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The SARS-CoV-2 genome encodes for approximately 30 proteins. Within the international project COVID19-NMR, we distribute the spectroscopic analysis of the viral proteins and RNA. Here, we report NMR chemical shift assignments for the protein Nsp3b, a domain of Nsp3. The 217-kDa large Nsp3 protein contains multiple structurally independent, yet functionally related domains including the viral papain-like protease and Nsp3b, a macrodomain (MD). In general, the MDs of SARS-CoV and MERS-CoV were suggested to play a key role in viral replication by modulating the immune response of the host. The MDs are structurally conserved. They most likely remove ADP-ribose, a common posttranslational modification, from protein side chains. This de-ADP ribosylating function has potentially evolved to protect the virus from the anti-viral ADP-ribosylation catalyzed by poly-ADP-ribose polymerases (PARPs), which in turn are triggered by pathogen-associated sensing of the host immune system. This renders the SARS-CoV-2 Nsp3b a highly relevant drug target in the viral replication process. We here report the near-complete NMR backbone resonance assignment (1H, 13C, 15N) of the putative Nsp3b MD in its apo form and in complex with ADP-ribose. Furthermore, we derive the secondary structure of Nsp3b in solution. In addition, 15N-relaxation data suggest an ordered, rigid core of the MD structure. These data will provide a basis for NMR investigations targeted at obtaining small-molecule inhibitors interfering with the catalytic activity of Nsp3b.
RNA-protein complexes (RNPs) are essential components in a variety of cellular processes, and oftentimes exhibit complex structures and show mechanisms that are highly dynamic in conformation and structure. However, biochemical and structural biology approaches are mostly not able to fully elucidate the structurally and especially conformationally dynamic and heterogeneous nature of these RNPs, to which end single molecule Förster resonance energy transfer (smFRET) spectroscopy can be harnessed to fill this gap. Here we summarize the advantages of strategic smFRET studies to investigate RNP dynamics, complemented by structural and biochemical data. Focusing on recent smFRET studies of three essential biological systems, we demonstrate that investigation of RNPs on a single molecule level can answer important functional questions that remained elusive with structural or biochemical approaches alone: The complex structural rearrangements throughout the splicing cycle, unwinding dynamics of the G-quadruplex (G4) helicase RHAU, and aspects in telomere maintenance regulation and synthesis.
Die vorliegende Dissertation mit dem Titel “Structural dynamics of eukaryotic H/ACA RNPs from Saccharomyces cerevisiae & Structural dynamics of the Guanidine-II riboswitch from Escherichia coli” besteht aus zwei Projekten. Das erste Projekt befasst sich mit den eukaryotischen H/ACA Ribonukleoproteinen (RNP) aus der Hefe. Diese können sequenzspezifisch in der RNA ein Uridin Nukleotid in das Rotationsisomer Pseudouridin (Ψ) umwandeln. Die H/ACA RNPs bestehen aus einer Leit-RNA und vier Proteinen, der katalytisch aktiven Pseudouridylase Cbf5, Nhp2, Gar1 und Nop10. Die Leit-RNA besteht in Eukaryoten konserviert aus zwei Haarnadelstrukturen, die von einem H-Box oder ACA-Box Sequenzmotiv gefolgt sind. In jeder dieser Haarnadeln befindet sich ein ungepaarter Bereich, die sogenannte Pseudouridylierungstasche, wo durch komplementäre Basenpaarung die Ziel-RNA gebunden wird. Fehlerhafte H/ACA RNPs können beim Menschen zu schweren Krankheiten wie verschiedenen Krebsarten oder dem Knochenmarksversagen Dyskeratosis congenita führen, aber sie bieten auch Möglichkeiten zum Einsatz als Therapiemethode. In dieser Arbeit wurde hauptsächlich der zweiteilige Aufbau der H/ACA RNPs untersucht.
