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Die Translokation von gelösten Stoffen über zelluläre Membranen ist ein essentieller biologischer Prozess, der durch eine Vielfalt an integralen Membranproteinen vermittelt wird. Diese sind in den selektiven Austausch verschiedenster Stoffe bzw. Teilchen involviert und ermöglichen somit die Kommunikation zwischen den einzelnen Zellkompartimenten untereinander bzw. mit der extrazellulären Umgebung. Eine der größten Familien paraloger Proteine, die den vektoriellen Transport von Substanzen über Zellmembranen katalysieren, stellen die ATP‐binding cassette (ABC)‐Transporter dar. Mitglieder dieser Proteinfamilie sind in allen bisher untersuchten Organismen von Prokaryoten bis hin zu höheren Eukaryoten vertreten und übernehmen essentielle Funktionen in einer Vielzahl von zellulären Abläufen. ABC‐Transporter zeichnen sich durch eine breite Substratdiversität aus, d.h. sie energetisieren unter ATP‐Verbrauch die Translokation zahlreicher, strukturell und chemisch unterschiedlicher Substanzen wie Zucker, Lipide, Ionen, Aminosäuren, Proteine oder auch zelltoxische Stoffe. In Bakterien können sie sowohl als Importproteine fungieren, welche hauptsächlich die Aufnahme von Nährstoffen vermitteln, als auch als Exportproteine, deren Hauptaufgabe es ist, zelltoxische Substanzen aus der Zelle heraus zu schleusen. Eukaryotische ABC‐Transporter sind sowohl in der Plasmamembran als auch in den intrazellulären Membranen zu finden – beispielsweise in denen des Endoplasmatischen Retikulums, des Golgi Apparats, der Lysosomen, der Peroxisomen und der Mitochondrien. Sie fungieren als Exportproteine und sind z.B. an der Ionen‐Homöostase, der Antigenprozessierung, der Insulinfreisetzung oder am Cholesterol‐ und Lipidtransport beteiligt. ...
Funktionelle und strukturelle Charakterisierung von SLC-Transportern in eukaryotischen Systemen
(2018)
Die evolutionäre Voraussetzung für die Entwicklung komplexer, differenzierter Organismen bildet die Separierung der Zelle in Reaktionsräume, die so genannte Kompartimentierung. Das Prinzip der Kompartimentierung ermöglicht zahlreiche lebensnotwendige, biochemische Prozesse, wie die Konservierung von Energie durch Protonengradienten in der Atmungskette oder parallele, gegenläufige Stoffwechselwege. Zelluläre Kompartimente werden häufig durch Biomembranen gebildet, welche aus einer zweilagigen Lipidschicht bestehen. Lipidmoleküle in einer Zelle sind meistens amphipathisch, das bedeutet, sie bestehen aus einer polaren, hydrophilen Kopfgruppe und einem unpolaren, hydrophopen Ende (Abbildung 1). Die Lipidzusammensetzung in einer Biomembran ist sehr divers und unterscheidet sich in verschiedenen Organismen und Organellen. Phosphoglyceride bilden den Hauptbestandteil der Lipidschicht. Phosphoglyceride besteht aus einem Glycerin Rückgrat, welches an dem C1- und C2-Atom mit zwei Fettsäuren verestert und an dem C3-Atom mit einem Phosphorsäurediester verbunden ist. ...
NADH:ubiquinone oxidoreductase (Complex Ⅰ) is the first and largest enzyme in the respiratory chain. It catalyzes the transfer of two electrons from NADH to ubiquinone via a series of enzyme-bound redox centers - Flavin mononucleotide (FMN) and iron-sulfur (Fe-S) clusters – and couples the exergonic reaction with the endergonic translocation of four protons across the membranes. Bacteria contain the minimal form of complex I, which is composed of 14 conserved core subunits with a molecular mass of around 550 kDa. Complex Ⅰ has an L-shaped structure which can be subdivided into two major parts (arms). The hydrophilic arm protruding into the bacterial cytosol (or mitochondrial matrix) harbors the binding site for the substrate NADH, the two- to one-electron switch FMN and all one-electron transferring Fe-S clusters and therefore considered as the catalytic unit. The membrane arm consists of the membranespanning subunits and conducts the proton pumping process. The Quinone binding site is located at the interface of both arms. ...
