrophysiologischen Messungen gezeigt werden. Bisher wurde in der Literatur davon ausgegangen, dass K+ vom Wildtyp nicht transportiert werden kann. Um die Photozyklusdynamik des Natrium-Pumpzyklus besser verstehen zu können, wurde die Temperaturabhängigkeit des Photozkylus mit Hilfe der Target Analysis untersucht. Hierbei stellte sich heraus, dass das simple sequentielle Modell K -> L -> M -> O -> GS die besten Fitresultate liefert, obwohl viele verschiedene Modelle mit Verzweigungen oder Rückraten ebenfalls getestet wurden. Resultat der Target Analysis sind unter anderem die Evolution Associated Difference Spectra (EADS). Diese beinhalten die Differenzspektren der einzelnen Zustände, welche um das Grundzustandsbleichen korrigiert werden können, um die Evolution Associated Spectra (EAS) zu bilden. Durch Entfaltung dieser EAS (auf der Energieskala) konnten die Reinspektren der einzelnen Photointermediate K, L, M und O berechnet werden. Auffällig hierbei war, dass das M Intermediat eine geringere Blauverschiebung als erwartet aufwies, was höchstwahrscheinlich an der Elektrostatik in der Retinal-Bindetasche liegt. Durch die Entfaltung der Spektren konnten ebenfalls die Gleichgewichte, welche zu schnell sind, um in der Target Analysis aufgelöst zu werden, bestimmt werden. Die K, L und M Intermediate stehen, je nach Temperatur, in verschiedenen Gleichgewichten zueinander, während das O Intermediat, keine Gleichgewichte eingeht und nur separiert von den anderen Intermediaten auftaucht. Dies bedeutet, dass sich zwischen M und O Intermediat ein unidirektionaler Schritt im Photozyklus befinden muss. Dieser hängt wahrscheinlich mit dem Na+-Transport zusammen, da das Ion beim Übergang vom M zum O aufgenommen und an der Schiffbase vorbei transportiert werden muss.
Um den Photozyklus besser untersuchen zu können, wurde im Rahmen dieser Arbeit eine Anlage zur transienten Blitzlichtphotolyse aufgebaut und die bestehende Breitband-Blitzlichtphotolyse automatisiert und verbessert. Hierfür wurden mithilfe von MATLAB und LABVIEW verschiedene Programme zur Datenakquisition, -verarbeitung und -analyse geschrieben. Für die transiente Blitzlichtphotolyse musste ein Datenreduzierungsprogramm entwickelt werden, um die mehrere Gigabyte großen Datensätze auf eine verarbeitbare Größe, mit gleichzeitiger Verbesserung des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses, zu bringen. In der Breitband-Blitzlichtphotolyse konnte ein Pulsverzögerungsgenerator als zentrale Steuereinheit aller Komponenten der Breitband-Blitzlichtphotolyse eingesetzt und programmiert werden, um das Messverfahren zu automatisieren. Anschließend musste noch ein neues Datenverarbeitungsprogramm geschrieben werden, welches die Daten für die anschließende Analyse zusammenstellt und vorbereitet. Die neuen Programme gewähren einen reibungslosen Anschluss an die Analysesoftware OPTIMUS, welche in der Arbeitsgruppe genutzt wird.
In this thesis the integral membrane protein diacylglycerol kinase (DAGK) from E.coli is investigated with solid-state NMR. The aim is to gain an insight into the enzyme’s mechanism through integration of kinetic, structural and dynamic data. The biological function of DAGK is the transfer of the γ-phosphate group from Mg*ATP to diacylglycerol (DAG) building phosphatidic acid (PA)[6] as port of the membrane-derived oligosaccharide cycle[31,34]. Surprisingly, DAGK does not share structural or sequential similarities with other kinases[12]. Typical sequence motives found in other kinases, which catalyze phosphoryl transfer reactions, are not found[13]. In its physiological form DAGK is a homo-trimer with nine transmembrane helices, three catalytic centers and a size of 39.6 kDa.