Dafür wurden zunächst die einzelnen Komponenten hergestellt werden. Cbf5, Nop10 und Gar1 wurden zusammen heterolog in E. coli exprimiert und gereinigt. Außerdem wurden mehrere Deletionsvarianten von Gar1 hergestellt. Zusätzlich wurde die Leit-RNA unmarkiert über T7 Transkription synthetisiert, sowie sechs verschiedene FRET-Konstrukte mit verschiedenen Markierungschemas der Fluorophore Cy3 und Cy5 über DNA-geschiente Ligation. Anschließend wurde über Größenausschlusschromatographie und radioaktiven Aktivitätsassays geprüft, dass sich die aktiven H/ACA RNPs in vitro aus den einzelnen Komponenten rekonstituieren lassen.
In smFRET Experimenten wurden einzelne Haarnadelstrukturen mit dem zweiteiligen Komplexen verglichen. Dabei konnte gezeigt werden, dass die H3 Haarnadel durch die Anwesenheit von H5 dynamischer und heterogener wurde, während H5 überwiegend unbeeinflusst war. Außerdem konnte die dreidimensionale Orientierung der Haarnadelstrukturen in verschiedenen Assemblierungsschritten mittels smFRET untersucht werden. Hier deutete sich an, dass in Abwesenheit von Proteinen beide Haarnadeln eher entgegengesetzt stehen als in einer parallelen Konformation. Cbf5 scheint den Linker zwischen den Beiden auszustrecken bzw. zu orientieren und die Haarnadelstrukturen etwas gegeneinander zu neigen. Ein Zusammenspiel von Nhp2 und Gar1 war nötig um die oberen Bereiche der Haarnadeln zusammenzuziehen. Es konnte auch ein Modell für den vollen H/ACA RNP vorgeschlagen werden. Im kompletten Komplex könnte das Zusammenziehen der Haarnadelstrukturen durch Nhp2 und Gar1 mit dem Effekt von Cbf5 konkurrieren und könnte hauptsächlich den oberen Bereich von H3 betreffen. Zum Schluss wurde das Zusammenspiel von Gar1 und Nhp2 auf eine Abhängigkeit von den RGG Domänen von Gar1 hin untersucht. Hier besteht möglicherweise eine Hierarchie, die eine Kooperativität von den N- und C-terminalen Domänen benötigt.
Das zweite Projekt befasst sich mit dem Guanidin-II Riboschalter aus E. coli. Der Riboschalter kann das toxische Molekül Guanidinium (Gdm+) spezifisch in seiner Aptamerdomäne binden und dadurch die Genexpression von Proteinen zur Detoxifizierung von Gdm+ aktivieren. Der Riboschalter besteht aus zwei Haarnadelstrukturen, mit einer Schleife, die aus der Sequenz ACGR besteht, wobei R ein Purin ist. In einem vorgeschlagenen Modell soll die Ribosomenbindestelle (Shine-Dalgarno Sequenz) in Abwesenheit von Ligand mit dem Linker komplementär Basenpaaren und so die Translation verhindern. Mit Ligand würde sich dann eine Schleifen-Schleifen Interaktion mit den beiden CG Basen ausbilden, wodurch die Anti-Shine-Dalgarno Sequenz nicht mehr zugänglich wäre. Bisherige Studien arbeiteten zumeist nur mit der Aptamerdomäne, den einzelnen Haarnadeln oder noch kleineren Elementen. In dieser Arbeit wurden die Strukturdynamiken von verschiedenen Längen, auch mit der Expressionsplatform, untersucht. Außerdem wurden verschiedene Mutationen analysiert und die Effekte auf den Riboschalter in seiner natürlichen Umgebung in E. coli.
Zunächst mussten insgesamt 24 FRET-Konstrukte hergestellt werden, die sich in Länge, Markierungsschema und Mutationen unterschieden. Hierfür wurde DNA-geschiente Ligation verwendet. Dank der verschiedenen Fluorophorpositionen konnte ein konformationelles Modell für die Aptamerdomäne vorgeschlagen werden. In diesem Modell könnte in Abwesenheit von Ionen das Aptamer offen vorliegen. Durch Mg2+ würde sich bereits eine lockere Schleifen-Schleifen Interaktion ausbilden. Zusätzlich deuten die Ergebnisse auf eine neue Konformation hin, der stabilisierten Schleifen-Schleifen Interaktion, bei der der Linker zusätzlich mit den Haarnadelstrukturen interagiert, beispielswese mit den Purinen an der vierten Schleifenposition...