In the past century, scientists have realized that venoms are a source of a number of natural substances presenting a wide range of pharmacological properties and often displaying a high specificity for their targets. Thus, the field of toxinology came into being, which is defined as the study of toxic substances of biological origin. Toxins are found in a wide variety of animals, including fish, cone snails, scorpions, snakes, and even some mammals. To be classified as venom, these must contain substances, i.e. toxins, which disturb physiological processes and must be deliberately delivered to the target animal. Snakes have evolved one of the most sophisticated mechanisms for venom delivery. Envenomation by snakebite can induce and inhibit aggregation/agglutination of platelets as well as inhibit/activate hemostasis, but also disrupt other physiological functions via neurotoxins and angioneurin growth factors. Snake venoms contain a substantial amount of C-type lectin-related proteins (CLRPs) which are known to function, notably, as integrin inhibitors. CLRPs are heterodimers composed of homologous α and β subunits which can assemble either covalently or noncovalently to oligomers, resulting in αβ, (αβ)2 and (αβ)4 structures. Some of the main targets of CLRPs are membrane receptors, coagulation factors, and proteins essential to hemostasis. The platelet collagen receptors GPVI and α2β1 integrin as well as the von Willebrand factor receptor GPIb play important roles in platelet activation and aggregation and are considered main targets of antithrombotic drugs. In this thesis, the integrin α2β1 is particularly considered as it is the sole collagen-binding integrin on platelets. Reduced expression of this platelet receptor results in dysfunction of platelet responses. Equivalently, overexpression of α2β1 integrin results in an increased risk of thrombosis. As a result, selective inhibitors of the collagen-α2β1 interaction could give rise to effective antithrombotic drugs. Integrins are large receptors which mediate cell-cell contacts and the binding of cells to the extracellular matrix (ECM). Therefore, they play a role in physiological processes, e.g. hemostasis and immunity, as well as in pathological processes, e.g. tumor angiogenesis and atherosclerosis. 18 α and 8 β integrin subunits, with nine α subunits containing an additional A domain, associate non-covalently to form 24 heterodimers with distinct binding specificities. Integrin collagen receptors are a subclass of four receptors which all utilize the β1 subunit. The α2β1 integrin is a collagen-binding receptor expressed not only on platelets, but also on endothelial and epithelial cells. Consequently, this integrin is also essential for cell adhesion and migration playing a role in angiogenesis as well as tumor metastasis. To date, there are five known antagonists of α2β1 integrin: EMS16, rhodocetin, vixapatin, and most recently rhinocetin and flavocetin-A. The first four have been shown to be specific for the integrin α2A domain, the major collagen-binding domain. All these antagonists are CLRPs and present new leads for drug design. In the past few years, many insights into the structure and function of rhodocetin were obtained. Monoclonal antibodies proved to be advantageous in disclosing this information, making them not only useful as therapeutic agents, but also as tools for protein characterization. The venom of the Vipera palaestinae snake was recently shown to contain an α2β1 integrin inhibitor, which prevented the integrin from binding collagen. This inhibitor, called vixapatin, was the initial focus of this dissertation. Vixapatin’s interaction with the α2β1 integrin needed further characterization on a molecular and cellular level to assess its medical potential and monoclonal antibodies were to be used as a tool. Originally, vixapatin had been isolated by reversed-phase high-performance liquid chromatography. To avoid the stringency of this method, for this study, it was replaced with gentler chromatographic methods. First, the α2β1 integrin inhibitor was isolated from the crude snake venom with affinity chromatography using the α2A domain as bait, establishing a method to quickly screen venoms for α2β1-binding proteins which affect the collagenintegrin interaction. The applicability of this method to other snake venoms was shown by isolating an α2A domain-specific toxin from the venom of Trimeresurus flavoviridis. To allow further characterization of both these toxins, gel filtration and ion exchange chromatography were employed to purify the protein without the α2A domain. These classical protein purification methods resulted in similar separation patterns of both the V. palaestinae and T. flavoviridis venom proteins. Purified proteins exhibiting the potential of inhibiting integrinbinding to collagen were analyzed by two-dimensional gel electrophoresis. Both VP-i and flavocetin-A, the integrin inhibitors from V. palaestinae and T. flavoviridis, respectively, were shown to have more complex structures than was evident from the purification. Each consisted of four low-molecular-weight proteins which assembled into two bands (for VP-i) or one single band (for flavocetin-A) under non-reducing conditions. Mass spectrometry analyses revealed VP-i to belong to the family of CLRPs, just like vixapatin does. However, these two proteins differed in their primary sequences and only showed homology to one another. The toxin purified from T. flavoviridis revealed this toxin to be flavocetin-A, a heterodimeric CLRP which had so far only been shown to have GPIb-binding activity. At the time of flavocetin-A’s purification, flavocetin-B was co-purified; flavocetin-B consists of the same two α and β subunits, plus an additional γ subunit. As no sequence information is known to date for the γ subunit, it may be one of the additional proteins purified here, along with an additional δ subunit. Therefore, the toxin isolated here may actually consist of four different subunits forming a tetramer of two different heterodimers, generating an (αβ)2(γδ)2 structure. This proposed (αβ)2(γδ)2 flavocetin-A structure has binding sites for both α2β1 integrin and GPIb, with no sterical overlap, as shown by affinity chromatography using the α2A domain and the extracellular domain of the GPIb receptor. The potential of VP-i and flavocetin-A to inhibit integrin-binding to type I collagen was shown during purification: Both toxins efficiently bind to the integrin α2A domain; also, VP-i and vixapatin bind to the A domain with the same affinity. Surface plasmon resonance showed the interaction of flavocetin-A with the α2β1 integrin to be extremely strong and association to be very fast. Furthermore, both toxins were shown to inhibit binding of the wildtype integrin to collagen: VP-i and flavocetin-A acted antagonistically on cell adhesion and cell migration. Initially, the interaction between VP-i and α2β1 integrin was to be further characterized with the help of monoclonal antibodies. However, this proved problematic, the procedure requiring various optimizations. Although, after expert consultation, some monoclonal antibodies could be obtained, the cells were extremely sensitive and gave unsatisfactory results when tested as detection tools in Western blot and immunoassays. Concluding, two novel α2β1 integrin inhibitors were discovered: VP-i and flavocetin-A, which were purified using the same procedure and which have similar functions. Both are Ctype lectin-related proteins which effectively inhibit cell adhesion and migration. This underlines that nature has instrumentalized CLRPs to specifically inhibit α2β1 integrin. Further characterization of VP-i and flavocetin-A will be able to provide leads for future drug development.
