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Proteostasis stressors that destabilize the cellular proteome, like heat shock, trigger transcription and translational reactions leading to the accumulation of heat shock proteins, also called molecular chaperones. During stress, induction of stress response genes is prioritized so that molecular chaperones and other stress response proteins are synthesized to cope with proteome misfolding and aggregation. In order to promote the selective translation of stress-specific genes, translation of others genes that are nonessential for cell survival has to stop. Nonessential protein-coding mRNAs accumulate in the cytosol with the associated proteins to form granular structures called stress granules (SG). These membrane-less organelles are thought to be involved in cell survival, mRNA stabilization and mRNA triage. They were proposed to form via the liquid-liquid phase separation which can be triggered by the high local concentration of RNA-binding proteins. mRNAs were long thought to simply play a scaffolding role by bringing RNA-binding proteins together and allowing their concentration and local aggregation. Recently, the active role of mRNAs in the SG assembly became apparent, too. For example, the spontaneous assembly of total yeast RNA into granules was observed, and these RNA granules showed a large overlap with SG transcriptome. Furthermore, cytosolic mRNAs can be released from polyribosomes under stress and be exposed to the cytosolic contents as free mRNAs. It has been suggested that this massive increase of free mRNA in the cytosol might overload the capacities of RNA-stabilizing proteins. The remaining free mRNA molecules would then become exposed to misfolded and aggregation-prone proteins and trigger granulation.
We investigated the role of free mRNAs in different stress conditions during the early and chronic phases of stress response and explored their involvement in SGs assembly and amlyoidogenesis. We identified and studied the interactome of a free mRNA probe incubated with heat shocked cell lysate by means of quantitative mass spectrometry. Proteomics analysis allowed us to identify 79 interactors of free mRNA. Among these interactors, we focused on the translation initiation factor eIF2α and on the RNA methyltransferase TRMT6/61A. Both interactions were verified biochemically, which confirmed that the association is enhanced in heat shocked lysate. In vitro reconstitution showed that free mRNA and TRMT6 interact directly. Ex vivo pulldowns revealed that eIF2α and TRMT6/61A interact under stress conditions and that this interaction is RNA-dependent.
TRMT6/61A is a tRNA methytransferase responsible for the methylation of the adenosine 58 at the position 1 producing m1A. However, also mRNAs have been recently found to be methylated by TRMT6/61A. Our bioinformatics analyses revealed that significantly more mRNAs enriched in SG contain the motif for methylation than SG-depleted mRNAs. We hypothesized that m1A methylation of mRNAs could constitute a tag for the mRNAs targeting to SGs. TRMT61A knock-down (KD) cell lines were generated using the CRISPR-Cas9 technique. In TRMT61A KD cells, m1A was significantly reduced on mRNAs, which correlated with an increased sensitivity of the cells to proteostasis stress. KD cells also showed defects in SG assembly. In heat shocked cells, an m1A motif-containing mRNA recovered better after returning to normal temperature than a control mRNA with mutated motif. In addition, we could isolate SGs and analyze their m1A and m6A content by mass spectrometry. While m6A content in SG mRNAs was very similar to cytosolic mRNAs, m1A was almost 8 times enriched in SGs. Thus, we could confirm experimentally the results of the bioinformatics analysis and directly support the hypothesis that m1A is a tag to direct mRNAs for sequestration. Finally, we compared amyloidogenesis in wild-type and TRMT61A KD cell lines. Cells with reduced levels of TRMT61A demonstrated an increased accumulation of transfected Aβ and an impaired aggregate clearance. Various assays led us to conclude that the lack of m1A deposition on mRNAs enhanced RNA co-aggregation with amyloids.
Based on our results, we propose a model explaining the fate of free mRNA during proteostasis stress. Upon polysome disassembly, free mRNA is released and becomes free to interact with other proteins, including the methyltransferase TRMT6/61A. TRMT6/61A methylates the freed mRNAs containing the cognate motif. The m1A tag then targets mRNAs to SGs promoting sequestration. Upon stress release, SGs disassemble, thus releasing rescued mRNAs which could now reenter translation and support cell recovery. On the other hand, non-sequestered mRNAs increasingly co-aggregate with aggregating proteins. Thus, deficiency of the N1-adenine methylation of mRNAs due to the lack of TRMT6/61A increases the amount of unpacked mRNAs. The deposition of m1A on mRNAs could then be a way to protect them during exposure to stress, to limit their co-aggregation with misfolded proteins and to allow a faster recovery upon stress release.
All lifeforms have to sense changes in their environment and adapt to possibly detrimental conditions. On a cellular level, the highly elaborate proteostasis network (PN) consisting of housekeeping and stress-induced proteins, confers this tolerance against stress and maintains cellular protein homoestasis. This is essential for survival, as an accumulation of stress-induced protein aggregation will eventually affect the functionality of crucial cellular components and ultimately lead to cell death. The guardians of this balance are the molecular chaperones and their activity-regulating co-haperones. They are engaged in all aspects of protein biogenesis, maintenance and degradation, especially during stress.
The heat shock proteins (HSPs) are the major chaperones in mammals and encompass constitutive and stress-induced isoforms. Among them, the HSP70 and the HSP90 family are the most abundant HSPs and their activity is involved in a great variety of homoestasis and stress-induced tasks.
