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The synergetic effects of combining structural biology and epr spectroscopy on membrane proteins
(2017)
Protein structures as provided by structural biology such as X-ray crystallography, cryo-electron microscopy and NMR spectroscopy are key elements to understand the function of a protein on the molecular level. Nonetheless, they might be error-prone due to crystallization artifacts or, in particular in case of membrane-imbedded proteins, a mostly artificial environment. In this review, we will introduce different EPR spectroscopy methods as powerful tools to complement and validate structural data gaining insights in the dynamics of proteins and protein complexes such that functional cycles can be derived. We will highlight the use of EPR spectroscopy on membrane-embedded proteins and protein complexes ranging from receptors to secondary active transporters as structural information is still limited in this field and the lipid environment is a particular challenge.
Die Lebensfunktion der Zelle beruht unter anderem auf der Funktion und Wechselwirkung der Nukleinsäuren DNA (2’-Desoxyribonukleinsäure) und RNA (Ribonukleinsäure). Mit Hilfe von PDS (engl. ’pulsed dipolare spectroscopy’)-Techniken, basierend auf der EPR (engl. ’electron paramagnetic resonance’)-Spektroskopie, können Abstände in einem Bereich von 2-10 nm zwischen zwei markierten Positionen einer Nukleinsäure bestimmt werden. Daneben kann mit der Abstandsverteilung auf die Flexibilität des Moleküls geschlossen werden. Durch PDS-Messungen eröffnet sich die Möglichkeit, Bewegungen und Zustandsänderungen zu untersuchen. Die Messungen beruhen auf der dipolaren Kopplung von Radikalen (Spinlabel). Da die gemessenen dipolaren Kopplungen eine anisotrope Wechselwirkung sind, können an starren Systemen neben den Abstandsinformationen auch die Orientierungen der beiden Spinlabel zueinander bestimmt werden. Diese zusätzliche Information ermöglicht es, mittels orientierungsselektiver PDS-Messungen noch genauer die Geometrie und Flexibilität des Systems zu untersuchen. Klassischerweise werden alle Messungen mit der Doppelfrequenztechnik PELDOR (engl. ’pulsed electron-electron double resonance’) durchgeführt. Einzelfrequenzmethoden basieren dagegen auf Breitbandanregung, die mit den technischen Gegebenheiten l nge nicht möglich war. Eine solche Sequenz ist 2D-SIFTER.ImmRahmen dieser Arbeit von PELDOR ausgehende, weiterentwickelte Simulationsprozedur etabliert. Eine große Herausforderung ist die eindeutige Interpretation der sensitiven orientierungsselektiven PELDOR-Messungen. Sie mittels MD (Moleküldynamik)-Simulationen zu beschreiben war bisher nur qualitativ möglich. Allerdings wurden mehrere neue Kraftfelder publiziert. Mit einem quantitativen Vergleich mit orientierungsselektiven PELDOR-Daten kann sichergestellt werden, dass die Flexibilität des Systems durch Kraftfelder richtig beschrieben ist. PELDOR-Zeitspuren, gemessen bei Raumtemperatur und 50 K, unterscheiden sich besonders in ihrer Dämpfung. Der physikalische Unterschied beider Messungen konnte durch MD-Simulationen qualitativ nachvollzogen worden. Eine Schwierigkeit für speziell orientierungsselektive PELDOR-Messungen ist die aufwendige Synthese von mit dem starren Ç-Label markierten Nukleinsäuren. Als Alternative wurde in der Sigurdsson-Gruppe das halbstarre IMU-Label entwickelt. Die Analyse der orientierungsselektiven Daten ergab ein klares Bild der Dynamik dieses Labels. Ein weiterer interessanter Spinlabel ist der `G. Dieser Label ist nicht kovalent gebunden, sondern interkaliert in eine Stelle der Nukleinsäure, in der eine Guanin- Base fehlt. MD-Simulationen im quantitativen Vergleich mit orientierungsselektiven PELDOR-Messungen an verschiedenen Magnetfeldern haben eine hohe Übereinstimmung. Dabei konnte gezeigt werden, dass der Label, interkaliert in eine dsDNA, flippen kann, was zu einer Ausmittelung der Anisotropie führt, allerdings zu keiner Verbreiterung der Abstandsverteilung. Dagegen wird in der dsRNA dieses Flippen um die Einfachbindung sterisch gehindert, so dass neben dem Abstand auch die Orientierung des Labels bestimmt werden kann. Kurze dsRNA-Bausteine tendieren dazu, Oligomere zu bilden, was zu Multispineffekten führte. Zusätzlich beeinflusst diese Aggregation die Dynamik der einzelnen RNAs. Daher musste dieses ’end-to-end’-Stacking verhindert werden. Eine Nukleobasean einem Ende der dsRNA führt zu einer Dimerisierung, während eine Nukleobase an beiden Seiten dieses Stacking vollständig verhindert. Messungen mit unterschiedlichen Salzkonzentrationen konnten zusätzlich zeigen, dass die Interaktion zweier dsRNAs bei höheren Salzkonzentrationen zunimmt.
TEMPO spin labels protected with 2-nitrobenzyloxymethyl groups were attached to the amino residues of three different nucleosides: deoxycytidine, deoxyadenosine, and adenosine. The corresponding phosphoramidites could be incorporated by unmodified standard procedures into four different self-complementary DNA and two RNA oligonucleotides. After photochemical removal of the protective group, elimination of formic aldehyde and spontaneous air oxidation, the nitroxide radicals were regenerated in high yield. The resulting spin-labeled palindromic duplexes could be directly investigated by PELDOR spectroscopy without further purification steps. Spin–spin distances measured by PELDOR correspond well to the values obtained from molecular models.
The tetracycline-binding RNA aptamer (TC-aptamer) is a synthetic riboswitch that binds the antibiotic tetracycline (TC) with exceptionally high affinity. Although a crystal structure exists of the TC-bound state, little is known about the conformational dynamics and changes upon ligand binding. In this study, pulsed electron paramagnetic resonance techniques for measuring distances (PELDOR) in combination with rigid nitroxide spin labels (Çm spin label) were used to investigate the conformational flexibility of the TC-aptamer in the presence and absence of TC at different Mg2+ concentrations. TC was found to be the essential factor for stabilizing the tertiary structure at intermediate Mg2+ concentrations. At higher Mg2+ concentrations, Mg2+ alone is sufficient to stabilize the tertiary structure. In addition, the orientation of the two spin-labeled RNA helices with respect to each other was analyzed with orientation-selective PELDOR and compared to the crystal structure. These results demonstrate for the first time the unique value of the Çm spin label in combination with PELDOR to provide information about conformational flexibilities and orientations of secondary structure elements of biologically relevant RNAs.
This thesis demonstrates the advancement of PELDOR spectroscopy beyond its original design of distance measurements in order to disentangle a maximum amount of information additionally encoded in the PELDOR data. In particular, the successful synthesis of novel polynitroxide radicals is described as well as the extraction of the relative orientation of spin labels, conformational flexibility and the separation of dipolar and exchange coupling via orientation selective PELDOR measurements in combination with PESIM based simulations. Moreover, the method of PELDOR "Spin Counting" was experimentally validated.