MPI für Biophysik
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Es wird der Einfluß von Röntgenstrahlen und ultravioletten Strahlen verschiedener Wellenlängen auf kernhaltige Zellteile von Acetabularia mediterranea untersucht. Die Röntgenbestrahlung führt zu einer Verminderung des Regenerationsvermögens der Zellteile, zu einer Verringerung der Cystenbildung der Regenerate und zu einer Herabsetzung der Lebensfähigkeit der Cysten. Erst nach einer Dosis von 400 kr ist das Regenerationsvermögen fast völlig zerstört. Die Fähigkeit zur Bildung fortpflanzungsfähiger Gameten geht bereits nach 40 kr verloren. Die Wirkung von UV-Bestrahlungen ist demgegenüber sehr gering. Es wird geschlossen, daß die beobachteten Leistungen der kernhaltigen Zellteile wesentlich durch den Zellkern bestimmt sind, der im Rhizoid gegen die UV-Strahlung weitgehend abgeschirmt ist. Erfolgt eine vollständige Regeneration bis zur Hutbildung, so scheinen Größe und Gestalt der ausgewachsenen Regenerate nicht wesentlich von der Röntgenbestrahlung beeinflußt zu sein. In den meisten Fällen bilden Hutregenerate auch Cysten.
Wir berichten im folgenden über histologische Befunde und physikalische Messungen, die zeigen, daß unter besonderen Beschallungsbedingungen in verschiedenen Säugetiergeweben Vorgänge ablaufen, die im Sinne einer Pseudokavitation gedeutet werden müssen. Die Einzelheiten der Untersuchungen sind teils in der Habilitationsschrift von O. Hug, Frankfurt a. M. 1953, teils in der Dissertation von R.Pape, Frankfurt a. M. 1953, niedergelegt.
Die Inaktivierung durch Röntgenstrahlen der an Lebermitochondrien gebundenen Bernsteinsäure-Oxydase wurde untersucht. Ihre Halbwertsdosis beträgt 3,5 · 106 r. Bernsteinsäure-Oxydase, die an Hepatommitochondrien gebunden ist, ist empfindlicher als die normaler Mitochondrien. Die Bernsteinsäure-Oxydase an kleinsten Partikeln zeigt dagegen in beiden Fällen eine größere Strahlenresistenz.
Die in der vorliegenden Arbeit beschriebenen Messungen von Dielektrizitätskonstanten und Leitfähigkeiten biologischer Substanzen im Bereich von 9 bis 180 cm Wellenlänge werden nach einem Resonanzverfahren durchgeführt. Dies ermöglicht trotz der starken Absorption der untersuchten Materialien eine genügende Meßgenauigkeit und einen relativ einfachen Aufbau der Meßanordnung. Die beschriebene Methode zur Auswertung der Messung ist so vereinfacht, daß sie auch von angelerntem Hilfspersonal leicht durchgeführt werden kann. Für den Wellenlängenbereich von 40 bis 180 cm wird eine Lecher-Leitung in Paralleldraht-Aus-führung benutzt, während sie für den Bereich von 9 bis 40 cm Wellenlänge konzentrisch aufgebaut ist. Die Meßfehler werden eingehend diskutiert und in Kurven anschaulich dargestellt. Anschließend werden die Ergebnisse der Messungen von DK und Leitfähigkeit an Blut, Leber, Muskel und Fettgewebe mitgeteilt. Bei allen Substanzen konnte unterhalb etwa 30 cm Wellenlänge eine Abnahme der DK und vor allem eine eindeutige Zunahme der Leitfähigkeit festgestellt werden. Diese Dispersion wird den polaren Molekülen in den Substanzen zugeschrieben und dürfte zumindest bei Blut und Leber im wesentlichen durch die Dispersion des Wassers verursacht werden.
Der Einfluß von Elektrodenpolarisation auf die Bestimmung der elektrischen Konstanten leitfähiger Substanzen wird untersucht; es wird gezeigt, daß der durch Polarisation bedingte Effekt auf die Kapazität um mehrere Zehnerpotenzen größer ist als der auf die Wirkwiderstandskomponente. Die Bestimmung der Dielektrizitätskonstante stark leitfähiger Materialien bei Niederfrequenz wird dadurch sehr erschwert. Die verschiedenen Möglichkeiten, Polarisationseinflüsse herabzusetzen, werden diskutiert und es wird gezeigt, daß einzig eine Messung mit verschiedenem Elektrodenabstand einwandfreie Ergebnisse gewährleistet, wenn Polarisation merklich auftritt. Eine bei biologischen Arbeiten öfter angewandte Methodik geht von der Voraussetzung aus, daß beim Austausch biologischen Materials gegen eine Salzlösung gleicher Beschaffenheit, wie sie intrazellular im biologischen Material vorliegt und in Kontakt mit den Elektroden steht, die Polarisationsimpedanz keiner Änderung unterliegt. Die Analyse eigener experimenteller Untersuchungen, über die berichtet wird, zeigt, daß diese Annahme nur berechtigt ist, wenn das biologische Material in so hinreichend großem Abstand von den Elektroden angeordnet wird, daß keine Schattenwirkung auftreten kann. In allen anderen Fällen ist sie falsch, und Arbeiten, die dem nicht Rechnung tragen, sind kritisch zu bewerten.