As part of the protein triage the E3 ligase CHIP (C-terminal HSC70-interacting protein) is an essential activity regulating co-chaperone of HSP70 and HSP90 which provides a link between chaperone mediated protein-folding and various degradation pathways. Due to its decisive function, CHIP is involved in a wide array of cellular processes, especially in clearing misfolded HSP70 client proteins that are prone to aggregate. As a consequence, CHIP was reported to confer protection against many aggregation-induced pathologies of the neuronal system. Additionally, CHIP has been identified as a critical factor in various types of cancer and is implied to affect the development and the longevity of mammals.
Despite the significant progress in the understanding of CHIP’s structure and function, many aspects surrounding its chaperone dependency and its substrate recognition remain unclear. Moreover, due to the variety of substrates in diverse cellular pathways, there are yet many connections to elucidate between CHIP and components of the cellular proteostasis network.
The work of this thesis was focused on the role of CHIP in acute stress response and the corresponding status of chaperone association. Moreover, it was investigated if CHIP, as the connecting ligase of folding and degradation systems, might also provide a link between the PN and the reorganisation of the cellular architecture upon stress exposure.
This has become of increasing interest as recent reports highlight the importance of spatial sequestration in protein quality control.
To this end, subcellular distribution of CHIP was analysed by live-cell microscopy during heat stress. It became obvious that during the heat-induced challenge of the chaperone system, CHIP migrated to new cellular sites. Further experiments suggested that the observed migration to the plasma membrane is a chaperone-independent process and in vitro reconstitution of membrane association confirmed the competitive nature of membranes and chaperones for CHIP binding. A detailed in vivo and in vitro analysis of the newly observed membrane association of CHIP revealed a distinct lipid specificity and a novel direct association with lipids. Binding experiments with recombinantly purified deletion mutants of CHIP identified the TPR domain and a positive patch in the coiled-coil domain as main determinants for the lipid association. Through biochemical and biophysical approaches, the structural integrity and functionality of CHIP upon membrane binding was confirmed and further characterised.
Moreover, mass spectrometry analysis provided a high confidence identification of chaperone-free interactors of CHIP at the plasma membrane and other membranous compartments.
In accordance with the lipid specificity, the Golgi apparatus was one of these sites. Only chaperone-free CHIP had a significant effect on the morphology of the organelle, again confirming the competitive role of chaperones and lipids. With respect to the physiological consequences of the changed localisation of CHIP, preliminary results indicated increased cell death when the ligase localises to cellular membranes. The results lead to the conclusion that CHIP acts as an initiator of early stress adaptation and as a sensor for the severity and strength of the stress reaction.
Reactive oxygen species (ROS) are involved in various signalling mechanisms. Redox homeostasis is important in cancer cells, since they are dependent on upregulated antioxidant defence pathways to cope with elevated ROS levels. Therefore, targeting the antioxidant defence system and/ or increasing ROS to a lethal level may be a feasible strategy to counteract cancer cell progression.
Acute lymphoblastic leukaemia (ALL) is the most frequent malignant childhood cancer, displaying on one side resistance to cell death induction and on the other side elevated ROS levels. Therefore, inducing ferroptosis, a ROS- and iron-dependent cell death pathway might be useful to trigger cell death in ALL as a novel treatment strategy. In the first study of this thesis we observed that RSL3, a glutathione (GSH) peroxidase 4 (GPX4) inhibitor, triggered ROS accumulation and lipid peroxidation which contributed to ferroptotic cell death. These observations were based on suppression of RSL3 stimulated cell death using different ferroptosis inhibitors like Ferrostatin-1 (Fer-1), Liproxstatin-1 (Lip-1), as well as iron chelator Deferoxamine (DFO) and the vitamin E derivate α-Tocopherol (α-Toc). RSL3-triggered ROS and lipid peroxide production were also inhibited through Fer-1 and α-Toc. Furthermore, lipoxygenases (LOX) were activated upon RSL3 stimulation and contributed to ferroptotic cell death in ALL as well. Selective inhibition of LOX with the 12/15-LOX inhibitor Baicalein and the pan-LOX inhibitor nordihydroguaiaretic acid (NDGA) abolished RSL3-induced ROS production, lipid peroxidation and cell death. In addition, RSL3 induced lipid peroxide-dependent ferroptotic cell death in FAS-associated Death Domain (FADD)-deficient, death receptor-induced apoptosis resistant cells, demonstrating that ferroptosis might circumvent apoptosis resistance.
The second part of the study revealed that RSL3 and Erastin (Era), a GSH-depleting agent, inhibiting the cystine/glutamate antiporter system xc- and ferroptosis inducer, cooperated with the Smac mimetic BV6 to trigger cell death in ALL cells. RSL3/BV6 and Era/BV6 combination-induced cell death was dependent on ROS accumulation, but independent of caspases and key modulators of necroptosis. RSL3/BV6-treated ALL cells exhibited classical features of ferroptotic cell death with iron-dependency, ROS accumulation and lipid peroxidation which was diminished through either pharmacological inhibition (Fer-1, DFO, α-Toc) or genetic inhibition by overexpressing GPX4. Interestingly, Era/BV6-induced cell death in ALL cells was independent of iron but dependent on ROS accumulation, since α-Toc rescued from Era/BV6-triggered ROS production, lipid peroxidation and cell death. Moreover, inhibition of lipid peroxide formation through the addition of Fer-1 or by overexpressing GPX4 failed to rescue from Era/BV6-triggered cell death, even if Era/BV6-stimulated lipid peroxidation was diminished. Likewise, Fer-1 protected from RSL3/BV6-, but not from Era/BV6-generated ROS production, leading to the assumption that other ROS besides lipid-based ROS contributed to cell death in Era/BV6-treated cells. In summary, while RSL3/BV6 induced ferroptosis in ALL, Era/BV6 stimulated a ROS dependent cell death, which was neither dependent on iron nor caspases or receptor-interacting protein (RIP) kinase 1 nor 3. Additionally, using Erastin alone did not trigger ferroptotic cell death in ALL. Finally, with these two studies we tried to unravel the molecular pathway of ferroptosis by using RSL3 and Erastin as well described ferroptosis stimulators. Here, we demonstrate the possibility of a novel treatment strategy to reactivate programmed cell death by impeding redox homeostasis in ALL.
