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The cytochrome bc1 complex is a dimeric enzyme of the inner mitochondrial membrane that links electron transfer from ubiquinol to cytochrome c by a protonmotive Q cycle mechanism in which ubiquinol is oxidized at one center in the enzyme, referred to as center P, and ubiquinone is rereduced at a second center, referred to as center N. To better understand the mechanism of ubiquinol oxidation, we have examined catalytic activities and pre-steady-state reduction kinetics of yeast cytochrome bc1 complexes with mutations in cytochrome b that we expected would affect oxidation of ubiquinol. We mutated two residues thought to be involved in proton conduction linked to ubiquinol oxidation, Tyr132 and Glu272, and two residues proposed to be involved in docking ubiquinol into the center P pocket, Phe129 and Tyr279. Substitution of Phe129 by lysine or arginine yielded a respiration-deficient phenotype and lipid-dependent catalytic activity. Increased bypass reactions were detectable for both variants, with F129K showing the more severe effects. Substitution with lysine leads to a disturbed coordination of a b heme as deduced from changes in the midpoint potential and the EPR signature. Removal of the aromatic side chain in position Tyr279 lowers the catalytic activity accompanied by a low level of bypass reactions. Pre-steady-state kinetics of the enzymes modified at Glu272 and Tyr132 confirmed the importance of their functional groups for electron transfer. Altered center N kinetics and activation of ubiquinol oxidation by binding of cytochrome c in the Y132F and E272D enzymes indicate long range effects of these mutations.
There is a renewed interest in pseudoreceptor models which enable computational chemists to bridge the gap of ligand- and receptor-based drug design. We developed a pseudoreceptor model for the histamine H4 receptor (H4R) based on five potent antagonists representing different chemotypes. Here we present the selection of potential ligand binding pockets that occur during molecular dynamics (MD) simulations of a homology-based receptor model. We present a method for prioritizing receptor models according to their match with the consensus ligand-binding mode represented by the pseudoreceptor. In this way, ligand information can be transferred to receptor-based modelling. We use Geometric Hashing to match three-dimensional points in Cartesion space. This allows for the rapid translation- and rotation-free comparison of atom coordinates, which also permits partial matching. The only prerequisite is a hash table, which uses distance triplets as hash keys. Each time a distance triplet occurring in the candidate point set which corresponds to an existing key, the match is represented by a vote of the respective key. Finally, the global match of both point sets can be easily extracted by selection of voted distance triplets. The results revealed a preferred ligand-binding pocket in H4R, which would not have been identified using an unrefined homology model of the protein. The key idea was to rely on ligand information by pseudoreceptor modelling.
Ubiquitin fold modifier 1 (UFM1) is a member of the ubiquitin-like protein family. UFM1 undergoes a cascade of enzymatic reactions including activation by UBA5 (E1), transfer to UFC1 (E2) and selective conjugation to a number of target proteins via UFL1 (E3) enzymes. Despite the importance of ufmylation in a variety of cellular processes and its role in the pathogenicity of many human diseases, the molecular mechanisms of the ufmylation cascade remains unclear. In this study we focused on the biophysical and biochemical characterization of the interaction between UBA5 and UFC1. We explored the hypothesis that the unstructured C-terminal region of UBA5 serves as a regulatory region, controlling cellular localization of the elements of the ufmylation cascade and effective interaction between them. We found that the last 20 residues in UBA5 are pivotal for binding to UFC1 and can accelerate the transfer of UFM1 to UFC1. We solved the structure of a complex of UFC1 and a peptide spanning the last 20 residues of UBA5 by NMR spectroscopy. This structure in combination with additional NMR titration and isothermal titration calorimetry experiments revealed the mechanism of interaction and confirmed the importance of the C-terminal unstructured region in UBA5 for the ufmylation cascade.