Single-particle electron cryo-microscopy (cryoEM) has undergone a “resolution revolution” that makes it possible to characterize megadalton (MDa) complexes at atomic resolution without crystals. To fully exploit the new opportunities in molecular microscopy, new procedures for the cloning, expression and purification of macromolecular complexes need to be explored. Macromolecular assemblies are often unstable, and invasive construct design or inadequate purification conditions or sample preparation methods can result in disassembly or denaturation. The structure of the 2.6 MDa yeast fatty acid synthase (FAS) has been studied by electron microscopy since the 1960s. We report a new, streamlined protocol for the rapid production of purified yeast FAS for structure determination by high-resolution cryoEM. Together with a companion protocol for preparing cryoEM specimens on a hydrophilized graphene layer, our new protocol has yielded a 3.1 Å map of yeast FAS from 15,000 automatically picked particles within a day. The high map quality enabled us to build a complete atomic model of an intact fungal FAS.
Es wurde der Einfluß von Röntgenbestrahlungen auf die Lebensfähigkeit und das Formbildungs-Vermögen kernloser Zellteile von Acetabularia mediterranea in Abhängigkeit von der Strahlendosis untersucht. Dabei erwies sich die Hutbildung stets als der am strahlenempfindlichste Prozeß. Die gefundenen Ergebnisse werden diskutiert und mit den entsprechenden Befunden nach UV-Bestrahlung verglichen.
Es wurde die Einwirkung monochromatischer ultravioletter Strahlen der Wellenlänge 254 mμ, 281 mμ und 297 mμ auf kernlose Zellteile von Acetabularia untersucht. Dazu wurden in Abhängigkeit von der Strahlendosis die mittlere Lebensdauer und das Formbildungs-Vermögen der kernlosen Teile bestimmt. Der 254-mμ-Strahlung kam dabei stets die größte biologische Wirksamkeit zu, während die 297-mμ-Strahlung im untersuchten Dosisbereich fast ohne Wirkung blieb. Die gefundene Wellenlängen-Abhängigkeit weist darauf hin, daß der UV-Absorption durch die Purine und Pyrimidine für den Wirkungsmechanismus der beobachteten UV-Schädigungen kernloser Zellteile besondere Bedeutung zukommen muß.
Es wird versucht, die Treffertheorie auf die indirekte Strahlenwirkung auszudehnen. Dazu wird angenommen, daß durch die Strahlung „Energieträger“ erzeugt werden, die durch Diffusion zu den „empfindlichen Bereichen“ gelangen und diese verändern können.
Der Berechnung des Wirkvolumens für derartige „indirekte Treffer“ folgt eine reaktionskinetische Betrachtung der indirekten Wirkung.
Durch die Einschaltung physikalisch-chemischer Prozesse zwischen Strahlenabsorption und „Treffer“ erscheint eine Berücksichtigung der physikalischen und chemischen Gegebenheiten im bestrahlten Objekt viel eher möglich als in der „klassischen“ Theorie der „direkten Trefferwirkung“.
Die Feldstärke- und Wärmequellenverteilung im ebenen Körper aus Muskel, Fett und Haut bei Anstrahlung wird für den Wellenbereich von 1 m bis 1,27 cm jeweils bei verschiedenen Fettschichtdicken berechnet und graphisch dargestellt. Die mit der Strahlungsfeldmethode erreichbare Tiefendosis-Leistung im Zusammenhang mit der Hautdosisleistung sowie die Frage einer geeigneten Anpassung zur Erreichung einer gleichmäßigen Tiefendosis-Leistung werden diskutiert.
Unter der Voraussetzung, daß ein Strahler benutzt wird, der ein annähernd ebenes Wellenfeld liefert und in dem bestrahlten Körpergebiet ebene, parallele Schichten Haut, Fett, Muskel senkrecht getroffen werden, ergibt sich aus der Betrachtung der berechneten Feldstärke- und Wärmequellenverteilungen für die verschiedenen Wellenlängen etwa folgendes Bild:
Das Problem einer Fettüberlastung tritt bei dm-Bestrahlung bis herab zu 10 cm Wellenlänge nicht auf. Man erhält im Gegensatz zu UKW-Kondensatorfeld-Durchflutung eine starke Wärmeentwicklung in der Haut sowie in den oberen Schichten von Muskel oder inneren Organen. Der Abfall der Dosisleistung im Muskel nach der Tiefe zu wird ab λ = 30 cm mit kürzer werdender Wellenlänge zunehmend steiler. Es kann bei dm-Bestrahlung gegenüber UKW-C-Feld eine um das Mehrfache höhere Dosisleistung an der inneren Oberfläche des Körpers auch bei großen Dicken der Fettschicht erreicht werden, wenn gegebenenfalls durch zusätzliche äußere Maßnahmen (Kühlung) eine Überlastung der Haut bei bestimmten Dicken der Fettschicht (λF/4) vermieden wird.
Bei dm-Bestrahlung paralleler Schichten mit angepaßtem Sender lassen sich weitere qualitative Aussagen machen: Bei konstanter Intensität des Strahlers erfolgt bei längeren Wellen (1 m) mit wachsender Dicke der Fettschicht nur ein monotoner Abfall der Tiefendosis-Leistung auf etwa 60%. Im unteren dm-Bereich (30 cm, 10 cm) ergibt sich bei konstanter Intensität bei Vergrößerung der Fettschichtdicke von 0 bis λF/4 ein Abfall der Tiefendosis-Leistung auf etwa ⅓ und bei weiterer Zunahme der Fettschichtdicke von λF/4 bis λF/2 wieder eine Zunahme der Tiefendosis-Leistung im Verhältnis 1:2. Diese Zahlen gelten größenordnungsmäßig bei Anstrahlung aus einem Anpassungsmedium ε-Fett. Bei Anstrahlung aus Luft ist die absolute Tiefendosis-Leistung geringer und sind die Schwankungen größer. Diese Schwankungen der Tiefendosis-Leistung bei konstanter Intensität des Senders einer Wellenlänge können durch äußere Maßnahmen weitgehend verringert werden.