Since ALL failed to induce ferroptosis upon Erastin treatment, we investigated in the third part of this thesis a new model system to induce ferroptosis upon Erastin and RSL3 exposure. Previous studies revealed that rhabdomyosarcoma (RMS) cells might be susceptible to oxidative stress-induced compounds. To this end, we used Erastin as a prototypic ferroptosis stimulus and GSH-depleting agent and demonstrated that GSH depletion, ROS and lipid ROS accumulation contributed to cell death. Additionally, Fer-1, Lip-1, DFO, lipophilic vitamin E derivate α-Toc and GSH, a cofactor of GPX4, protected from Erastin stimulated ROS accumulation, lipid peroxidation and cell death. Also, the use of a broad spectrum protein kinase C (PKC) inhibitor Bisindolylmaleimide I (Bim1), a PKCα and ß selective inhibitor Gö6976 and siRNA-mediated knockdown of PKCα suppressed Erastin-mediated cell death in RMS. Moreover broad spectrum nicotinamide-adenine dinucleotide phosphate (NADPH) oxidase (NOX) inhibitor Diphenyleneiodonium (DPI) and a more selective NOX1/4 isoform inhibitor GKT137831 abrogated Erastin-generated ROS formation, lipid peroxidation and cell death. With this, we demonstrate that RMS are vulnerable to ferroptotic cell death and investigated the molecular mechanism of ferroptosis by unravelling that PKC and NOX could have a pivotal role in ROS-mediated ferroptosis signalling in RMS. In this regard, ferroptosis inducers may act as a possible novel treatment strategy for RMS, especially those with poor clinical outcome.
Der 2‘-Desoxyguanosin-Riboschalter gehört zur unter Bakterien weit verbreiteten Klasse der Purin-Riboschalter. Allerdings wurden 2‘-Desoxyguanosin-bindende Riboschalter bisher ausschließlich in M. florum gefunden, damit stellt diese RNA eine Ausnahme unter den ansonsten verbreiteten Purin-Riboschaltern dar. In der vorliegenden Arbeit wurde ein NMR-Strukturmodell des IA-Aptamer-2‘-Desoxyguanosinkomplexes erstellt und anhand der mittels NMRSpektroskopie zugänglichen strukturellen Informationen sowohl Struktur und Dynamik des freien RNA-Aptamers als auch des 2‘-Desoxyguanosinkomplexes charakterisiert. Dabei wurde insbesondere der Einfluss von Mg2+ auf Struktur und Dynamik der jeweiligen Zustände sowie auf den durch 2‘-Desoxyguanosin induzierten Faltungsprozess untersucht.
Mg2+-Ionen modulieren die Faltungstrajektorien von sensorischen RNA-Domänen. Die Übertragbarkeit von Mg2+-abhängigen Charakteristika der RNA-Faltung innerhalb verschiedener Messmethoden ist durch die schlechte Vergleichbarkeit der relativen Konzentrationsverhältnisse eingeschränkt. Die NMR-spektroskopisch beobachtbaren Mg2+-Einflüsse sollten also unter besonderer Berücksichtigung der für NMR benötigten vergleichsweise sehr hohen RNAKonzentrationen mit Ergebnissen aus kalorimetrischen oder fluoreszenzspektroskopischen Messungen interpretiert werden. Die in der NMR-Spektroskopie üblichen hohen Probenkonzentrationen befinden sich in dem Regime, in dem auch der physikalische Effekt des verdrängten Volumens eine Rolle zu spielen beginnt. Demnach ist es für die RNA-Moleküle im NMR-Probenröhrchen bei Konzentrationen von 5-10 mg/ml auch ohne Zugabe von Mg2+ entropisch günstiger, kompakte Konformationen einzunehmen. Die Relevanz des Effekts des verdrängten Volumens für die RNA-Faltung unter NMR-Bedingungen und unter zellulären Bedingungen ist Gegenstand der aktuellen Forschung und wird in dieser Arbeit am Beispiel des IA-Aptamers diskutiert.
Der oft einzigartige Bindungsmodus ubiquitärer Metaboliten durch bakterielle Riboschalter (Montange and Batey, 2006) ermöglicht prinzipiell den Einsatz von RNA-Aptameren in vivo, ohne mit zellulären Proteinsystemen zu interferieren (Mulhbacher et al., 2010). Therapeutische Ziele sind beispielsweise die Anwendung von Riboschaltern gegen bakterielle Pathogene beziehungsweise gegen pathogene Bakterien selbst. Eine weitere Rolle wird RiboschalterElementen zukünftig als Bausteine in der synthetischen Biologie zukommen (Dixon et al., 2010; Knight, 2003; Topp and Gallivan, 2008). Hierfür ist es von grundlegender Bedeutung, Charakterisierung von Struktur als Basis für das Verständnis von Funktion unter zellulären Bedingungen zu etablieren. Im Rahmen einer Zusammenarbeit mit Robert Hänsel aus dem Arbeitskreis von Prof. Dr. Volker Doetsch wurde am Beispiel des IA-Aptamers und einer nichtnatürlichen Sequenzvariante gezeigt, dass eine strukturelle Charakterisierung von Riboschaltern mittels in cell NMR-Spektroskopie möglich ist. In Zusammenarbeit mit Karl von Laer aus der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Beatrix Suess wurden beide RNA-Aptamer hinsichtlich ihrer Funktion in einem biologischen Assay getestet. Die Ergebnisse dieser Experimente zeigten eine deutliche Korrelation von Struktur und Funktion in vivo, während Diskrepanzen zwischen Struktur in vitro und Funktion in vivo demonstriert werden.