First, the set-up of a real-time 31P MAS NMR experiment is shown. This experiment allows measuring in real-time the simultaneous ATP hydrolysis in the aqueous phase and lipid substrate phos-phorylation in the membrane phase with atomic resolution under magic angle spinning[56]. After fast transfer of the sample into the NMR spectrometer the enzymatic reaction is started with a temperature jump. This approach of real-time MAS NMR in a dual-phase system was demonstrated for the lipid substrate analogs dioleoyl- (DOG) and dibutyrylglycerol (DBG), with a C8 and C4 aliphatic chain, respectively. The combination of 31P direct and cross polarization functions as a dynamic filter. In the 31P direct polarized experiment nuclei in both phases are detected, while in the 31P cross polar-ized experiment, only nuclei in the membrane phase are detected. Rates for substrate turnover, i.e. degradation of γP-, βP, αP-ATP and build-up of βP-, αP-ADP, free phosphate as side reaction, and PA are obtained, which reveal a Michaelis-Menten behavior with regard to Mg*ATP and DBG. Here Mg*ATP and DBG follow a random-equilibrium model, where every substrate can bind indepen-dently from the other substrate. Analyses of the peak integrals from educts and products of the enzymatic reaction, revealed the stoichiometry of the reaction: 1.5 ATP molecules are used to phos-phorylate one DBG molecule. The excess of ATP is attributed to the basal ATPase activity. Further-more, experiments with ATPγS, usually regarded as a non-hydrolysable ATP-analog, where carried out. Surprisingly, DAGK hydrolyzes ATPγS and also transfers the thio-phosphate group to the lipid acceptor DBG, which points to a certain degree of plasticity in the active center. A phosphorylated enzyme intermediate was not detected. These results suggest the building of a ternary complex of Mg*ATP, DBG and DAGK performing a direct-phosphoryl transfer reaction, without passing through a phosphorylated enzyme intermediate. Experiments with the transition state analog ortho-vanadate (Vi) showed a decoupling of the ATP hydrolysis activity from lipid substrate phosphorylation. This indicates a specific transfer site for the γ-phosphate group from ATP to DAG, which can be blocked by Vi.
A general disadvantage of NMR spectroscopy compared to other spectroscopic methods is its inherent low sensitivity. One possible starting point for the improvement of signal-to-noise per unit time is the reduction of the spin-lattice relaxation time of protons[209]. Usually 95 % of the experi-mental time is required for the relaxation of the 1H to equilibrium. The addition of paramagnetic species can be used to reduce the 1H T1[233]. In a comprehensive study four different paramagnetic agents were tested: Cu2+-EDTA, Cu2+-EDTA-tag, Gd3+-TTAHA and Gd3+-DOTA. The titration of these paramagnetic complexes showed the principle feasibility of this approach, but differences between the tested species exist. The most promising complex is Gd3+-DOTA which, at a concentration of 2 mM, causes a 10-time improvement of signal-to-noise ratio per unit time. This allowed measuring 2D 13C-13C correlation spectra of proteoliposomes in one tenth of the usual required experimental time (i.e. 10 hours vs. 4 days) with good signal-to-noise.
For the investigation of structural or dynamic changes in the protein upon substrate interaction with MAS NMR, the spectral properties CP efficiency and resolution of the DAGK in liposomes needed to be improved. The most critical step during sample preparation is the reconstitution of the membrane protein from detergent micelles into a membrane of synthetic lipids under detergent removal. For this procedure the important criteria are enzymatic activity, measured in a coupled ATPase assay[55], and homogeneity of the proteoliposomes, which was tested e.g. on a discontinuous sucrose step gradient. Therefore an extensive study was carried out, in which different detergents, lipids and lipid mixtures, techniques for detergent removal and different protein-to-lipid ratios were tested. A direct correlation between high ATPase activity and good resolution was not found. Moreover, active DAGK in a mixture of DMPC and cholesterol, which emulates the membrane features of a membrane containing DAG, showed the best CP efficiency and resolution.
The assignment of the protein backbone and amino acid side chains the first mandatory step towards the investigation of structural and dynamical features influencing and defining the enzymatic mechanism by MAS NMR. As the assignment procedure is very time consuming for a total protein, a special labeling scheme for DAGK was developed, which allows assigning most of the protein areas presumably involved in enzyme catalysis. The assignment of DAGK with solution NMR[132] was not transferable to the MAS NMR spectra. Most important for the assignment process were the unique pairs[335], two consecutive amino acids which only appear once in the amino acid sequence. These unique pairs served as anchor points. Five different multinuclear MAS NMR experiments (DARR, NCO, NCA, NCACX, NCOCX) were required for the sequential assignment. It was possible to assign 35 % of the total amino acid sequence with one sample and 8 experiments acquired at 850 MHz. The secondary structure analysis showed subtle differences to the DAGK assignment with solution NMR[132], which can be attributed to the different environment in lipid bilayers and detergent micelles.