The electron transport chain (ETC) is used by cells to create an electrochemical proton gradient which can be used by the ATP synthase to produce ATP. ETC, also called respiratory chain, is formed in mitochondria by four complexes (complex I-IV) and mediated by two electron carriers: cytochrome c and ubiquinone. Electrons are passed from one complex to another in a series of redox reactions coupling proton pumping from the negative (N) side of the membrane to the positive (P) side. Complex I can introduce electrons into the ETC by oxidizing NADH to NAD+ and reducing quinone (Q) to quinol (QH2). The process accomplishes pumping of four protons across the membrane. Complex II is another electrons entry point. It catalyzes the oxidation of succinate to fumarate while reducing Q to QH2. Complex III, also called cytochrome bc1 complex, can transfer the electrons from QH2 to cytochrome c and couple to proton pumping. In complex III the Q-cycle contributes four proton translocations: two protons are required for the reduction of one quinone to a quinol and two protons are released to the P side. Complex IV (cytochrome c oxidase), the terminal complex of the ETC, catalyzes the electron transfer to oxygen and pumps four protons to the P side. Structures of ETC complexes are available. However, the structure of a hyperthermophilic cytochrome bc1 complex has not been elucidated till now. Additionally, the dimeric crystal structure of cytochrome c oxidase from bovine has been discussed controversially.
To build up a functional complex, cofactors are required. The active site of A- and B-type cytochrome c oxidases contain the high spin heme a which is synthesized by the integral membrane protein heme A synthase (HAS). HAS can form homooligomeric complexes and its oligomerization is essential for the biological function of HAS. HAS is evolutionarily conserved among prokaryotes and eukaryotes. Despite its importance, little is known about the detailed structural properties of HAS oligomers.
During my PhD studies, I focused on the cytochrome c oxidase (AaCcO), the cytochrome bc1 complex (Aabc1) and the heme A synthase (AaHAS) from Aquifex aeolicus. This organism is one of the most hyperthermophilic ones and can live at extremely high temperatures, even up to 95 °C. Respiratory chain complexes provide energy for the metabolism of organisms, and their structures have been studied extensively in the past few years. However, there has been a lack of atomic structures of complexes from hyperthermophilic and ancient bacteria, so little is known about the mechanism of these macromolecular machines under hyperthermophilic conditions. Therefore, my PhD studies had four main objectives: 1) to structurally and functionally characterize AaCcO, 2) to reveal the mechanism of Aabc1 thermal stability based on its structure, 3) to determine the oligomerization of AaHAS, 4) to provide valuable insights into the relationship between function and oligomerization of AaHAS.
1) Structure of AaCcO
Heme-copper oxidases (HCOs) catalyze the oxygen reduction reaction being the terminal enzymes in the plasma membranes in many prokaryotes or of the aerobic respiratory chain in the inner mitochondrial membrane. By coupling this exothermic reaction to proton pumping across the membrane to the P side, they contribute to the establishment of an electrochemical proton gradient. The energy in the proton electrochemical proton gradient is used by the ATP synthase to generate ATP. HCOs are classified into three major families: A, B and C, based on phylogenetic comparisons. The well-studied aa3-type cytochrome c oxidase from Paracoccus denitrificans (P. denitrificans) represents A-family HCOs. So far, the only available structure of the ba3-type cytochrome c oxidase from Thermus thermophilus represents the B-family of HCOs. This family contains a number of bacterial and archaeal oxidases. The C-family contains only cbb3-type cytochrome c oxidases.
The AaCcO is one of the ba3-type cytochrome c oxidases. Based on the genomic DNA sequence analysis, it has been revealed that A. aeolicus possesses two operons coding for cytochrome c oxidases (two different subunit I genes, two different subunit II genes and one subunit III gene). So far, only subunits CoxB2 and CoxA2 were identified. The presence of the additional subunit IIa was reported in 2012. Moreover, a previous paper reported that AaCcO can use horse heart cytochrome c and decylubiquinol as electron donors and the typical cytochrome c oxidase inhibitor cyanide does not block the reaction completely.
In the course of my PhD studies, I performed heterologous expression of AaCcO in Pseudomonas stutzeri (P. stutzeri) and co-expression with AsHAS in Escherichia coli, respectively. The subcomplex CoxA2 and CoxB2 can be purified from P. stutzeri, however, it lacks heme A. Additionally, a protocol for the heterologous production of cytochrome c555 from A. aeolicus was established. In parallel, I also purified the AaCcO from native membranes according to previously reported methods with some modifications. The activity of AaCcO with its native substrate, cytochrome c555, was 14 times higher than with horse heart cytochrome c.
To enable a detailed investigation and comparison of AaCcO and other cytochrome c oxidases, the cryo-EM structure of AaCcO was determined to 3.4 Å resolution. It shows that the three subunits CoxA2, CoxB2, and IIa are tightly bound together to form a dimer in the membrane. Surprisingly, CoxA2 contains two additional TMHs (TMH13 and TMH14) to enhance the protein stability. The cofactors heme a3, heme b, CuA and CuB are also identified. Interestingly, two molecules of 1,4-naphthoquinone and cardiolipin were observed in the dimer interface. Based on the structure analysis, the AaCcO possesses only the K-pathway for proton delivery to the active site and proton pumping.