Weiterhin wurde im Rahmen dieser Arbeit gezeigt, dass eine gewisse strukturelle Flexibilität der Bindungstaschen regulatorischer RNA-Motive für Selektion und Adaption während Evolution nötig ist. Beispielsweise wurde für den Guanin-Riboschalter gezeigt, dass der nicht-native Ligand 2‘-Desoxyguanosin zur Komplexbildung des Aptamers führt. Demnach könnte die Bindung von 2‘-Desoxyguanosin im Guanin-Riboschalter bereits evolutionär angelegt sein und die Entstehung des IA-Aptamers nach Genomreduktion der Mesoplasmen begünstigt haben. Das IA-Aptamer dagegen bindet Guanin nicht, stattdessen besitzt M. florum auf Guanin spezialisierte Sequenzvarianten dieses Riboschalters (Kim et al., 2007). Strukturell hochauflösende Einblicke in unterschiedliche Zustände der Bindungstasche im G-Aptamer-Thioguaninkomplex, die durch die Lösung der Kristallstruktur des GLoop-Aptamers ermöglicht wurden, unterstützen die Hypothese einer anpassungsfähigen Bindungstasche im G-Aptamer. Für B. subtilis wäre es interessant, die physiologische Bedeutung der Komplexbildung des G-Aptamers mit 2‘-Desoxyguanosin zu untersuchen.
G-protein coupled receptors (GPCRs) are a predominant class of cell-surface receptors in eukaryotic life. They are responsible for the perception of a broad range of ligands and involved in a multitude of physiological functions. GPCRs are therefore of crucial interest for biological and pharmaceutical research. Molecular analysis and functional characterisation of GPCRs is frequently hampered by challenges in efficient large-scale production, non-destructive purification and long-term stability. Cell-free protein synthesis (CFPS) provides new production platforms for GPCRs by extracting the protein synthesis machinery of the cell in an open system that allows target-oriented modulations of the synthesis process and direct access to the nascent polypeptide chain. CFPS is fast, reliable and highly adaptable. Unfortunately, highly productive cell-free synthesis of GPCRs is often opposed by low product quality. This thesis was aimed to adapt and improve some of the new possibilities for the cell-free production of GPCRs in high yield and quality for structural and pharmaceutical analysis. An E. coli based CFPS system was applied to synthesise various turkey and human Beta-adrenergic receptor (Beta1AR) derivatives as well as human Endothelin receptors type A and B (ETA and ETB) constructs. Both receptor families are important drug targets and pharmacologically addressed in the treatment of several cardiovascular diseases. CF-synthesis was mainly performed in presence of nanodiscs (ND), which are reconstituted high density lipoprotein particles forming discoidal bilayer patches with a diameter varyring from 6 to approx. 15 nm. The supplementation of ND in the CF-synthesis reaction caused the co-translational solubilisation of the freshly synthesised GPCRs. The fraction of the solubilised GPCR that was correctly folded was analysed by the competence to bind its ligand alprenolol or Endothelin-1, respectively. Both the solubilisation efficiency and the ability to fold in a ligand binding competent state was strongly affected by the lipid composition of the supplied ND. Best results were generally achieved with lipids having phosphoglycerol headgroups and unsaturated fatty acid chains with 18 carbon atoms. Furthermore, thermostabilisation by introduction of point mutations had a large positive impact on the folding efficiency of both Beta1AR and ETB receptor. Formation of a conserved disulphide bridge in the extracellular region was additionally found to be crucial for the function of the ETB receptor. Disulphide bridge formation could be enhanced by applying a glutathione-based redox system in the CFPS. Further improvements in the quality of ETB receptor could be made by the enrichment of heat-shock chaperones in the CF-reaction. Depending on the receptor type and DNA-template, roughly 10 – 30 nmol (350 – 1500 µg) of protein could be synthesised in 1 ml of CF-reaction mixture. After the applied optimisation steps, the fractions of correctly folded receptor could be improved by several orders of magnitude and were finally in between 35% for the thermostabilised turkey Beta1AR, 9% for the thermostabilised ETB receptor, 6.5% for the non-stabilised ETB receptor, 1 - 5% for non-stabilised turkey Beta1AR and for human Beta1AR isoforms and 0.1% for ETA receptor. Therefore, between 2 and 120 µg of GPCR could be synthesised in a ligand binding competent form, depending on the receptor and its modifications. Correctly folded turkey Beta1AR and ETB receptors were thermostable at 30°C and could be stored at 4°C for several weeks after purification. Yields of the thermostabilised turkey Beta1AR were sufficient to purify the receptor in a two-step process by ligand-binding chromatography to obtain pure and correctly folded receptor in the lipid bilayer of a ND. Furthermore, a lipid dependent ligand screen could be demonstrated with the turkey Beta1AR and significant alterations in binding affinities to currently in-use pharmaceuticals were found. The established protocols are therefore suitable and highly competetive for a variety of applications such as screening of GPCR ligands, analysis of lipid effects on GPCR function or for the systematical biochemical characterisation of GPCRs. Most promising for future approaches appears to address the suspected bottlenecks of intial insertion of the GPCR-polypeptide chain in the ND bilayer and the thermal stability of the receptors. Nevertheless, the estabilised protocols for the analysed targets in this thesis are already highly competitive to previously published production protocols either in cell-based or cell-free systems with regard to yield of functional protein, speediness and costs. Moreover, the direct accessibility and other general characteristics of cell-free synthesis open a large variety of possible applications and this work can therefore contribute to the molecular characterisation of this important receptor type and to the development of new pharmaceuticals.