The transcriptional regulator far upstream binding protein 1 (FUBP1) is essential for fetal and adult hematopoietic stem cell (HSC) self-renewal, and the constitutive absence of FUBP1 activity during early development leads to embryonic lethality in homozygous mutant mice. To investigate the role of FUBP1 in murine embryonic stem cells (ESCs) and in particular during differentiation into hematopoietic lineages, we generated Fubp1 knockout (KO) ESC clones using CRISPR/Cas9 technology. Although FUBP1 is expressed in undifferentiated ESCs and during spontaneous differentiation following aggregation into embryoid bodies (EBs), absence of FUBP1 did not affect ESC maintenance. Interestingly, we observed a delayed differentiation of FUBP1-deficient ESCs into the mesoderm germ layer, as indicated by impaired expression of several mesoderm markers including Brachyury at an early time point of ESC differentiation upon aggregation to EBs. Coculture experiments with OP9 cells in the presence of erythropoietin revealed a diminished differentiation capacity of Fubp1 KO ESCs into the erythroid lineage. Our data showed that FUBP1 is important for the onset of mesoderm differentiation and maturation of hematopoietic progenitor cells into the erythroid lineage, a finding that is supported by the phenotype of FUBP1-deficient mice.
Retrograde transport of NF-κB from the synapse to the nucleus in neurons is mediated by the dynein/dynactin motor complex and can be triggered by synaptic activation. The caliber of axons is highly variable ranging down to 100 nm, aggravating the investigation of transport processes in neurites of living neurons using conventional light microscopy. We quantified for the first time the transport of the NF-κB subunit p65 using high-density single-particle tracking in combination with photoactivatable fluorescent proteins in living mouse hippocampal neurons. We detected an increase of the mean diffusion coefficient (Dmean) in neurites from 0.12±0.05 to 0.61±0.03 μm2/s after stimulation with glutamate. We further observed that the relative amount of retrogradely transported p65 molecules is increased after stimulation. Glutamate treatment resulted in an increase of the mean retrograde velocity from 10.9±1.9 to 15±4.9 μm/s, whereas a velocity increase from 9±1.3 to 14±3 μm/s was observed for anterogradely transported p65. This study demonstrates for the first time that glutamate stimulation leads to an increased mobility of single NF-κB p65 molecules in neurites of living hippocampal neurons.
Das genetische Material der Zellen besteht aus Molekülketten der Desoxyribonukleinsäure (DNA), die ein Träger der Erbinformation ist. In normalen Körperzellen wird die Erbinformation der DNA in eine andere Molekülkette, die sogenannte Ribonukleinsäure (RNA), übersetzt. Die RNA reguliert die Bildung von neuem Protein in der Zelle. Dass die RNA nicht bloß ein „Stempel“ ist, der die Informationen der DNA weitervermittelt, darin sind sich die Experten heute einig. RNA-Moleküle können Informationen speichern, katalytische Aktivitäten entfalten, sich perfekt tarnen, und sie regulieren auch als Produkt ihre eigene Synthese. Manche Viren enthalten ebenfalls RNA (oder DNA) und können so den Produktionsapparat der Zelle täuschen. Erkenntnisse über die Wechselwirkung dieser RNA mit natürlichen und synthetischen Liganden können zur Suche nach potentiellen Wirkstoffen beitragen. Nukleinsäuren sind lineare Biopolymere von grundlegenden Untereinheiten, die Nukleotide genannt werden und aus Adenin (A), Cytosin (C), Guanin (G), Urazil (U), und Thymin (T) zusammengesetzt sind. Sie