Wenn der Sender bei verschiedenen Fettschichtdicken jeweils auf gleiche Hautdosisleistung eingestellt wird (Dosierung nach der Hautempfindung), nimmt die Tiefendosis-Leistung bei Vergrößerung der Fettschichtdicke von 0 bis λF/4 stark ab auf etwa ⅙, die Tiefendosis-Leistungen bei weiterer Vergrößerung der Fettschichtdicke von λF/4 bis λF/2 verhalten sich dann etwa wie 1 : 3. Diese Schwankungen sind unabhängig von der Wahl des Anpassungsmediums. Eine Tiefendosierung nach der Hautempfindung ohne genauere Berücksichtigung der Fettschichtdicke wird daher bei Vorliegen von zu den Wellenflächen parallelen Schichten unzuverlässig sein. Es ergibt sich jedoch die Möglichkeit einer instrumentellen, brauchbaren Dosierung durch Einstellung der Intensität des Senders ohne Rücksichtnahme auf die Hautempfindung, wenn man die Schwankungen der Tiefendosis-Leistung mit der Fettschichtdicke bei konstanter Intensität durch die erwähnten Anpassungsmaßnahmen reduziert.
Die kurzen Wellenlängen von 3 cm und 1 cm sind für eine Wärmetherapie in der Tiefe wegen der hohen Absorptionsverluste in Haut und Fett kaum brauchbar, können jedoch zu einer Wärmetherapie der Haut und damit indirekten Beeinflussung innerer Erkrankungen oder zur Erwärmung oberflächiger bzw. weniger leitender Schichten herangezogen werden. Die Oberflächendosis-Leistung steigt bei derselben Intensität mit abnehmender Wellenlänge stark an.
Bezüglich der Angaben über die Dosisleistungs-Verteilung ist zu berücksichtigen, daß das Interferenz-Feld vor der Strahleröffnung bei der Rechnung vernachlässigt wurde. Ferner entspricht die Dosisleistungs-Verteilung nur dann der Temperaturverteilung während der Bestrahlung, wenn die Unterschiede in den Anfangstemperaturen und in den spezifischen Wärmen der biologischen Schichten außer Acht gelassen werden sowie intensiv und kurzzeitig bestrahlt wird, so daß noch kein merklicher Wärmetransport während der Bestrahlung stattfindet. Über die Temperaturverteilung bei Berücksichtigung des Wärmetransports, der bei schwacher, langdauernder Bestrahlung eine merkliche Erwärmung auch tieferer innerer Schichten, eine höhere Erwärmung des Fetts und eine geringere der Haut zur Folge haben kann, sind weitere Betrachtungen erforderlich.
Es wird eine einfache und billig herzustellende Resonanzanordnung beschrieben, mit der genaue Bestimmungen elektrischer Impedanzwerte und Materialkonstanten im Dezimeterwellenbereich durchführbar sind. Prinzip der Methode, Meßbereich, Genauigkeit und Einzelheiten des Aufbaues werden angegeben und an einigen Beispielen erläutert.
Die Primärwirkung von Röntgenstrahlen einer Dosis von etwa 0,5 bis 150 Millionen r auf die kristallisierte Trockensubstanz von Aminosäuren und Peptiden wurde mit Hilfe chemischer, biochemischer und physikalisch-chemischer Arbeitsmethoden untersucht. Es wurde gefunden, daß in allen prinzipiell möglichen Fällen folgende Reaktionen stets wiederkehren : Aminbildung infolge Decarboxylierung; Bildung einer α-Imino- bzw. α-Ketocarbonsäure infolge einer Dehydrierung in α-,β-Stellung; Bildung von β,γ- bzw. γ-δ-ungesättigten α-Aminocarbonsäuren oder deren γ- bzw. δ-Lactonen; Bruch und Vernetzung der aliphatischen Kohlenstoffketten. Bei Peptiden treten die gleichen Reaktionen wie bei den Aminosäuren auf, jedoch in einem anderen Verhältnis; hinzu kommt die strahlenchemische Dehydrierung einer Peptidbindung an der Aminogruppe zu einer energiereichen Iminoacyl-Bindung, welche bei Gegenwart von Wasser sofort hydrolysiert wird. Endprodukt namentlich bei längerkettigen Peptiden : Zwei Bruchstücke (daneben NH3); das eine mit alter amino-endständiger und neuer carboxyl-endständiger Aminosäure und das andere mit der alten carboxy-endständigen Aminosäure, statt Aminogruppe am anderen Ende jetzt Ketogruppe. — In fast allen Fällen wurden die Ionenausbeuten auch quantitativ bestimmt. Die lonenausbeuten für die Bildung von α-Ketosäuren aus α-Aminosäuren fallen exponentiell mit der eingestrahlten Dosis. Eine relativ einfache Funktion erklärt diese Verhältnisse. Die Ionenausbeute für die Bildung von Brenztraubensäure aus Serin ist dagegen unabhängig von der Dosis.