Die Biosynthese der Fettsäuren (FS) ist in Eukaryoten und Bakterien ein hochkonserviert zentraler Stoffwechselweg, der in zwei strukturell verschiedenen Systemen ausgeführt wird. Die meisten Bakterien, Parasiten, Pflanzen und Mitochondrien nutzen ein Fettsäuresesynthase Typ-II (FAS-II) System. Bei FAS II Systemen sind alle katalytischen Domänen separate lösliche Proteine. In Eukaryoten wie auch den Bakterien Corynebakteria, Mycobakteria, Nocardia (Klasse der CMN Bakterien) liegen die katalytischen Domänen fusioniert auf einer Polypeptidkette vor, die zu einem Multienzymkomplex der Fettsäuresynthase Typ I (FAS-I) assemblieren. Die Architektur der FAS-I zeigt große Unterschiede; die X förmige Säuger-FAS-I (Maier et al., 2006), sowie die fassartigen Enzyme der Pilz FAS-I (Jenni et al., 2007; Leibundgut et al., 2007; Lomakin et al., 2007; Johansson et al., 2008) und der bakteriellen FAS-I (Boehringer et al., 2013; Ciccarelli et al., 2013). Zwischen Pilz- und bakterieller FAS-I gibt es trotz des ähnlichen Aufbaus bedeutende Unterschiede. Mycobakterium tuberculosis, der Auslöser von Tuberkulose (TB), an der jährlich über eine Million Menschen weltweit sterben (WHO, 2014), synthetisiert durch eine Symbiose von FAS-I, FAS-II und der Polyketidsynthase-13 Mykolsäuren. Durch die Mykolsäuren ist M. tuberculosis resistent gegen äußere Einflüsse. FAS-I ist in die Synthese der Vorstufen der Mykolsäuren involviert. Sie stellt im Kampf gegen TB ein potentielles Inhibierungstarget dar.
Strukturell war die bakterielle FAS-I beim Beginn der vorliegenden Arbeit, nur durch negative-stain-Elektronenmikroskopie (EM) Aufnahmen aus dem Jahr 1982 charakterisiert (Morishima et al., 1982). In dieser Arbeit konnte die bakteriellen FAS I aus M. tuberculosis (MtFAS), sowie Corynebacterium ammoniagenes (CaFAS) und Corynebacterium efficiens (CeFAS) strukturell untersucht werden. Dies geschah mit den Methoden negative-stain-EM, Einzelmolekül-Cryo-EM (Cryo-EM), Cryo EM Tomographie (CET) und Röntgenkristallographie.
Anhand von CeFAS-Kristallen konnte erstmals durch Röntgenkristallographie die Struktur einer bakteriellen FAS-I bestimmt werden. Zudem wurde die hohe konformationelle Flexibilität der bakteriellen FAS-I mit mehreren Methoden gezeigt. Für die CaFAS konnte mit Cryo-EM initiale Prozesse der Proteinkristallbildung abgebildet werden.
Die 5-Lipoxygenase (5-LOX) stellt den Startpunkt des Leukotrienstoffwechsels dar, da sie Arachidonsäure (AA) über die 5(S)-Hydroperoxy-6-trans-8,11,14-cis-eicosatetraensäure (5-HpETE) in Leukotrien A4 (LTA4) umwandelt. 5-HpETE kann zum korrespondierenden Alkohol 5(S)-Hydroxy-6-trans-8,11,14-cis-eicosatetraensäure (5-HETE) reduziert werden. LTA4 dient als Zwischenprodukt für die Synthese von LTB4 und den Cysteinyl-gebundenden LTs LTC4, LTD4 und LTE4. LTs nehmen eine wichtige Funktion in der Immunabwehr ein, sind jedoch auch an einer Vielzahl von Krankheitsgeschehen wie z. B. Asthma bronchiale, Atherosklerose und einiger Tumorarten beteiligt. Die 5-LOX teilt sich in zwei Domänen auf: der reglatorischen, N-terminalen Domäne und der katalytischen, C-terminalen Domäne. Ihre Aktivität unterliegt einer komplexen allosterischen Regulation und kinetischen Besonderheiten wie einer Substratinhibition. In vielen Fällen ist die regulatorische PLAT-(Polycystin-1, Lipoxygenase, alpha-Toxin)-Domäne involviert. Sie ist essentiell an der Bindung von Calcium, Membranen und weiterer Faktoren wie dem Coactosin-like protein (CLP) und Dicer beteiligt. Auch eine zweite Bindungsstelle für das Substrat oder einen seiner Metaboliten wird dort vermutet. Letztlich bleibt jedoch die Regulation der 5-LOX-Aktivität durch die PLAT-Domäne unzureichend geklärt. Diese Tatsache und die fortwährende Suche nach neuen Ansatzpunkten für die 5-LOX-Inhibition bilden den Hintergrund, vor dem diese Arbeit angefertigt wurde.