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The members of the multidrug/oligosaccharidyl-lipid/polysaccharide (MOP) transporter superfamily mediate export of a wealth of molecules of physiological and pharmacological importance. According to the Transporter Classification Database (TCDB), the MOP superfamily is mainly categorized into six distantly related families functionally characterized families: the multidrug and toxic compound extrusion (MATE), the polysaccharide transporter (PST), the oligosaccharidyl-lipid flippase (OLF), the mouse virulence factor (MVF) the agrocin 84 antibiotic exporter (AgnG), and the progressive ankylosis (Ank) family. Among these, the multidrug resistance MATE family transporters are most ubiquitous, being present in all domains of life: Archaea, Bacteria and Eukarya. As secondary active transporters, they utilize transmembrane electrochemical ion gradients of Na+ and/or H+ in order to drive the efflux of xenobiotics or cytotoxic metabolic waste products with specificity mainly for polyaromatic and cationic substrates. Active efflux of drugs and toxic compounds carried out by multidrug transporters is one of the strategies developed by bacterial pathogens to confer multidrug resistance. MATE proteins provide resistance to, e.g., fluoroquinolone, aminoglycoside antibiotics, and anticancer chemotherapeutical agents, thus serving as promising pharmacological targets for tackling a severe global health issue. Based on their amino acid sequence similarity, the MATE family members are classified into the NorM, the DNA-damage-inducible protein F (DinF), and the eukaryotic subfamilies. Structural information on the alternate conformational states and knowledge of the detailed mechanism of the MATE transport are of great importance for the structure-aided drug design. Over the past decade, the crystal structures of representative members of the NorM, DinF and eukaryotic subfamilies have been presented. They all share similar overall architecture comprising 12 transmembrane helices (TMs) divided into two domains, the N-terminal domain (TMs 1-6) and the C-terminal domain (TMs 7-12), connected by a cytoplasmic loop between TM6 and TM7 (Fig. II.1). Since all available MATE family structures are known only in V-shaped outward-facing states with the central binding cavity open towards the extracellular side, a detailed understanding of the complete transport cycle has remained elusive. In order to elucidate the underlying steps of the MATE transport mechanism, structures of distinct intermediates, particularly inward-facing conformation, are required.In my PhD project, structural and functional studies have been performed on a MATE family (DinF subfamily) transporter, PfMATE, from the hyperthermophilic and anaerobic archaeon Pyrococcus furiosus. This protein was produced homologously in Pyrococcus furiosus as well as heterologously in Escherichia coli, and used for the subsequent purification and crystallization trials by the vapor diffusion (VD) and lipidic cubic phase (LCP) method. To the best of my knowledge, PfMATE is the first example of a successful homologous production of a membrane protein in P. furiosus. Due to the very low final amount of the purified protein from the native source, the heterologously produced PfMATE samples were typically used for the extensive structural studies. Crystal structures of PfMATE have been previously determined in an outward-facing conformation in two distinct states (bent and straight) defined on the arrangement of TM1. A pH dependent conformational transition of this helix regulated by the protonation state of the conserved aspartate residue Asp41 was proposed. However, it has been discussed controversially, leading to the hypothesis about TM1 bending to be rather affected by interactions with exogenous lipids (monoolein) present under the crystallization conditions. Based on these open questions, an experimental approach to investigate the role of lipids as structural and functional modulators of PfMATE has been taken in the course of my PhD project. The interplay between membrane proteins and lipids can affect membrane protein topology, structure and function. Considering differences between archaeal and bacterial lipid composition, cultivation of P. furiosus cells and extraction of its lipids was followed by the mass spectrometry (MS) based lipidomics for identification of individual lipid species in the archaeal extract. In order to assess the effects of lipids on PfMATE, different lipid molecules were used for co-purification and co-crystallization trials. This dissertation presents a workflow leading to the structure determination of a MATE transporter in the long sought-after inward-facing state, which has been achieved upon purification and crystallization of the heterologously produced PfMATE in the presence of lipids from its native source P. furiosus. Also, the PfMATE outward-facing state obtained from the crystals grown at the acidic pH conditions sheds light on the previously proposed pH-dependent structural alterations within TM1. It is interesting to note that the inward and outward-facing states of PfMATE were obtained from the crystals grown under similar conditions, but in the presence and absence of native lipids, respectively. This observation supports the hypothesis about physiologically relevant lipids to act as conformational modulators or/and a new class of substrates, expanding the substrate spectrum of the MATE family transporters. Comparative analysis of two PfMATE states reveals that transition from the outward to the inward-facing state involves rigid body movements of TMs 2-6 and 8-12 to form an inverted V, facilitated by a loose binding of TMs 1 and 7 to their respective bundles and their conformational flexibility. Local fluctuations within TM1 in the inward-facing structure, including bending and unwinding in the intracellular half of the helix, invoke its highly flexible nature, which is suitable for ion and substrate gating.
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Die membranintegrierten, rotierenden F-Typ ATP-Synthasen zählen zu den essentiellen Komponenten der bakteriellen Energieversorgung. Ihre Rolle im zellulären Energiehaushalt bestehtin der Synthese von ATP unter Nutzung des transmembranen, elektrischen Ionengradienten (Mitchell 1961, Duncan et al. 1995, Noji et al. 1997, Kinosita et al. 1998). Die rotierenden ATP-Synthasen werden entsprechend der Kationenselektivität, die sie unter physiologischen Bedingungen zeigen, in zwei verschiedene Klassen eingeteilt, die H+-selektiven, sowiedie Na+-selektiven ATP-Synthasen. Hierbei bildet die Selektivität beider Klassen für einwertige Kationen (H+ oder Na+) eine essenzielle Grundlage für ihre Rolle im Energiehaushalt der bakteriellen Zellen. Jedoch gibt es nur eine begrenzte Anzahl von anaeroben Eubakterien und Archaeen, die noch einen auf Na+- Ionen basierenden Energiehaushalt besitzen. Gut charakterisierte Beispiele für Na+-selektive ATP-Synthasen bilden die F-Typ-Synthasen von I. tartaricus, P. modestum, sowie die V/A-Typ-Enzyme von E. hirae und A. woodii. Trotz der Unterschiede in der Kationenselektivitätder unterschiedlichen F-Typ ATP-Synthasen sind sie jedoch sowohl inihre Organisation, als auch hinsichtlich ihre Wirkungsweisen ähnlich. Das Ziel, der im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Forschung, bestand in der Identifizierung der Faktoren, die sowohl die hohen Selektivität, als auch die Affinität des in der Membran-eingebetteten Rotor-C-Rings der ATP-Synthasezu Protonen (H+) und Na+- Ionen beeinflussen. Die Untersuchungen wurden hierbei andem c11-Ring der F-Typ-ATP-Synthase aus dem anaeroben Bakterium Ilyobacter tartaricus durchgeführt, das hierbei als Modellsystem diente. Der untersuchte Ring zeigt unter physiologischen Bedingungen eine hohe Bindungsselektivität für Na+ Ionen, kann jedoch unter nicht-physiologischen Bedingungen auch Li+ und H+ Ionen binden und zur ATP-Synthese verwenden (Neumann et al. 1998).