I. X-irradiation of isolated rat diaphragm with 10 to 200 kr produces a change in tissue metabolism which we schematize in two successive phases:
1st phase: Increase of oxygen comsumption, proportional to the dosage; an even greater increase of CO2 production; QCO2/QO2 > 1, that is, aerobic glycolysis; inhibition of anaerobic glycolysis.
2nd phase: Reduction of oxygen consumption, proportional to the dosage (over 65 kr the Qo2 decreases below the control); an even greater decrease of CO2 production: QCO2/QO2 > 1; a greater inhibition of anaerobic glycolysis.
With 200 kr or more no increase of respiration appears, but instead from the beginning there is a reduction of the metabolism as described in the second phase.
II. A similar effect is found in rat liver and in frog heart tissue.
III. When the tissue was incubated in the homologus serum no change in the quality of the described effect was observed. Under our experimental conditions the tissue was X-irradiated within a small quantity of incubation medium and immediately afterwards placed in a fresh medium; this limits the effect of oxidative radicals (arising in the X-irradiated water) upon the tissue.
IV. We set forth the experimental hypothesis that all the described changes in the metabolism of the cell after X-irradiation depend upon a primary alteration of electrolyte balance in the cell, especially of the potassium/sodium relationship. The well known decrease of glycolysis after X-irradiation is a consequence of the loss of potassium from the X-irradiated cell.
Die Primärwirkung von Röntgenstrahlung einer Dosis von 2 — 30 Millionen r auf kristallisiertes Lysozym wurde mit Hilfe physikalisch-chemischer (Elektrophorese, Ultrazentrifuge), chemischer, biochemischer und biologischer Arbeitsmethoden untersucht. Es wurde gefunden, daß durch Bestrahlung eine Reihe nah verwandter, jedoch weniger basischer Proteine verschiedenen Mol.-Gew. entsteht, deren Aminosäure-Bausteine als Folge der Bestrahlung teilweise in andere Verbindungen umgewandelt wurden. Bei der Untersuchung der amino- und carboxyl-endständigen Aminosäuren des bestrahlten Proteins wurden Unterschiede gegenüber Lysozym nur bei den carboxyl-terminalen Gruppen festgestellt. Die biologische Aktivität des Proteins blieb auch nach Bestrahlung mit einer Dosis von 5 Millionen r praktisch unverändert.
Die indirekte Wirkung von Röntgenstrahlen einer Dosis von 0,08 bis 7.5 Millionen r auf eine 2 · 10-2-m. wäßrige Tryptophanlösung wurde mit Hilfe chemischer und physikalisch-chemischer Arbeitsmethoden (Hochspannungs-Elektrophorese) untersucht.
Der Einfluß der Dosis, Dosisleistung, Temperatur und die durch oxydierend wirkende Radikale (HO2) ausgelösten Reaktionsschritte bei Bestrahlung in Sauerstoffatmosphäre wurden in qualitativer Hinsicht geprüft.
Aus der Vielzahl der strahlenchemisch gebildeten Abbauprodukte konnten mit Sicherheit nachgewiesen werden: Glycin, α-Alanin, Asparaginsäure, Kynurenin, 3-Hydroxykynurenin, 3-Oxyanthranilsäure und Tryptamin.
Schließlich wurde versucht, die experimentell gewonnenen Ergebnisse mit Hilfe von Radikalwirkungen, die sich auf
a) Decarboxylierungen
b) und Veränderungen des Kohlenstoff-Gerüstes beziehen, zu deuten.
Elektronenresonanz-Untersuchungen von Nachreaktionen in einem röntgenbestrahlten Faserprotein
(1962)
Of the 16 non-structural proteins (Nsps) encoded by SARS CoV-2, Nsp3 is the largest and plays important roles in the viral life cycle. Being a large, multidomain, transmembrane protein, Nsp3 has been the most challenging Nsp to characterize. Encoded within Nsp3 is the papain-like protease domain (PLpro) that cleaves not only the viral polypeptide but also K48-linked polyubiquitin and the ubiquitin-like modifier, ISG15, from host cell proteins. We here compare the interactors of PLpro and Nsp3 and find a largely overlapping interactome. Intriguingly, we find that near full length Nsp3 is a more active protease compared to the minimal catalytic domain of PLpro. Using a MALDI-TOF based assay, we screen 1971 approved clinical compounds and identify five compounds that inhibit PLpro with IC50s in the low micromolar range but showed cross reactivity with other human deubiquitinases and had no significant antiviral activity in cellular SARS-CoV-2 infection assays. We therefore looked for alternative methods to block PLpro activity and engineered competitive nanobodies that bind to PLpro at the substrate binding site with nanomolar affinity thus inhibiting the enzyme. Our work highlights the importance of studying Nsp3 and provides tools and valuable insights to investigate Nsp3 biology during the viral infection cycle.
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.