Das Ziel lag in der Entwicklung einer stabilen, isolierten PLAT-Domäne und deren Charakterisierung. Es stellte sich jedoch heraus, dass sich die isolierte Domäne durch eine hohe thermische Instabilität und starke Aggregationsneigung auszeichnet. Mittels Mutationsstudien auf Basis der 5-LOX AS 1-115, verbunden mit Gelfiltrationsläufen zur Analyse der Proteinaggregation, wurde schließlich ein Konstrukt entwickelt, das in Konzentrationen < 0,5 mg/ml als Monomer vorlag: die sogenannte PLAT1-115 W75G. Ein Austausch des W75 in Glycin erhöhte ebenfalls die thermische Stabilität, so dass Versuche bei 20°C durchgeführt werden konnten. Zunächst wurden jedoch die grundlegenden Eigenschaften der Mutante untersucht. Dies umfasste die Beantwortung der Frage, ob auch die PLAT1-115 W75G Calcium bindet, sowie die Aufnahme eines Circulardichroismus-(CD)-Spektrums. Der erste Aspekt konnte mit mehreren Methoden bestätigt werden. Eine Calciumzugabe zum Laufpuffer 20 mM MOPS, 50 mM KCl pH 7,4 erhöhte konzentrationsabhängig das Elutionsvolumen der PLAT1-115 W75G auf der analytischen Gelfiltrationssäule – vermutlich durch den bekannten Einfluss von Calcium auf die Hydrophobizität der PLAT-Domäne. Zusätzlich wurde die Interaktion durch differential scanning fluorimetry (DSF) und Oberflächen-Plasmonen-Resonanz-Spektroskopie (SPR) nachgewiesen. Allerdings gelang aus verschiedenen Gründen keine Quantifizierung der Bindungsaffinität. Das CD-Spektrum bestätigte die Struktur der PLAT-Domäne als sogenanntes all-beta_protein und ermöglichte die Einordnung der PLAT1-115 W75G in die Gruppe der betaII-Proteine.
Ein weiterer Fokus dieser Arbeit lag auf der vermuteten allosterischen Fettsäurebindungsstelle in der PLAT-Domäne. Es wurde versucht, die Interaktion mittels SPR nachzuweisen. Zur Vorbereitung wurde im 5-LOX-Aktivitätstest und im DSF an der isolierten Domäne ein Detergens bestimmt, das einen möglichst geringen Einfluss auf das Protein ausübt. Dabei zeigte Octyl-beta-D-glucopyranosid (beta-OG) das vorteilhafteste Profil. Auf dieser Basis wurde die kritische Mizellbildungs-Konzentration (CMC) der AA und einiger HETEs in beta-OG-haltigen Puffern bestimmt. Die SPR-Studien ergaben jedoch keine reproduzierbaren Ergebnisse. In einem weiteren Schritt wurden die Substrathemmung des Gesamtproteins 5-LOX und der Einfluss von Calcium charakterisiert. Sowohl in Gegenwart von ~ 1 mM freiem Calcium als auch von 1 mM EDTA lag mit 20 µM AA die höchste Produktbildung nach 10-minütiger Reaktion vor. Das Detergens Tween20 (T20) hob in einer Konzentration unter seiner CMC (0,001 % m/V) in Anwesenheit von Calcium die Inhibition auf. Ohne Calcium zeigte sich auch in Gegenwart von T20 die bekannte Substratinhibition der 5-LOX einschließlich ihrer Maximalaktivität bei 20 µM AA. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass Calcium eine Bindung der 5-LOX an eventuell vorhandene, negativ geladene Vesikel aus AA und Detergens vermitteln und dadurch die Substratinhibition aufheben kann. In Fällen, in denen die Substratinhibition vor dem Erreichen der AA-CMC auftritt, hat Calcium folglich keinen Einfluss.
Zuletzt wurde die Interaktion der PLAT1–115 W75G mit CLP und einem C-terminalen Fragment von Dicer untersucht. Im Crosslinking ließ sich nicht auf eine Interaktion der isolierten PLAT-Domäne mit CLP schließen. Dagegen ergaben Diamid-Crosslinking-Studien, dass die isolierte PLAT-Domäne in der Lage ist, das Dicer-Fragment zu binden. Dieses Ergebnis wurde im SPR bestätigt.
Identifizierung des vertebraten-spezifischen Proteins C7orf43 als neue TRAPPII Komplexuntereinheit
(2016)
Bei den transport protein particle (TRAPP) Komplexen handelt es sich um eine Familie von Protein Komplexen, die jeweils aus mehreren Untereinheiten bestehen. In der vorliegenden Arbeit konnte das Protein C7orf43 als neue potenzielle TRAPPII Untereinheit identifiziert werden, die - wie auch die beiden anderen TRAPPII-spezifischen Komponenten TRAPPC9 und TRAPPC10 - sowohl für die Erhaltung von ERGIC, Golgi-Apparat und COPI Vesikel als für den ER zu Golgi Transportweg benötigt wird.
Nichtribosomale Peptid Synthetasen sind Quelle für eine Vielzahl an Sekundärmetaboliten mit antibiotischer Wirkung. Jede Synthetase besteht aus einer Abfolge von Modulen, wobei jedes Modul die nötigen Domänen für den Einbau eines Bausteins in das gebildeten Peptids enthält. Ein Ansatz zur Gewinnung neuer Peptidantibiotika, die angesichts der steigenden Zahl multiresistenter Keime dringend benötigt werden, ist der Austausch von Domänen oder Modulen. Aufgrund bisher noch nicht verstandener Selektivitäten, entweder zwischen den Domänen oder zwischen einzelnen Domänen und Zwischenstufen des gebildeten Peptids, führt dieser Ansatz jedoch in der Praxis oft zu keiner oder nur geringer Ausbeute.