1H, 13C, and 15N backbone chemical shift assignments of coronavirus-2 non-structural protein Nsp10
(2020)
The international Covid19-NMR consortium aims at the comprehensive spectroscopic characterization of SARS-CoV-2 RNA elements and proteins and will provide NMR chemical shift assignments of the molecular components of this virus. The SARS-CoV-2 genome encodes approximately 30 different proteins. Four of these proteins are involved in forming the viral envelope or in the packaging of the RNA genome and are therefore called structural proteins. The other proteins fulfill a variety of functions during the viral life cycle and comprise the so-called non-structural proteins (nsps). Here, we report the near-complete NMR resonance assignment for the backbone chemical shifts of the non-structural protein 10 (nsp10). Nsp10 is part of the viral replication-transcription complex (RTC). It aids in synthesizing and modifying the genomic and subgenomic RNAs. Via its interaction with nsp14, it ensures transcriptional fidelity of the RNA-dependent RNA polymerase, and through its stimulation of the methyltransferase activity of nsp16, it aids in synthesizing the RNA cap structures which protect the viral RNAs from being recognized by the innate immune system. Both of these functions can be potentially targeted by drugs. Our data will aid in performing additional NMR-based characterizations, and provide a basis for the identification of possible small molecule ligands interfering with nsp10 exerting its essential role in viral replication.
Riboswitch RNAs regulate gene expression by conformational changes induced by environmental conditions and specific ligand binding. The guanidine-II riboswitch is proposed to bind the small molecule guanidinium and to subsequently form a kissing loop interaction between the P1 and P2 hairpins. While an interaction was shown for isolated hairpins in crystallization and electron paramagnetic resonance experiments, an intrastrand kissing loop formation has not been demonstrated. Here, we report the first evidence of this interaction in cis in a ligand and Mg2+ dependent manner. Using single-molecule FRET spectroscopy and detailed structural information from coarse-grained simulations, we observe and characterize three interconvertible states representing an open and kissing loop conformation as well as a novel Mg2+ dependent state for the guanidine-II riboswitch from E. coli. The results further substantiate the proposed switching mechanism and provide detailed insight into the regulation mechanism for the guanidine-II riboswitch class. Combining single molecule experiments and coarse-grained simulations therefore provides a promising perspective in resolving the conformational changes induced by environmental conditions and to yield molecular insights into RNA regulation.
The highly infectious disease COVID-19 caused by the Betacoronavirus SARS-CoV-2 poses a severe threat to humanity and demands the redirection of scientific efforts and criteria to organized research projects. The international COVID19-NMR consortium seeks to provide such new approaches by gathering scientific expertise worldwide. In particular, making available viral proteins and RNAs will pave the way to understanding the SARS-CoV-2 molecular components in detail. The research in COVID19-NMR and the resources provided through the consortium are fully disclosed to accelerate access and exploitation. NMR investigations of the viral molecular components are designated to provide the essential basis for further work, including macromolecular interaction studies and high-throughput drug screening. Here, we present the extensive catalog of a holistic SARS-CoV-2 protein preparation approach based on the consortium’s collective efforts. We provide protocols for the large-scale production of more than 80% of all SARS-CoV-2 proteins or essential parts of them. Several of the proteins were produced in more than one laboratory, demonstrating the high interoperability between NMR groups worldwide. For the majority of proteins, we can produce isotope-labeled samples of HSQC-grade. Together with several NMR chemical shift assignments made publicly available on covid19-nmr.com, we here provide highly valuable resources for the production of SARS-CoV-2 proteins in isotope-labeled form.