Strukturelle Charakterisierung der Fettsäuresynthase Typ-I in Bakterien

  • 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.
  • Eukaryotes and bacteria perform the synthesis of fatty acids in repetitive cycle. The synthetic machineries are termed fatty acid synthase (FAS) and can be divided into two groups: In most bacteria, plant cells and mitochondria, the catalytic functions for fatty acid synthesis are encoded by single genes, termed FAS type-II (FAS II) system. In eukaryotes and the CMN-group (Corynebacterium, Mycobacterium, Nocardia), the synthesis is instead performed in highly organized multienzyme complexes the FAS type-I (FAS-I) systems. FAS-I carries all catalytic domains on one or two polypeptide chains. FAS-I systems can be subdivided into three structural folds, representing the mammalian (Maier et al., 2006), fungal FAS I (Jenni et al., 2007; Leibundgut et al., 2007; Lomakin et al., 2007; Johansson et al., 2008) and the bacterial FAS-I (Boehringer et al., 2013; Ciccarelli et al., 2013). Tuberculosis (TB) is caused by Mycobacterium tuberculosis and responsible for over one million deaths per year (WHO, 2014). FAS-I in M. tuberculosis is directly involved in the synthesis of mycolic acids. These long-chain fatty acids are important compounds of the cell wall and provide an efficient barrier for chemicals. FAS I synthesizes the precursor of mycolic acids. As such it is a highly relevant target for rational drug design. Until recently, the structural knowledge about the bacterial FAS-I complex was very poor, and essentially based on negative-stain electron microscopy (EM) images (Morishima et al., 1982). In this thesis, the FAS-I from M. tuberculosis (MtFAS), Corynebacterium ammoniagenes (CaFAS) and Corynebacterium efficiens (CeFAS) were structurally analysed. This was performed with negative-stain-EM, single practical-cryo-EM (cryo-EM), cryo-EM-tomography, and X-ray crystallography. For the CaFAS the nucleation and growth of protein-crystals could be analysed with cryo-EM. With protein crystals from CeFAS it was possible to present the first X-ray structural model of the bacterial FAS-I complex at low resolution. The flexibility of the bacterial FAS-I complex was shown to be an intrinsic characteristic of bacterial FAS I. Furthermore, snapshots of the crystal nucleation and crystal growth were shown with the help of a cryo-EM study on CaFAS.

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Metadaten
Author:Mathias Enderle
URN:urn:nbn:de:hebis:30:3-395844
Referee:Volker DötschORCiDGND, Martin GriningerORCiDGND
Advisor:Martin Grininger
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Date of Publication (online):2016/03/04
Year of first Publication:2015
Publishing Institution:Universitätsbibliothek Johann Christian Senckenberg
Granting Institution:Johann Wolfgang Goethe-Universität
Date of final exam:2015/11/23
Release Date:2016/03/04
Tag:Corynebakterium efficiens; Fettsäuresynthase Typ I; Kristallkeimbildung; Röntgenkristallographie
Page Number:161
HeBIS-PPN:372352448
Institutes:Biochemie, Chemie und Pharmazie / Biochemie und Chemie
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 54 Chemie / 540 Chemie und zugeordnete Wissenschaften
5 Naturwissenschaften und Mathematik / 57 Biowissenschaften; Biologie / 570 Biowissenschaften; Biologie
Sammlungen:Universitätspublikationen
Licence (German):License LogoDeutsches Urheberrecht