Maximum likelihood estimates of diffusion coefficients from single-particle tracking experiments
(2021)
Single-molecule localization microscopy allows practitioners to locate and track labeled molecules in biological systems. When extracting diffusion coefficients from the resulting trajectories, it is common practice to perform a linear fit on mean-squared-displacement curves. However, this strategy is suboptimal and prone to errors. Recently, it was shown that the increments between the observed positions provide a good estimate for the diffusion coefficient, and their statistics are well-suited for likelihood-based analysis methods. Here, we revisit the problem of extracting diffusion coefficients from single-particle tracking experiments subject to static noise and dynamic motion blur using the principle of maximum likelihood. Taking advantage of an efficient real-space formulation, we extend the model to mixtures of subpopulations differing in their diffusion coefficients, which we estimate with the help of the expectation–maximization algorithm. This formulation naturally leads to a probabilistic assignment of trajectories to subpopulations. We employ the theory to analyze experimental tracking data that cannot be explained with a single diffusion coefficient. We test how well a dataset conforms to the assumptions of a diffusion model and determine the optimal number of subpopulations with the help of a quality factor of known analytical distribution. To facilitate use by practitioners, we provide a fast open-source implementation of the theory for the efficient analysis of multiple trajectories in arbitrary dimensions simultaneously.
Nitrate is an abundant nutrient and electron acceptor throughout Earth’s biosphere. Virtually all nitrate in nature is produced by the oxidation of nitrite by the nitrite oxidoreductase (NXR) multiprotein complex. NXR is a crucial enzyme in the global biological nitrogen cycle, and is found in nitrite-oxidizing bacteria (including comammox organisms), which generate the bulk of the nitrate in the environment, and in anaerobic ammonium-oxidizing (anammox) bacteria which produce half of the dinitrogen gas in our atmosphere. However, despite its central role in biology and decades of intense study, no structural information on NXR is available. Here, we present a structural and biochemical analysis of the NXR from the anammox bacterium Kuenenia stuttgartiensis, integrating X-ray crystallography, cryo-electron tomography, helical reconstruction cryo-electron microscopy, interaction and reconstitution studies and enzyme kinetics. We find that NXR catalyses both nitrite oxidation and nitrate reduction, and show that in the cell, NXR is arranged in tubules several hundred nanometres long. We reveal the tubule architecture and show that tubule formation is induced by a previously unidentified, haem-containing subunit, NXR-T. The results also reveal unexpected features in the active site of the enzyme, an unusual cofactor coordination in the protein’s electron transport chain, and elucidate the electron transfer pathways within the complex.
Under natural conditions, the visual system often sees a given input repeatedly. This provides an opportunity to optimize processing of the repeated stimuli. Stimulus repetition has been shown to strongly modulate neuronal-gamma band synchronization, yet crucial questions remained open. Here we used magnetoencephalography in 30 human subjects and find that gamma decreases across ~10 repetitions and then increases across further repetitions, revealing plastic changes of the activated neuronal circuits. Crucially, changes induced by one stimulus did not affect responses to other stimuli, demonstrating stimulus specificity. Changes partially persisted when the inducing stimulus was repeated after 25 minutes of intervening stimuli. They were strongest in early visual cortex and increased interareal feedforward influences. Our results suggest that early visual cortex gamma synchronization enables adaptive neuronal processing of recurring stimuli. These and previously reported changes might be due to an interaction of oscillatory dynamics with established synaptic plasticity mechanisms.
Cysteine cross-linking in native membranes establishes the transmembrane architecture of Ire1
(2021)
The ER is a key organelle of membrane biogenesis and crucial for the folding of both membrane and secretory proteins. Sensors of the unfolded protein response (UPR) monitor the unfolded protein load in the ER and convey effector functions for maintaining ER homeostasis. Aberrant compositions of the ER membrane, referred to as lipid bilayer stress, are equally potent activators of the UPR. How the distinct signals from lipid bilayer stress and unfolded proteins are processed by the conserved UPR transducer Ire1 remains unknown. Here, we have generated a functional, cysteine-less variant of Ire1 and performed systematic cysteine cross-linking experiments in native membranes to establish its transmembrane architecture in signaling-active clusters. We show that the transmembrane helices of two neighboring Ire1 molecules adopt an X-shaped configuration independent of the primary cause for ER stress. This suggests that different forms of stress converge in a common, signaling-active transmembrane architecture of Ire1.
The structure and flexibility of RNA depends sensitively on the microenvironment. Using pulsed electron-electron double-resonance (PELDOR)/double electron-electron resonance (DEER) spectroscopy combined with advanced labeling techniques, we show that the structure of double-stranded RNA (dsRNA) changes upon internalization into Xenopus lævis oocytes. Compared to dilute solution, the dsRNA A-helix is more compact in cells. We recapitulate this compaction in a densely crowded protein solution. Atomic-resolution molecular dynamics simulations of dsRNA semi-quantitatively capture the compaction, and identify non-specific electrostatic interactions between proteins and dsRNA as a possible driver of this effect.
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. ...
High-resolution cryo-EM structures of respiratory complex I: Mechanism, assembly, and disease
(2019)
Respiratory complex I is a redox-driven proton pump, accounting for a large part of the electrochemical gradient that powers mitochondrial adenosine triphosphate synthesis. Complex I dysfunction is associated with severe human diseases. Assembly of the one-megadalton complex I in the inner mitochondrial membrane requires assembly factors and chaperones. We have determined the structure of complex I from the aerobic yeast Yarrowia lipolytica by electron cryo-microscopy at 3.2-Å resolution. A ubiquinone molecule was identified in the access path to the active site. The electron cryo-microscopy structure indicated an unusual lipid-protein arrangement at the junction of membrane and matrix arms that was confirmed by molecular simulations. The structure of a complex I mutant and an assembly intermediate provide detailed molecular insights into the cause of a hereditary complex I-linked disease and complex I assembly in the inner mitochondrial membrane.