Data about structural and dynamical changes under substrate interaction can reveal details about the enzymatic mechanism. Therefore changes in chemical shift in 2D heteronuclear correlation experiments in the apo-state and under substrate saturated conditions with the substrates Mg*AMP-PNP, a non-hydrolysable ATP-analog, DOG, a mixture of Mg*AMP-PNP and DOG as well as inhibited by Vi were recorded. The most significant peak changes were observed at the interface membrane-cytoplasm as well as the the N-terminal amphipathic helix. The residues revealing chemical shift perturbations correlate with conserved residues or such residues, for which importance for catalysis and/or folding could be shown in mutation studies[8]. Especially noticeable were the changes at the amino acids Asn 72, Lys 64, His 87, Tyr 86 and Asp 95.
Beside changes of the chemical shift, changes of line width or signal doubling were observable. These changes can point to a correlation with dynamic reorientations in the μs-ms time regime, which are most relevant for enzymatic processes. The protein backbone dynamics in the apo-state as well as saturated with the substrates or inhibited with Vi were investigated with a 15N-CODEX experiment, which is based on the reorientation of the CSA tensor upon dynamical changes[350]. Specific effects of the different substrates or analogs on the protein backbone dynamic were revealed complementing the structural data and the chemical shift perturbation experiments.
Die Untersuchung von RNA mittels NMR-Spektroskopie hat in den letzten Jahren an Bedeutung gewonnen, weil die Zahl der neu entdeckten RNA-Funktionen, wie z.B. RNA-Schalter in Bakterien, stark gestiegen ist. Ziel dieser Arbeit war es, mithilfe der NMR-Spektroskopie einen Beitrag zum besseren Verständnis der biochemischen Prozesse, in die RNA-Moleküle involviert sein können, zu leisten.
Im ersten Teil dieser Arbeit (Kapitel 2, 3 und 4) werden zum einen die Entwicklung neuer Methoden für die RNA-Strukturbestimmung vorgestellt und zum anderen die Leistungsfähigkeit der modernen NMR-spektroskopischen Strukturaufklärung demonstriert.
Im zweiten Teil dieser Arbeit (Kapitel 5) wird die NMR-Spektroskopie zur Untersuchung der RNA-Schalter-Funktion eingesetzt. Die biologische Funktion von RNA oder Proteinen setzt oftmals eine dynamische Struktur voraus und involviert Konformationsänderungen infolge biochemischer Signalweiterleitung. Für die Charakterisierung solcher Prozesse eignet sich die NMR-Spektroskopie insbesondere gut, weil sie in Lösung unter verschiedenen Reaktionsbedingungen angewandt wer-den kann. Durch den direkten NMR-spektroskopischen Nachweis von Basenpaarungen können wichtige strukturelle Eigenschaften (Faltung, Strukturhomogenität und Dynamik) entschlüsselt und in einen Zusammenhang mit der Funktion gebracht werden.
Im Folgenden werden die einzelnen Kapitel vorgestellt.
Nachdem das erste Kapitel eine allgemeine Einleitung in die NMR-Spektroskopie, RNA-Struktur und Funktion der RNA-Schalter darstellt, folgt im Kapitel 2 die Einführung einer neuen Methode, die eine quantitative Bestimmung der Torsionswinkel alpha und zeta in RNA/DNA mittels NMR-Spektroskopie ermöglicht (Abb. 1). Sie basiert auf der Wechselwirkung zwischen dem CH-Dipol und der 31P-CSA, die von der relativen Orientierung abhängig ist. Die Methode wurde für die CH- und CH2-Gruppen in Form von zwei Pulssequenzen (2D- und 3D-G-HCP) zur Messung von insgesamt fünf kreuz-korrelierten Relaxationsraten entlang des RNA/DNA-Rückgrats optimiert. Die Funktionsfähigkeit der Methode wurde zunächst an der 14mer cUUCGg-Tetraloop RNA getestet und zur Bestimmung der Torsionswinkel alpha und zeta genutzt. Die Ergebnisse flossen in die Strukturrechnung der 14mer RNA, die im Kapitel 3 vorgestellt wird, mit ein. Des Weiteren gelang es die Anwendbarkeit der Experimente an einer größeren 27mer RNA zu demonstrieren. Die neue Methode ist deswegen von Bedeutung, weil die Winkel alpha und zeta nicht über 3J-Kopplungskonstanten gemessen werden können.