sind jedoch in der Lage sich zu falten und so eine Doppel-Helixstruktur auszubilden. Diese besteht größtenteils aus den bekannten "Watson-Crick-Basenpaaren" (G-C und A-U oder A-T), die zur Stabilität der Struktur beitragen, sowie aus den weniger stabilen G-U-Paaren. Durch die Wechselwirkung zwischen verschiedenen Sekundärstrukturelementen entstehen Tertiärstrukturelemente, deren Struktur und Dynamik oft nur schwer experimentell zu bestimmen sind. Fortschritte in der RNA-Strukturanalyse wurden durch Röntgenkristallographie und Kernresonanzspektroskopie (NMR) möglich. Durch die Röntgenkristallographie wurden viele RNA-Eigenschaften festgestellt. Allerdings besteht keine Kristallstruktur für alle mögliche Einzelnfaser-RNA-Haarnadeln, weil diese immer dazu neigen, in eine linearen doppelte Faserform zu kristallisieren, die geringe biologische Bedeutung hat. Außerdem wurde mit Hilfe der NMR-Spektroskopie das dynamische Verhalten von RNA, z.B. Entfaltungsprozesse bei ansteigender Temperatur, beobachtet. Jedoch erlauben diese experimentellen Daten oft keine direkte mikroskopische Beschreibung der molekularen Prozesse. Molekulardynamik (MD)-Simulationen von biologischen Systemen ermöglichen es hingegen, diese Prozesse in atomischem Detail zu untersuchen. Die MD-Simulation beschreibt ein molekulares System auf atomarer Ebene mit Hilfe der klassischen Mechanik. Kräfte werden von empirischen Potentialen abgeleitet. Sie liefern zeitabhängige Trajektorien, die sich aus den Newton'schen Bewegungsgleichungen ergeben. Durch verbesserte Computerleistung, bessere Kraftfelder, und neu entwickelte genauere Methoden stimmen heutzutage MD-Simulationen von RNA mit experimentellen Daten immer besser überein. In meiner Doktorarbeit wurden MD-Simulationen durchgeführt um die Dynamik, die Struktur und insbesondere die Stabilität von RNA-Hairpins theoretisch zu beschreiben, um so ein erweitertes Verständnis für die dynamischen Vorgänge zu erhalten. Auch der SFB 579 der Universität Frankfurt beschäftigt sich mit RNA-Systemen. Erforscht wird unter anderem der D-Loop des Coxsackievirus B3 (CVB3), der Virenmyocarditis verursacht. Die Interpretation dieser experimentellen Daten wird durch MD-Simulation möglich. In dieser Arbeit wurden das GROMACS Software-Paket und das AMBER Kraftfeld verwendet, um das strukturelle, dynamische und thermische Verhalten der RNA-Hairpins mit Hilfe von MD-Simulationen auf atomarer Ebene zu untersuchen. Betrachtet wurden die 14-mer RNA-Hairpins, uCACGg und cUUCGg. Die verfügbaren NMR-Strukturen zeigen, dass das uCACGg-Tetraloop auffallend ähnlich in der gesamten Geometrie und den Wasserstoffbindungen zu der experimentellen Struktur des cUUCGg-Tetraloop ist, obwohl die schließende Basenpaarsequenz der beiden Tetraloops unterschiedlich sind. Trotz beachtlicher struktureller Ähnlichkeit unterscheiden sich allerdings die uCACGg und cUUCGg Tetraloops in Funktionalität und Thermostabilität. Zunächst orientiert sich unser erstes Bemühen an der Frage nach einem guten Modell für RNA-Hairpins und Simulationsbedingungen, um die zu untersuchenden RNA-Hairpins in Wasser möglichst realitätsnah zu simulieren. Erstens werden drei Versionen des biomolekularen AMBER-Kraftfelds geprüft, indem man die 60 ns Simulationen des 14-mer uCACGg-Hairpins durchführt. Die simulierten strukturellen Eigenschaften und Atomfluktuationen zeigen hohe Ähnlichkeiten in den drei Kraftfeldern. Darüber hinaus stimmen die von MD-Simulationen berechneten Atomkernabstände mit den experimentellen NMR-Daten gut überein. Die gute Übereinstimmung zwischen den Simulationen und den strukturellen NMR Daten belegt