Mechanistic understanding of dynamic membrane proteins such as transporters, receptors, and channels requires accurate depictions of conformational ensembles, and the manner in which they interchange as a function of environmental factors including substrates, lipids, and inhibitors. Spectroscopic techniques such as electron spin resonance (ESR) pulsed electron–electron double resonance (PELDOR), also known as double electron–electron resonance (DEER), provide a complement to atomistic structures obtained from x-ray crystallography or cryo-EM, since spectroscopic data reflect an ensemble and can be measured in more native solvents, unperturbed by a crystal lattice. However, attempts to interpret DEER data are frequently stymied by discrepancies with the structural data, which may arise due to differences in conditions, the dynamics of the protein, or the flexibility of the attached paramagnetic spin labels. Recently, molecular simulation techniques such as EBMetaD have been developed that create a conformational ensemble matching an experimental distance distribution while applying the minimal possible bias. Moreover, it has been proposed that the work required during an EBMetaD simulation to match an experimentally determined distribution could be used as a metric with which to assign conformational states to a given measurement. Here, we demonstrate the application of this concept for a sodium-coupled transport protein, BetP. Because the probe, protein, and lipid bilayer are all represented in atomic detail, the different contributions to the work, such as the extent of protein backbone movements, can be separated. This work therefore illustrates how ranking simulations based on EBMetaD can help to bridge the gap between structural and biophysical data and thereby enhance our understanding of membrane protein conformational mechanisms.
Coagulation factor XIII (FXIII) is a plasma-circulating heterotetrameric pro-transglutaminase complex that is composed of two catalytic FXIII-A and two protective/regulatory FXIII-B subunits. FXIII acts by forming covalent cross-links within a preformed fibrin clots to prevent its premature fibrinolysis. The FXIII-A subunit is known to have pleiotropic roles outside coagulation, but the FXIII-B subunit is a relatively unexplored entity, both structurally as well as functionally. Its discovered roles so far are limited to that of the carrier/regulatory protein of its partner FXIII-A subunit. In the present study, we have explored the co-presence of protein excipients in commercial FXIII plasma concentrate FibrogamminP by combination of protein purification and mass spectrometry-based verification. Complement factor H was one of the co-excipients observed in this analysis. This was followed by performing pull down assays from plasma in order to detect the putative novel interacting partners for the FXIII-B subunit. Complement system proteins, like complement C3 and complement C1q, were amongst the proteins that were pulled down. The only protein that was observed in both experimental set ups was alpha-2-macroglobulin, which might therefore be a putative interacting partner of the FXIII/FXIII-B subunit. Future functional investigations will be needed to understand the physiological significance of this association.
Type IV pili are flexible filaments on the surface of bacteria, consisting of a helical assembly of pilin proteins. They are involved in bacterial motility (twitching), surface adhesion, biofilm formation and DNA uptake (natural transformation). Here, we use cryo-electron microscopy and mass spectrometry to show that the bacterium Thermus thermophilus produces two forms of type IV pilus ("wide" and "narrow"), differing in structure and protein composition. Wide pili are composed of the major pilin PilA4, while narrow pili are composed of a so-far uncharacterized pilin which we name PilA5. Functional experiments indicate that PilA4 is required for natural transformation, while PilA5 is important for twitching motility.
Potassium homeostasis is vital for all organisms, but is challenging in single-celled organisms like bacteria and yeast and immobile organisms like plants that constantly need to adapt to changing external conditions. KUP transporters facilitate potassium uptake by the co-transport of protons. Here, we uncover the molecular basis for transport in this widely distributed family. We identify the potassium importer KimA from Bacillus subtilis as a member of the KUP family, demonstrate that it functions as a K+/H+ symporter and report a 3.7 Å cryo-EM structure of the KimA homodimer in an inward-occluded, trans-inhibited conformation. By introducing point mutations, we identify key residues for potassium and proton binding, which are conserved among other KUP proteins.
The plasma membrane (PM) is composed of a complex lipid mixture that forms heterogeneous membrane environments. Yet, how small-scale lipid organization controls physiological events at the PM remains largely unknown. Here, we show that ORP-related Osh lipid exchange proteins are critical for the synthesis of phosphatidylinositol (4,5)-bisphosphate [PI(4,5)P2], a key regulator of dynamic events at the PM. In real-time assays, we find that unsaturated phosphatidylserine (PS) and sterols, both Osh protein ligands, synergistically stimulate phosphatidylinositol 4-phosphate 5-kinase (PIP5K) activity. Biophysical FRET analyses suggest an unconventional co-distribution of unsaturated PS and phosphatidylinositol 4-phosphate (PI4P) species in sterol-containing membrane bilayers. Moreover, using in vivo imaging approaches and molecular dynamics simulations, we show that Osh protein-mediated unsaturated PI4P and PS membrane lipid organization is sensed by the PIP5K specificity loop. Thus, ORP family members create a nanoscale membrane lipid environment that drives PIP5K activity and PI(4,5)P2 synthesis that ultimately controls global PM organization and dynamics.