Das Ziel, der im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Forschung, bestand in der Identifizierung der Faktoren, die sowohl die hohen Selektivität, als auch die Affinität des in der Membran-eingebetteten Rotor-C-Rings der ATP-Synthasezu Protonen (H+) und Na+- Ionen beeinflussen. Die Untersuchungen wurden hierbei andem c11-Ring der F-Typ-ATP-Synthase aus dem anaeroben Bakterium Ilyobacter tartaricus durchgeführt, das hierbei als Modellsystem diente. Der untersuchte Ring zeigt unter physiologischen Bedingungen eine hohe Bindungsselektivität für Na+ Ionen, kann jedoch unter nicht-physiologischen Bedingungen auch Li+ und H+ Ionen binden und zur ATP-Synthese verwenden (Neumann et al. 1998). Die Kd- und KM-Werte wurden verwendet, um die Na+ -Bindungsaffinität der C-Ringe bzw. ATP-Synthasen zu quantifizieren. Über die Selektivität wurdebeschrieben, welche Kationen an die C-Ringe und ATP-Synthasen binden können (z. B. H+/Na+/Li+, H+/Na+ - oder nur H+ Ionen).Das Verhältnis der absoluten Bindungsaffinitäten zwischen zwei Kationen (z. B. Kd (Na+)/Kd (H+)) wurde verwendet, um die Präferenz des Enzyms für eines der Ionen zu quantifizieren. Die Faktoren, dieder Kationenselektivität und der Affinität des I. tartaricus c-Rings zugrunde liegen, wurden mit Hilfe von Mutageneseexperimenten der Aminosäuren in der Ionenbindungsstelle untersucht. Im I. tartaricus-c-Ring erfolgt die Na+ Bindung an der Grenzfläche von zwei benachbarten c-Untereinheiten des c-Rings. An der Bindung der Na+-Ionen sind sowohl Aminosäuren aus Helix 1 (Gln32), sowie von Helix 2 (Val63, Ser66, Thr67 und Tyr70) beteiligt, die in der Nähe, des für den Mechanismusessentiellen Glu65 liegen. Insgesamt wurden 19 verschiedene, spezifische Einzel- und Doppelmutationen in die Sequenz des atpE-Gens eingeführt, die für die I. tarticus-ATP-Synthase-c-Untereinheit kodiert. Bei den Experimenten mit dem I. tartaricus c-Ring (Ser66, Thr67 und Tyr70) wurden drei polare Reste der Ionenbindungsstelle durch die polaren Reste (Ser67, Ile67 oder Leu67) oder hydrophobe Reste (Ala66, Gln67 und Phe70) ersetzt, während das geladene Glu65 durch die kürzere, aber immer noch geladene Seitenkette Asp65 ausgetauscht wurde. Zur Charakterisierung der monovalenten Kationenbindung durch die Wildtyp, sowie die mutierten C-Ringe von I.-tartaricus, wurde ein Ansatz verwendet, der biochemische (DCCD-Ionen-Kompetitionsassay) und biophysikalische (ITC) Methoden kombiniert.
Die Daten der in dieser Arbeit durchgeführten Experimente, zeigen, dass c-Ringe selektiv für H+ sind, solange in der Ionenbindungsstelle des c-Rings ein ionisierbarer Glu/Asp-Rest vorhanden ist. Die H+-Bindungsaffinität des c-Rings hängt von der Hydrophobizität der Reste ab, aus der die Ionenbindungsstelle aufgebaut ist.Jedoch ist die Zahl der Faktoren, die die Na+-Selektivität des C-Rings bestimmen, weitaus größer. Von den in dieser Arbeit untersuchten Faktoren war die Zahl der polaren Reste, die Wasserstoffbrücken zu Na+ bilden, die Co-Koordination von Na+ durch strukturell vorhandene Wassermoleküle und die Anwesenheit von negativ geladenen Resten besonders wichtig für die Bindung der Na+-Ionen an den Ring. Die hohe Bindungsaffinität des c-Rings für Na+-Ionen, wird sowohl durch Wechselwirkungen begünstigt die das gebundene Na+-Ion stabilisieren, als auch den gesamten atomaren Aufbau der Ionenbindestelle, der die enthalpiegetriebene Na+-Bindungan den c-Ring begünstigen. Im Rahmen dieser eingehenden Studien konnten zum ersten Mal die thermodynamischen Eigenschaften aufgeklärt werden, die der hohen Na+-Bindungsaffinität des c-Rings zugrunde liegen, sowie der Einfluss von Mutationen auf diese Parameter ermittelt werden. Durch zahlreiche Experimente mit ATP-Synthasen, die mit mutierten c-Ringen zusammengesetzt wurden, sollte eine Verbindung zwischen Veränderungen der H+- und der Na+-Bindungsaffinitäten und Unterschiede im Betrieb der ATP-Synthase aufgeklärt werden. Die wichtigste Schlussfolgerung, die sich aus dieser Arbeit ableiten lässt, ist, besteht darin, dass sich Na+/H+-selektiven ATP-Synthasen durch den Austausch von 1-2 Aminosäureresten innerhalb der rotierenden c-Ring-Ionenbindungsstelle in ausschließlich H+-selektive, vollfunktionelle ATP-Synthasen umwandeln lassen.