die Fähigkeit des AMBER-Kraftfelds zur Beschreibung der strukturellen Eigenschaft von kleinen RNA-Hairpins. Anschließend werden die Einflüsse der Methoden, welche die langreichweitigen, elektrostatischen Wechselwirkungen beschreiben, auf die strukturellen Eigenschaften untersucht. Insbesondere werden die Ergebnisse der Reaktionfeld-Methode mit denen der Particle Mesh Ewald (PME)-Methode verglichen. Es zeigt sich, dass die PME-Methode die elektrostatischen Wechselwirkungen am besten beschreibt, auch wenn die Simulationen der beiden Methoden Ähnlichkeit in der Struktur-Stabilität und der Atomfluktuation bei niedriger Natriumkonzentration aufweisen. Drittens wird der Kationseffekt auf die RNA-Stabilität untersucht. Betrachtet wurden zwei unterschiedliche Kationen (ein- und zweiwertig) und verschiedene Konzentrationen. Die Simulationen weisen darauf hin, dass sich die Metallionen in der Affinität zum RNA-Hairpin unterscheiden, wenn Na+ und/oder Mg2+ als Gegenionen verwendet werden. Weiterhin wird gezeigt, dass sich die bevorzugten Positionen der Na+-Ionen in der großen Furche (major groove) des RNA-Hairpins befinden. Insbesondere die Anlagerungsort der Na+-Ionen liegen in der Nähe des schließenden Basenpaar U5-G10. Im Vergleich zu Na+-Ionen lagern sich Mg2+-Ionen sowohl an die RNA-Basen U3, A4-U11, und die Phosphat-Gruppe, als auch an das schließenden Basenpaar U5-G10 an. Bestätigt werden die Modelle und Simulationsbedingungen durch den Vergleich von Parametern, die sowohl experimentell als auch durch Simulationen ermittelt werden können. Ferner erlauben MD-Simulationen Einblick in das System, indem sie detallierte Konformations- und andere Verteilungen liefern. In der vorliegenden Arbeit wurden die Einflüsse der Loopsequenz und des schließenden Basenpaares auf die Verteilung der Konformationen, der internen Bewegungen, und auf die Thermostabilität von zwei RNA-Hairpins mit Hilfe dieser Modelle untersucht. Zunächst wurden die strukturellen Eigenschaften bei Raumtemperatur ausgewertet. Die starken strukturellen Ähnlichkeiten und die gute Übereinstimmung mit NMR-Daten bestätigen die Hypothese, dass die zwei Tetraloops zur gleichen “erweiterten” RNA-Familie gehören. Diese zwei Hairpins haben ähnliche Lösemittelzugängliche Oberflächen (solvent accessible surface), wobei deren Lösemittel zugänglichen funktionellen Gruppen unterschiedlich sind. Weiterhin weist das uCACGg-Hairpin eine stärkere Tendenz auf Wasserstoffe abzugeben als das cUUCGg-Hairpin, was in den unterschiedlichen Bindungsaffinitäten zwischen diesen Hairpins und der viralen Protease begründet liegt. Darüber hinaus wurde der Faltungs- und Entfaltungsprozess mit Hilfe der Replica-Exchange-Molekulardynamik-Simulationen untersucht. Diese Untersuchung zielt auf das bessere Verständnis der unterschiedlichen Thermostabilität der Hairpins, indem sie die möglichen Zwischenprodukte im atomaren Detail liefern. Sowohl experimentell als auch von den MD-Simulationen ergibt sich eine Differenz in den Schmelztemperaturen der beiden Hairpins von ungefähr 20 K. Allerdings sind die von MD beobachteten Schmelztemperaturen 20 % höher als die von Experiment zu ansehende Wert. Die Ergebnisse machen deutlich, dass die Schmelztemperaturdifferenz nicht auf die Unterschiede in der Sequenz, in der Struktur, oder in der Dynamik der Loops zurückführen sind, sondern auf die Unterschiede der Basenpaaren in den Stämmen. Weiterhin wird gezeigt, dass sich das uCACGg-Hairpin einerseits kooperativ entfaltet, und die Entfaltung des cCACGg-Hairpins anderseits weniger kooperativ stattfindet. Um die schnelle interne Dynamik der uCACGg- und