Hydride transfers play a crucial role in a multitude of biological redox reactions and are mediated by flavin, deazaflavin or nicotinamide adenine dinucleotide cofactors at standard redox potentials ranging from 0 to –340 mV. 2-Naphthoyl-CoA reductase, a key enzyme of oxygen-independent bacterial naphthalene degradation, uses a low-potential one-electron donor for the two-electron dearomatization of its substrate below the redox limit of known biological hydride transfer processes at E°’ = −493 mV. Here we demonstrate by X-ray structural analyses, QM/MM computational studies, and multiple spectroscopy/activity based titrations that highly cooperative electron transfer (n = 3) from a low-potential one-electron (FAD) to a two-electron (FMN) transferring flavin cofactor is the key to overcome the resonance stabilized aromatic system by hydride transfer in a highly hydrophobic pocket. The results evidence how the protein environment inversely functionalizes two flavins to switch from low-potential one-electron to hydride transfer at the thermodynamic limit of flavin redox chemistry.
Rhodopsins are the most universal biological light-energy transducers and abundant phototrophic mechanisms that evolved on Earth and have a remarkable diversity and potential for biotechnological applications. Recently, the first sodium-pumping rhodopsin KR2 from Krokinobacter eikastus was discovered and characterized. However, the existing structures of KR2 are contradictory, and the mechanism of Na+ pumping is not yet understood. Here, we present a structure of the cationic (non H+) light-driven pump at physiological pH in its pentameric form. We also present 13 atomic structures and functional data on the KR2 and its mutants, including potassium pumps, which show that oligomerization of the microbial rhodopsin is obligatory for its biological function. The studies reveal the structure of KR2 at nonphysiological low pH where it acts as a proton pump. The structure provides new insights into the mechanisms of microbial rhodopsins and opens the way to a rational design of novel cation pumps for optogenetics.
Mechanism of the electroneutral sodium/proton antiporter PaNhaP from transition-path shooting
(2019)
Na+/H+ antiporters exchange sodium ions and protons on opposite sides of lipid membranes. The electroneutral Na+/H+ antiporter NhaP from archaea Pyrococcus abyssi (PaNhaP) is a functional homolog of the human Na+/H+ exchanger NHE1, which is an important drug target. Here we resolve the Na+ and H+ transport cycle of PaNhaP by transition-path sampling. The resulting molecular dynamics trajectories of repeated ion transport events proceed without bias force, and overcome the enormous time-scale gap between seconds-scale ion exchange and microseconds simulations. The simulations reveal a hydrophobic gate to the extracellular side that opens and closes in response to the transporter domain motion. Weakening the gate by mutagenesis makes the transporter faster, suggesting that the gate balances competing demands of fidelity and efficiency. Transition-path sampling and a committor-based reaction coordinate optimization identify the essential motions and interactions that realize conformational alternation between the two access states in transporter function.
Electron cryo-microscopy analyzes the structure of proteins and protein complexes in vitrified solution. Proteins tend to adsorb to the air-water interface in unsupported films of aqueous solution, which can result in partial or complete denaturation. We investigated the structure of yeast fatty acid synthase at the air-water interface by electron cryo-tomography and single-particle image processing. Around 90% of complexes adsorbed to the air-water interface are partly denatured. We show that the unfolded regions face the air-water interface. Denaturation by contact with air may happen at any stage of specimen preparation. Denaturation at the air-water interface is completely avoided when the complex is plunge-frozen on a substrate of hydrophilized graphene.
Mitochondrial ATP synthases form dimers, which assemble into long ribbons at the rims of the inner membrane cristae. We reconstituted detergent-purified mitochondrial ATP synthase dimers from the green algae Polytomella sp. and the yeast Yarrowia lipolytica into liposomes and examined them by electron cryotomography. Tomographic volumes revealed that ATP synthase dimers from both species self-assemble into rows and bend the lipid bilayer locally. The dimer rows and the induced degree of membrane curvature closely resemble those in the inner membrane cristae. Monomers of mitochondrial ATP synthase reconstituted into liposomes do not bend membrane visibly and do not form rows. No specific lipids or proteins other than ATP synthase dimers are required for row formation and membrane remodelling. Long rows of ATP synthase dimers are a conserved feature of mitochondrial inner membranes. They are required for cristae formation and a main factor in mitochondrial morphogenesis.
F1Fo‐ATP synthase is one of the best studied macromolecular machines in nature. It can be inhibited by a range of small molecules, which include the polyphenols, resveratrol and piceatannol. Here, we introduce Photoswitchable Inhibitors of ATP Synthase, termed PIAS, which were synthetically derived from these polyphenols. They can be used to reversibly control the enzymatic activity of purified yeast Yarrowia lipolyticaATP synthase by light. Our experiments indicate that the PIAS bind to the same site in the ATP synthase F1 complex as the polyphenols in their trans form, but they do not bind in their cis form. The PIAS could be useful tools for the optical precision control of ATP synthase in a variety of biochemical and biotechnological applications.
Lunapark (Lnp) is a conserved membrane protein that localizes to and stabilizes three-way junctions of the tubular ER network. In higher eukaryotes, phosphorylation of Lnp may contribute to the conversion of the ER from tubules to sheets during mitosis. Here, we report on the reconstitution of purified Lnp with phospholipids. Surprisingly, Lnp induces the formation of stacked membrane discs. Each disc is a bicelle, with Lnp sitting in the bilayer facing both directions. The interaction between bicelles is mediated by the cytosolic domains of Lnp, resulting in a constant distance between the discs. A phosphomimetic Lnp mutant shows reduced bicelle stacking. Based on these results, we propose that Lnp tethers ER membranes in vivo in a cell cycle–dependent manner. Lnp appears to be the first membrane protein that induces the formation of stacked bicelles.