Ziel der vorgelegten Arbeit war es, einige dieser Selektivitäten zu untersuchen, wobei der Fokus auf Peptidyl Carrier Proteinen Domänen (PCPs) lag. An diese Domänen sind alle Intermediate während der Reifung des Peptids kovalent über einen Phosphopantethein-Kofaktor (Ppan-Arm) gebunden.
Im ersten Teil der Arbeit sollte die Struktur einer mit einem Heptapeptid beladenen PCP mittels Lösungs-Kernspinresonanzspektroskopie (NMR) bestimmt werden. Hierbei konnte die natürliche Verknüpfung zwischen Ppan-Arm und Peptid über einen Thioester nicht verwendet werden, da diese Bindung zu Hydrolyse-anfällig war. Es konnte jedoch gezeigt werden, dass die Substitution des Thioesters durch eine nicht hydrolysierbare Amidbindung keinen Einfluss auf die Struktur hat, wodurch die Strukturbestimmung möglich war. Hierbei zeigte sich, dass die Peptid-beladene PCP in der sogenannten A/H state Konformation vorliegt, wobei das an sie gebundene Peptid frei beweglich ist. Somit scheint es wahrscheinlich, dass die PCP keine Selektivität für das an sie gebundene Peptid aufweist. Dies ist ein Unterschied zu den strukturell ähnlichen Acyl Carrier Proteinen (ACPs) aus der bakteriellen Fettsäurebiosynthese, da diese eine Bindungstasche für die an sie gebundenen Fettsäuren ausbilden.
Untersuchungen der Selektivität der Kondensationsdomäne (C Domäne) für das PCP gebundene Peptid mittels NMR-Titrationen und biochemischer Analysen konnten nicht durchgeführt werden, da sich im Laufe des Projekts zeigte, dass die aus der Synthetase herausgetrennte C Domäne katalytisch nicht aktiv war. Stattdessen sollte die Kristallstruktur einer Peptid-beladenen PCP-C Bidomäne, für welche eine katalytische Aktivität bereits gezeigt worden war, gelöst werden. Da aber bereits ein signifikanter Anteil der Bidomäne während der Expression mit dem Ppan-Arm beladen wurde, war die nötige quantitative Beladung mit dem Peptid gekoppelten Ppan-Arm in vitro nicht möglich. Eine quantitative Modifizierung mit dem Ppan-Arm in vitro war hingegen erfolgreich, und die Struktur der Ppan-beladenen Bidomäne konnte gelöst werden. Aufgrund des großen Abstands zwischen den aktiven Zentren der beiden Domänen kann es sich bei der beobachteten Orientierung nicht um jene handeln, die die beiden Domänen zueinander annehmen, wenn die C Domäne das PCP-gebundene Peptid bindet.
Im zweiten Teil der Arbeit wurde die Modifizierung einer PCP durch eine Gruppe II Phosphopantetheintransferase (PPT) untersucht. PPTs katalysieren die Übertragung des Ppan Arms auf die Seitenkette eines in PCPs konservierten Serins. In dieser Magnesium-abhängigen Reaktion dient Coenzym A (CoA) als Quelle für den Ppan-Arm. Durch Mutation des konservierten Serins in der PCP zu Alanin konnte ein stabiler Komplex aus PCP und PPT in Anwesenheit von CoA und Magnesium kristallisiert und seine Struktur bestimmt werden.
In einem Strukturmodell für den PCP/PPT Komplex war eine andere Konformation für die PCP postuliert worden, als sie in der Kristallstruktur des Komplexes zu beobachten ist. Durch Strukturbestimmung der PCP mittels Lösungs-NMR und anschließender Titrationsexperimente konnte jedoch gezeigt werden, dass sowohl die freie als auch die komplexierte PCP in Lösung ebenfalls die in der Kristallstruktur beobachtete Konformation einnehmen.
Aufgrund der gelösten Kristallstruktur konnten zwei Bereiche identifiziert werden, in denen die beiden Proteine im Komplex in direktem Kontakt zueinander stehen. Der eine Bereich ist durch eine intermolekulare Wasserstoffbrücke, der andere durch hydrophobe Wechselwirkungen zwischen den Proteinen gekennzeichnet. Durch ortsspezifische Mutagenese konnten beide Wechselwirkungen gestört werden, was sich in einer Abnahme der Komplexstabilität und einer veränderten Geschwindigkeit der Übertragung des Ppan-Arms äußerte.
Die große strukturelle Ähnlichkeit zwischen dem in dieser Arbeit untersuchten Komplex aus zwei in Bacillus vorkommenden Proteinen und einem humanen ACP/PPT Komplex legt die Vermutung nahe, dass die beobachteten Wechselwirkungen in vielen Organismen konserviert sind.