(Nozinovic, S., Richter, C., Rinnenthal, J., Fürtig, B., Duchardt-Ferner, E., Weigand, J. E., Schwalbe, H. (2010), J. Am. Chem. Soc. 132, 10318-10329.)
Im Kapitel 3 wird die NMR-spektroskopische Bestimmung der Struktur einer Model-RNA, der 14mer cUUCGg-Tetraloop RNA, vorgestellt. Die Strukturrechung wurde mit verschiedenen NMR-Datensätzen, die in der Arbeitsgruppe einschließlich dieser Doktorarbeit gesammelt wurden, durchgeführt. Zusammen mit den Ergebnissen aus dem Kapitel 2 konnte eine sehr präzise Struktur mit einem RMSD von 0,37 Å (20 Strukturen) in sehr guter Übereinstimmung mit experimentellen Daten ermittelt werden. Die gerechnete Struktur repräsentiert eine der gegenwärtig genauesten und umfassendsten Strukturbestimmungen einer RNA, bei der jeder Torsionswinkel quantitativ bestimmt wurde. Einen besonderen Höhepunkt stellt die strukturelle Analyse der 2’OH-Gruppen dar, die im anschließenden Kapitel 4 weiter vertieft wurde.
(Nozinovic, S., Fürtig, B., Jonker, H. R. A., Richter, C., Schwalbe, H. (2010), Nucleic Acids Res. 38, 683-694)
Über Jahre war bekannt, dass die Größe der 1J(C1’,H1’)- und 1J(C2’,H2’)-Kopplungskonstanten innerhalb der Ribonukleotide von der lokalen Struktur des Zuckers und der Orientierung der Nukleobase beeinflusst wird. In dieser Arbeit (Kapitel 4) wurde zum ersten Mal ein systematischer Vergleich zwischen NMR-Messungen und DFT-Rechnungen durchgeführt, der eine eindeutige Zuordnung der Hauptkonformationen des Zuckers (C3’- oder C2’-endo) und der Nukleobase (anti oder syn) anhand der 1J(C,H)-Kopplungskonstanten erlaubt. Die beschriebene Methode wurde an einer größeren 27mer RNA erfolgreich erprobt. Weiterhin wurde erstmalig entdeckt, dass zudem die Orientierung der 2’OH-Gruppe einen signifikanten Einfluss auf die 1J(C,H)-Kopplungen hat (Abb. 3). Mithilfe von NMR-Messungen und DFT-Rechnungen konnte aus 1J(C,H)-Kopplungskonstanten die Orientierung von allen 2’OH-Gruppen in der 14mer cUUCGg-Tetraloop RNA bestimmt werden. Die Methode hat den großen Vorteil, dass 2’OH-Gruppen, die aufgrund des schnellen Austauschs mit Wasser oder D2O keine NMR-Signale liefern, analysiert werden kön-nen.
(Nozinovic, S., Gupta, P., Fürtig, B., Richter, C., Tüllmann, S., Duchardt-Ferner, E., Holthausen, M. C., Schwalbe, H. (2011), Angew. Chem. Int. Ed. 50, 5397-5400)
Im Kapitel 5 wird eine NMR-spektroskopische Untersuchung an der Aptamerdomäne des Adenin-bindenden RNA-Schalters (pbuE) vorgestellt. Im Fokus der Forschung stand die Frage: Welchen Einfluss hat die Länge der P1-Helix auf die Struktur und die Ligandbindung der freien Aptamer-domäne?
Durch den Vergleich von zwei Konstrukten mit unterschiedlich langer P1-Helix war es möglich, intrinsische Scherkräfte, die durch die Ausbildung der P1-Helix in der freien Aptamerdomäne entstehen, festzustellen. Es hat sich im Konstrukt mit der verlängerten P1-Helix gezeigt, dass diese zur Destabilisierung der P3-Helix und des Schlaufenkontakts führen. Diese strukturellen Änderungen haben außerdem zur Folge, dass die Bindungsstärke des Liganden reduziert wird. Die Ergebnisse zeigen, dass ein strukturelles Gleichgewicht zwischen Sekundärstrukturelementen die tertiäre Faltung beeinflusst und die Funktion moduliert.
(Nozinovic, S., Reining, A., Noeske, J., Wöhnert, J., Schwalbe, H. (2011), in Vorbereitung)