Mitochondrial complex I has a key role in cellular energy metabolism, generating a major portion of the proton motive force that drives aerobic ATP synthesis. The hydrophilic arm of the L-shaped ~1 MDa membrane protein complex transfers electrons from NADH to ubiquinone, providing the energy to drive proton pumping at distant sites in the membrane arm. The critical steps of energy conversion are associated with the redox chemistry of ubiquinone. We report the cryo-EM structure of complete mitochondrial complex I from the aerobic yeast Yarrowia lipolytica both in the deactive form and after capturing the enzyme during steady-state activity. The site of ubiquinone binding observed during turnover supports a two-state stabilization change mechanism for complex I.
The electron transferring flavoprotein/butyryl-CoA dehydrogenase (EtfAB/Bcd) catalyzes the reduction of one crotonyl-CoA and two ferredoxins by two NADH within a flavin-based electron-bifurcating process. Here we report on the X-ray structure of the Clostridium difficile (EtfAB/Bcd)4 complex in the dehydrogenase-conducting D-state, α-FAD (bound to domain II of EtfA) and δ-FAD (bound to Bcd) being 8 Å apart. Superimposing Acidaminococcus fermentans EtfAB onto C. difficile EtfAB/Bcd reveals a rotation of domain II of nearly 80°. Further rotation by 10° brings EtfAB into the bifurcating B-state, α-FAD and β-FAD (bound to EtfB) being 14 Å apart. This dual binding mode of domain II, substantiated by mutational studies, resembles findings in non-bifurcating EtfAB/acyl-CoA dehydrogenase complexes. In our proposed mechanism, NADH reduces β-FAD, which bifurcates. One electron goes to ferredoxin and one to α-FAD, which swings over to reduce δ-FAD to the semiquinone. Repetition affords a second reduced ferredoxin and δ-FADH−, which reduces crotonyl-CoA.
Complex I couples the free energy released from quinone (Q) reduction to pump protons across the biological membrane in the respiratory chains of mitochondria and many bacteria. The Q reduction site is separated by a large distance from the proton-pumping membrane domain. To address the molecular mechanism of this long-range proton-electron coupling, we perform here full atomistic molecular dynamics simulations, free energy calculations, and continuum electrostatics calculations on complex I from Thermus thermophilus. We show that the dynamics of Q is redox-state-dependent, and that quinol, QH2, moves out of its reduction site and into a site in the Q tunnel that is occupied by a Q analog in a crystal structure of Yarrowia lipolytica. We also identify a second Q-binding site near the opening of the Q tunnel in the membrane domain, where the Q headgroup forms strong interactions with a cluster of aromatic and charged residues, while the Q tail resides in the lipid membrane. We estimate the effective diffusion coefficient of Q in the tunnel, and in turn the characteristic time for Q to reach the active site and for QH2 to escape to the membrane. Our simulations show that Q moves along the Q tunnel in a redox-state-dependent manner, with distinct binding sites formed by conserved residue clusters. The motion of Q to these binding sites is proposed to be coupled to the proton-pumping machinery in complex I.
Regulation of protein turnover allows cells to react to their environment and maintain homeostasis. Proteins can show different turnover rates in different tissue, but little is known about protein turnover in different brain cell types. We used dynamic SILAC to determine half-lives of over 5100 proteins in rat primary hippocampal cultures as well as in neuron-enriched and glia-enriched cultures ranging from <1 to >20 days. In contrast to synaptic proteins, membrane proteins were relatively shorter-lived and mitochondrial proteins were longer-lived compared to the population. Half-lives also correlate with protein functions and the dynamics of the complexes they are incorporated in. Proteins in glia possessed shorter half-lives than the same proteins in neurons. The presence of glia sped up or slowed down the turnover of neuronal proteins. Our results demonstrate that both the cell-type of origin as well as the nature of the extracellular environment have potent influences on protein turnover.
Electron transfer in respiratory chains generates the electrochemical potential that serves as energy source for the cell. Prokaryotes can use a wide range of electron donors and acceptors and may have alternative complexes performing the same catalytic reactions as the mitochondrial complexes. This is the case for the alternative complex III (ACIII), a quinol:cytochrome c/HiPIP oxidoreductase. In order to understand the catalytic mechanism of this respiratory enzyme, we determined the structure of ACIII from Rhodothermus marinus at 3.9 Å resolution by single-particle cryo-electron microscopy. ACIII presents a so-far unique structure, for which we establish the arrangement of the cofactors (four iron–sulfur clusters and six c-type hemes) and propose the location of the quinol-binding site and the presence of two putative proton pathways in the membrane. Altogether, this structure provides insights into a mechanism for energy transduction and introduces ACIII as a redox-driven proton pump.
Visualization of cytosolic ribosomes on the surface of mitochondria by electron cryo‐tomography
(2017)
We employed electron cryo‐tomography to visualize cytosolic ribosomes on the surface of mitochondria. Translation‐arrested ribosomes reveal the clustered organization of the TOM complex, corroborating earlier reports of localized translation. Ribosomes are shown to interact specifically with the TOM complex, and nascent chain binding is crucial for ribosome recruitment and stabilization. Ribosomes are bound to the membrane in discrete clusters, often in the vicinity of the crista junctions. This interaction highlights how protein synthesis may be coupled with transport. Our work provides unique insights into the spatial organization of cytosolic ribosomes on mitochondria.