Ribosomes are the central cellular assembly lines for protein synthesis. To cope with the translational needs, a proliferating mammalian cell can produce up to 7500-ribosomes per minute. However, under growth limiting conditions, such as nutrient depletion, ribosome synthesis is rapidly shut down exemplifying the importance of a tight coordination between ribosome supply and cellular energy status. In addition to the quantitative regulation, a strict quality control of ribosome synthesis is equally important, because alterations in the composition or function of ribosomes can lead to a variety of pathologies. To cope with these challenges a highly regulated, multi-step pathway of ribosome biogenesis has evolved. In mammals this pathway generates the mature 80S ribosomes that comprise the large 60S and the small 40S subunits. Together they contain around 80 ribosomal proteins and the 28S, 18S, 5.8S and 5S rRNAs. The 28S, 5.8S and 5S rRNAs are assembled into the large subunit, while the 18S rRNA is part of the small subunit. The pathway of ribosome biogenesis is a multi-step cellular process, where specific stages occur in distinct subcellular compartments. Transcription of the 47S rRNA, which is the precursor for the 28S, 18S and 5.8S species, occurs in the nucleolus. Modification of distinct bases and early processing of this precursor also take place in the nucleolus. Subsequently, the 40S and 60S pre-ribosomes take separate maturation routes through the nucleoplasm before their export and final assembly in the cytoplasm. The various stages of preribosomal maturation require the constant and sequential action of a large number of non-ribosomal proteins, known as trans-acting factors. These factors coordinate the delicate remodeling of the pre-ribosomal intermediates and thereby ensure proper progression of the maturation process. The remodeling events largely depend on the dynamics of post-translational modifications, such as phosphorylation or SUMOylation. This requires that the enzymes controlling these modifications are properly targeted to their sites of activity as they fulfill their functions within specific compartments. Here we studied the regulatory principles that govern the subcellular partitioning of the SUMO-specific isopeptidase SENP3 and its associated factor PELP1. Previous work from our laboratory has delineated the importance of the SUMO system for proper ribosome biogenesis in mammalian cells. In particular, we have shown that SENP3 is critically involved in 28S rRNA formation, which is a key step for pre-60S subunit maturation. A critical involvement of SENP3 at this stage of the maturation process is in agreement with the observed enrichment of SENP3 in the nucleolus, since 28S rRNA processing is considered to occur in the nucleolus. Our subsequent work identified the nucleolar scaffold protein NPM1 and the ribosomal trans-acting factor PELP1 as bona fide substrates of SENP3. For both proteins we could demonstrate modification by SUMO2/3 and define SENP3 as the demodifying enzyme. Depletion of SENP3 enhanced the conjugation of SUMO to both proteins and concomitantly reduced conversion of the 32S pre-rRNA to the mature 28S rRNA. PELP1 is part of a larger protein complex consisting of the core components PELP1, TEX10 and WDR18. We could show that the balanced SUMOylation/deSUMOylation of PELP1 controls the nucleolar/nucleoplasmic distribution of this complex. Enhanced SUMOylation, which is observed in the absence of SENP3, triggers the nucleolar release of the complex suggesting that SENP3-mediated deSUMOylation controls the dynamics of nucleolar trans-acting factors. Based on these findings we first wanted to understand, in which cellular compartment(s) SENP3 exerts its function on 28S maturation. Next, we wanted to tackle the question how the subcellular distribution of SENP3 is controlled. Finally
we addressed the question how the SUMOylation of PELP1 determines the subnuclear distribution of the PELP1 complex. This work initially revealed that the nucleolar localization of SENP3 is crucial for proper 28S rRNA formation and 60S ribosome maturation. Importantly, we could demonstrate that the nucleolar compartmentalization of SENP3 depends on its direct physical interaction with NPM1. Further, we could show that the amino-terminal region of SENP3 is necessary for its binding to NPM1 and nucleolar recruitment. Strikingly, this interaction requires the phosphorylation of SENP3, which is brought about by the mTOR kinase. By in-vitro kinase assays and mass-spectrometric approaches we identified five serine/threonine residues within the amino-terminal region of SENP3 that are targeted by mTOR (S/T 25, 26, 141, 142, 143). We could further demonstrate by mutagenesis that these sites in SENP3 are in fact critical for the phospho-dependent binding of SENP3 to NPM1 and its nucleolar recruitment.
Consistent with these data, we found that chemical inhibitors of the mTOR kinase trigger the nucleolar release of SENP3 and impair its interaction with NPM1. Strikingly, this goes along with severe 28S rRNA maturation defects demonstrating the physiological importance of mTOR signaling in the regulation SENP3 function and rRNA processing. By specifically depleting components of the either mTORC1 or mTORC2, we could attribute the observed effects to signaling by mTORC1 rather than mTORC2. In an attempt to find the negative regulators of SENP3 phosphorylation, we identified PP1-γ as the candidate phosphatase in this pathway. We found a strong physical interaction of SENP3 with PP1-γ and observed a loss of SENP3 nucleolar localization upon ectopic expression of PP1-γ. Thus we could define mTOR/PP1-γ mediated phosphorylation/dephosphorylation of SENP3 as an important
mechanism in the control of ribosome maturation. Given that mTOR activity is controlled by nutrient availability, SENP3 functions as a sensor that couples ribosome synthesis with nutrient availability. The second part of this work delineated the role of SUMOylated PELP1 in nucleoplasmic partitioning of the SENP3-PELP1 complex. It was revealed that the AAA-ATPase MDN1 binds preferentially to SUMO modified PELP1 and likely segregates SUMOylated PELP1 from nucleolar pre-60S particles. We initially found that the PELP1 complex associates with MDN1, a factor known to be involved in the 28S rRNA maturation. Notably, depletion of MDN1 led to an enhanced accumulation of the PELP1 complex in the nucleolus and a strong association of PELP1 with pre-60S particles, suggesting that MDN1 is required for the release of this complex from the pre-ribosomes. Intriguingly, the interaction of PELP1 with MDN1 requires SUMO2/3 and SUMOylated PELP1 shows enhanced binding to MDN1 when compared to unmodified PELP1. Taken together this work provides new insights in the control of the SENP3-PELP1 complex dynamics. We could define several layers for the coordinated spatial regulation of SENP3 and the PELP1 complex. This work therefore underscores the crucial importance of dynamic post-translational modifications for the control of ribosome maturation.