The adaptive immune system protects against daily infections and malignant transformation. In this, the translocation of antigenic peptides by the transporter associated with antigen processing (TAP) into the ER lumen is an essential step in the antigen presentation by MHC I molecules. The heterodimeric ATP-binding cassette transporter (ABC) TAP consist of the two halftransporters TAP1 and TAP2. Each monomer contains an N-terminal transmembrane domain (TMD) and a conserved C-terminal nucleotide-binding domain (NBD). Together, the TMDs build the translocation core and the NBDs bind and hydrolyze ATP, energizing the peptide transport. TAP features an asymmetry in the two ATP-binding sites that are built of several conserved motifs. One motif is the D-loop with the consensus sequence SALD. The highly conserved aspartate of the D-loop of TAP1 reaches into the canonic ATP-binding site and contacts the Walker A motif and the H-loop of the opposite NBD, while the Asp of D-loop of TAP2 is part of the non-canonic ATP-binding site.
To examine this ABC transport complex in mechanistic detail, a purification and reconstitution procedure was established with the function of TAP being preserved. The heterodimeric TAP complex was purified via a His10-tag at TAP1 in a 1:1 ratio of the subunits. Nucleotide binding to the purified transporter was elucidated by tryptophan quenching assays and the affinity constants for MgADP and MgATP were determined to be 1.0 μM and 0.7 μM, respectevely. In addition, the TAP complex shows strict coupling between peptide binding and ATP hydrolysis, revealing no basal ATPase activity in the absence of peptides. Furthermore, TAP was reconstituted into proteoliposomes and the activity was tested by peptide transport and ATP hydrolysis. Interestingly, the kinetic parameters of the transporter in the reconstituted state are comparable to the data gained for TAP in microsomes.
To characterize the functional importance of the D-loop, D-loop mutants of either TAP1 or TAP2 were analyzed. Strikingly, TAP containing a mutated D-loop in TAP1 (D674A) shows an ATP-hydrolysis independent peptide translocation. Accordingly, the MHC I surface expression is similar to the wildtype situation. However, the same mutation in TAP2 (D638A) results in an ATPase dependent peptide transport similar to wildtype, whereas TAP containing mutations in both subunits leads to an inactive transporter. Although all D-loop mutants showed no altered peptide binding activity, the TAP1 mutant is inactive in peptide-stimulated ATPase activity. Strikingly, ATP or ADP binding is strictly required for the peptide translocation. Experiments carried out in proteoliposomes demonstrate that wildtype TAP can export peptides against their gradient when low peptide concentrations are offered. In contrast, the D674A mutant can facilitate peptide translocation along their concentration gradient in the two directions. At high peptide concentrations, TAP is trapped in a transport incompetent state induced by trans-inhibition. In conclusion, a TAP mutant that uncouples solute translocation from ATP hydrolysis was created. Since this passive substrate movement is strictly dependent on binding of ATP or ADP, an active transporter was turned into a “nucleotide-gated facilitator”.
In a cysteine cross-linking approach the conformational changes of TAP during peptide transport and the flexibility of the nucleotide binding domains were examined. Single cysteines were introduced in the D-loops of TAP1 and TAP2. Cross-linking by copper-phenantroline (CuPhe) was possible for all combinations. However, by adding ATP, ADP or peptide to the TAP complex no differences in the cross-linking efficiency were detected. By CuPhe cross-linking TAP was trapped in a conformation, in which the peptide binding site was not accessible. To complete a transport cycle, a flexibility of at least 17.8 Å of the NBDs is needed, since TAP cross-linked by CuPhe (2.0 Å) or bismaleimidoethane (BMOE, 8.0 Å) was transport inactive but when TAP was cross-linked by 1,11-bismaleimido-triethyleneglycol (BM[PEG]3, 17.8 Å) transport activity was preserved.
Starkes Übergewicht und eine damit einhergehende Hypertrophie von Geweben aber auch des Herz-Kreislauf-Systems führen zu einer Reihe von Folgeerkrankungen wie z. B. Diabetes mellitus Typ 2 oder auch Arteriosklerose. Während im Fettgewebe freie Fettsäuren, die von Makrophagen aufgenommen werden, eine entscheidende Rolle spielen, scheint in der Pathogenese von Arteriosklerose die Aufnahme von Fettsäuren aus Lipoproteinpartikeln durch Makrophagen von großer Wichtigkeit zu sein. Ein weiterer Faktor, der durch freie Fettsäuren ausgelöst wird ist ER-Stress. Makrophagen, die zu Triglycerid (TG) reichen Schaumzellen geworden sind, akkumulieren in arteriosklerotischen Läsionen. Der Lipidmetabolismus von Makrophagen wird transkriptionell u.a. durch den Transkriptionsfaktor PPARγ (Peroxisomproliferator aktivierter Rezeptor γ) reguliert. Sein Zielgen FABP4 (Fettsäuren bindendes Protein 4) beschleunigt die Entwicklung von Arteriosklerose in Mausmodellen. Da die Expression von PPARγ und FABP4 in IL 4- (Interleukin-4) polarisierten Makrophagen induziert wird, sollte die Rolle von FABP4 in humanen, mit IL 4 polarisierten Makrophagen untersucht werden. Hierfür wurden primäre humane Monozyten in Anwesenheit von LPS/IFNγ (Lipopolysaccharid/Interferon γ) bzw. IL 4 zu Makrophagen differenziert. Es zeigte sich, dass in LPS/IFNγ stimulierten Makrophagen PPARγ und dessen Zielgene nicht exprimiert wurden. Dagegen waren sie bei unstimulierten Makrophagen bei IL 4 stimulierten Makrophagen deutlich erhöht. Dies spiegelte sich auch in einer erhöhten Aufnahme von Triglyceriden aus VLDL-Partikeln (Lipoproteinpartikel sehr niedriger Dichte) wider. IL 4 induzierte also einen Fettsäuren akkumulierenden Phänotyp. Durch einen PPAR-Luciferase-Reporter-Test wurde untersucht, ob FABP4 für die Aktivierung von PPARγ nötig war. Dies konnte bestätigt werden, da PPARγ durch seinen Liganden Linolsäure nur in Anwesenheit von FABP4 aktiviert werden konnte. Diese Aktivierung konnte zusätzlich durch den FABP4-Inhibitor HTS01037 verhindert werden. Nun sollte der Einfluss von FABP4 auf die PPARγ-abhängige Genexpression untersucht werden. Hierfür wurde FABP4 während der Differenzierung mit den beiden Inhibitoren HTS01037 oder BMS309403 in IL 4 stimulierten Makrophagen inhibiert. Durch die Inhibition von FABP4 sank die Expression von FABP4 und LPL (Lipoproteinlipase), während die von PPARγ unverändert blieb. Die LPL spielt eine entscheidende Rolle in der Aufnahme von Lipiden aus VLDL-Partikeln und trägt somit zur TG-reichen Schaumzellbildung bei. Die verminderte Expression von LPL spiegelte sich in einer verminderten Lipidaufnahme aus VLDL-Partikeln wider. Gleichzeitig wurde durch die FABP4-Inhibition die Entzündungsantwort der Makrophagen auf VLDL-Partikel abgeschwächt. IL 4 induziert also LPL, indem es PPARγ aktiviert. FABP4 unterstützt hierbei die Aktivierung von PPARγ. Durch die Inhibition kann die LPL-Expression vermindert werden, was die TG-reiche Schaumzellbildung und die Entzündungsreaktion in einem VLDL-reichen Umfeld vermindert und eine neue Therapiemöglichkeit von Arteriosklerose eröffnet. Im Fettgewebe kommt bei starkem Übergewicht, bedingt durch die erhöhte Konzentration an freien Fettsäuren und Hypoxie, zu einer leichten Entzündungsreaktion. Diese Entzündungsreaktion wurde durch eine Stimulation mit Palmitat unter Hypoxie (1 % O2) nachgebildet. Überstände von Makrophagen nach dieser Stimulation (MCM) wurden auf primäre humane Adipozyten übertragen. Diese Überstände konnten zwar keine Insulinresistenz in Adipozyten auslösen, induzierten jedoch eine Entzündungsreaktion. Diese zeigte sich in einer erhöhten Expression der proentzündlichen Zytokine CCL2 (CC-Chemokin-Ligand-2) und IL 6. Gleichzeitig wurde die Expression des antientzündlichen Zytokins Adiponectin vermindert. Der Transfer von MCM ist also ein Modell für die Entstehung der Insulinresistenz in einem frühen Stadium. Beim Versuch, die entzündungsfördernde Fähigkeit des MCMs zu verhindern, wurde AMPK mit verschiedenen Aktivatoren stimuliert. Es zeigte sich, dass der AMPK-Aktivator AICAR (5-Aminoimidazol-4-carboxamidribonukleotid) die Entzündungsantwort und den ER-Stress von mit Hypoxie und Palmitat stimulierten Makrophagen deutlich reduzierte. Der starke Effekt auf den ER-Stress konnte auch mit anderen ER-Stress-Auslösern wie Thapsigargin oder Tunicamycin nachvollzogen werden. Da AICAR ein AMPK-Aktivator ist, wurden typische Effekte der AMPK-Aktvierung wie reduzierte Proteinexpression, verstärkte Sirtuin-1-Aktivierung und Steigerung der Fettsäurenoxidation mittels Inhibitoren verhindert. Dies hatte keinen Einfluss auf die Wirkung von AICAR. Ebenso wurde untersucht, ob AICAR in die Zelle aufgenommen werden musste und ob es zu seiner phosphorylierten Form ZMP umgewandelt werden musste. Durch den Inhibitor ABT 702 kann die Adenosinkinase inhibiert werden, welche die Phosphorylierung katalysiert. Es zeigte sich, dass die Phosphorylierung von AICAR zu ZMP nicht erforderlich war, damit AICAR die ER-Stress-Antwort hemmen konnte. AICAR und nicht ZMP wirkte gegen den ER-Stress. Da durch das fehlende ZMP die AMPK nicht aktiviert wurde, war das ein weiteres Zeichen, dass AICAR AMPK-unabhängig wirkte. Dies konnte durch einen AMPK-Knockdown bestätigt werden. Durch einen Knockdown verschiedener Adenosintransporter konnte gezeigt werden, dass SLC28A3 (Soluttransporterfamlie 28 Typ A3) verantwortlich für die Aufnahme von AICAR in primäre humane Makrophagen war. Es konnte demnach gezeigt werden, dass AICAR den ER-Stress in primären humanen Makrophagen in einem von AMPK unabhängigen Mechanismus vermindert. Dafür wird es mittels SLC28A3 in die Zelle aufgenommen und wirkt als AICAR und nicht als ZMP. Diese Erkenntnisse stellen eine interessante, neue therapeutische Möglichkeit im Feld von Arteriosklerose und Diabetes dar.
Diese Arbeit ist ein detaillierter Bericht über die Forschungsaktivitäten, die ich während meiner Promotion am Max-Planck-Institut für Biophysik durchgeführt habe. Mit dem Aufkommen der direkten Elektronendetektoren erlebte die Transmissionselektronenmikroskopie von gefrorenen hydratisierten Proben (Kryo-EM) einen epochalen Wandel, die sogenannte “Auflösungsrevolution”. Ab den 2010er Jahren ermöglichte die Kommerzialisierung der ersten direkten Detektoren die Erforschung biologischer Phänomene in beispiellosem Detail und machte Kryo-EM zu einer der leistungsstärksten (und gefragtesten) Forschungsmethoden in den Biowissenschaften. Meine Forschung konzentrierte sich auf die Verwendung der Elektronen-Kryotomographie, um zwei herausfordernde Ziele zu erreichen. Das erste bestand darin, die Denaturierung von Proteinen an der Luft-Wasser-Grenzfläche zu untersuchen, und das zweite die molekulare Landschaft eines lichtempfindlichen Chloroplastenvorläufers, des Etioplasten, zu beschreiben. Um die Relevanz, Herausforderungen und Auswirkungen meiner Arbeit zu vermitteln, habe ich diese Arbeit in drei Kapitel unterteilt.
Kapitel eins enthält eine Einführung in die Transmission-Elektronenmikroskopie.
Nach einer kurzen Zusammenfassung der historischen Meilensteine in der Disziplin beschreibe ich die wesentlichen Komponenten des TEM und deren Funktionsweise. Hier lege ich besonderen Wert auf die Struktur elektromagnetischer Linsensysteme, wie sie den Weg der Elektronen beim Durchlaufen der Säule beeinflussen und wie Bilder entstehen. Der hardwarebezogene Teil der Einführung wird durch eine vereinfachte Beschreibung der Elektronendetektoren abgeschlossen, in der ich die revolutionären Aspekte der direkten Elektronendetektoren, mit der Struktur und Funktion von CCD-Detektoren (Charge Coupled Device detector) vergleiche. Als nächstes konzentriere ich mich auf die theoretischen Prinzipien der Bilderzeugung. Um die Hauptphänomene im Zusammenhang mit der Bildqualität in TEM hervorzuheben, stelle ich grundlegende Konzepte wie den Einfluss von Elektronenenergie und optischen Aberrationen vor, gefolgt von einer ausführlicheren Beschreibung des Ursprungs von Kontrast und Rauschen. Der Unterabschnitt schließt mit einigen Überlegungen darüber, wie - und vor allem wie effizient - Detektoren kontinuierliche Elektronenwellen in diskrete Bereiche (Pixel) abtasten. Der folgende Unterabschnitt ist der Erfassung und Verarbeitung tomografischer Daten gewidmet. Hier gebe ich eine vereinfachte Beschreibung, wie Kippserien mit dem Mikroskop erfasst werden und wie die Rohdaten zu einer dreidimensionalen Darstellung der Probe verarbeitet werden. Der Einfluss der Neigungsgeometrie und der Dosisverteilung auf die Rekonstruktionsqualität wird ebenfalls diskutiert. Der zweite Teil des Unterabschnitts befasst sich mit der Strukturbestimmung durch Subtomogramm-Mittelung und der Errechnung der Auflösung von Kryo-EM-Rekonstruktion. Zuletzt schließe ich das Kapitel mit einer Beschreibung der Vorbereitung biologischer Proben für die Kryo-EM-Bildgebung mit einigen abschließenden Bemerkungen zur Dynamik und den Grenzen der Vitrifizierung ab.
Kapitel zwei folgt dem Thema der Kryo-Präparation biologischer Proben mit der Untersuchung der Denaturierung von Proteinen an der Luft-Wasser-Grenzfläche.
Im Einführungsabschnitt skizziere ich die wichtigsten Aspekte dieses Phänomens. Frühe Experimente zum Verhalten von Proteinen in Lösung zeigten ihre Neigung, aus der Lösung zu ihrer Grenzfläche mit der Atmosphäre zu diffundieren. Hier bilden sie meist unlösliche Schichten denaturierter Fibrillen Es wurde vorgeschlagen, dass die Korrelation zwischen Proteindenaturierung und Kontakt mit der Grenzfläche auf einen allmählichen Entfaltungsprozess zurückzuführen ist, bei dem Tausende von Wechselwirkungen pro Sekunde zu einer immer größeren strukturellen Schädigung führen würden. Ein direkter Beweis für diesen Mechanismus wurde jedoch nie dokumentiert. Um einen tieferen Einblick in die Dynamik an der Luft-Wasser-Grenzfläche zu erhalten, sammelte ich Kryotomogramme vitrifizierter Präparate der Fettsäuresynthase (FAS, Fatty Acid Synthase) aus Hefe. Im ersten Unterabschnitt der Ergebnisse beschreibe ich, wie die biochemische und Negativkontrastierung-TEM-Analyse von FAS-Fraktionen zeigte, dass der Komplex während des gesamten Reinigungsverfahrens intakt und katalytisch aktiv blieb. Nach der Vitrifizierung ergab die Einzelpartikelanalyse jedoch, dass 90% aller Komplexe stark beschädigt waren. Die tomographische Rekonstruktion derselben Proben zeigte, dass alle FAS-Komplexe an die Luft-Wasser-Grenzfläche gebunden waren. Die Seite des Moleküls, die der Grenzfläche ausgesetzt war, schien abgeflacht zu sein, während die Seite, in der wässrigen Phase, ihre native Struktur beibehielt. Die Mittelung der Subtomogramme bestätigte, dass eine Seite von fast 90% der Partikel stark beschädigt war. Durch den Vergleich der Ausrichtung dieser beschädigten Seite mit der Position eines Rechenmodells der Luft-Wasser-Grenzfläche konnte ich nachweisen, dass sie perfekt übereinstimmen, was den ersten direkten Beweis dafür liefert, dass die Wechselwirkung mit der Luft-Wasser-Grenzfläche die lokale Denaturierung großer Proteinkomplexe herbeiführt.
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