cUUCGg-Hairpins zu untersuchen, erlauben die Simulationen von 50 ns eine akurate Beschreibung der schnellen internen Bewegung der RNA-Hairpin, obwohl der den Hairpins zugängliche Konformationsraum nicht vollständig abgedeckt wird. Die NMR-Relaxationsparameter, die mit Hilfe der MD-Simulationen zurückgerechnet wurden, bestätigen das Modell und die Simulationsbedingungen der MD-Simulationen. Im Hinblick auf die Übereinstimmung kann man den besten Ansatz zur Berechnung der NMR-Ordnungsparameter bestimmen. In dieser Arbeit wurden drei verschiedene Ansätze angewandt, nämlich das Fitting von 100 ps auf modellfreiem Ansatz nach Lipari-Szabo, equilibrium average, und das Gaussian Axial Fluctuation (GAF)-Modell. Die zwei letzteren können nur qualitativ mit den experimentellen Daten übereinstimmen. Die NMR-Ordnungsparameter können mit Hilfe des Modells von Lipari-Szabo richtig ermittelt werden, wenn sich die interne Bewegung in kleineren Zeitskalen als zur Gesamtbewegung vollzieht. Vorausetzung für die Berechnung dieses Modells ist aber, dass das Fitting der internen Korrelationsfunktionen nur auf den ersten Teil von 100 ps der Korrelationsfunktionen eingesetzt wird. Die berechneten Ordnungsparameter deuten auf ein unterschiedliches Verhalten der beiden Hairpins besonders im Loop-Bereich hin. Die konformationelle Umordnung, die beim UUCG-Loop beobachtet wurde, tritt beim CACG-Loop nicht ein. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass es durch den Einsatz von MD Simulationen ermöglicht wird, die strukturellen und dynamischen Eigenschaften der RNA-Systeme auf atomarer Ebene zu untersuchen. Als Schlussfolgerung zeigt diese Doktorarbeit, dass sich die Studie der konformationell Dynamik der RNA-Systeme durch die Kombination aus MD-Simulation und NMR-Spektroskopie sowie der Leistungsfähigkeit der MD-Simulationen, die die interne Bewegungen deutlich beschreiben können, untersuchen lässt.
Molecular dynamics has been employed to study the effect of ion treatment on the stability of 14-nucleotide RNA hairpin of Coxsackievirus B3. Three AMBER force fields were used: AMBER94, AMBER98, and AMBER99, which showed no significant structural difference of the hairpin. Thereafter, we applied two different long-range electrostatic treatments that were reaction field and PME methods, and calculated the distribution of ions around the hairpin. Although the structural stabilities of the MD simulations using both methods were similar in 0.14 M Na+, ion environment around the hairpin was notably different. In particular, structural stabilition of the hairpin with increasing ion concentration and with ion Mg2+ cannot be accommodated by simulations using reaction field method. Furthermore, the MD simulations using PME method suggested the strong similarity in structural and dynamical properties of the hairpin with 0.14 M Na+, 0.50 M Na+, 1,03 M Na+, and 0.08 M Mg2+ concentrations. However, the simulations revealed different ion occupations of Na+ and Mg2+.
Movement of the Rieske domain of the iron–sulfur protein is essential for intramolecular electron transfer within complex III2 (CIII2) of the respiratory chain as it bridges a gap in the cofactor chain towards the electron acceptor cytochrome c. We present cryo-EM structures of CIII2 from Yarrowia lipolytica at resolutions up to 2.0 Å under different conditions, with different redox states of the cofactors of the high-potential chain. All possible permutations of three primary positions were observed, indicating that the two halves of the dimeric complex act independently. Addition of the substrate analogue decylubiquinone to CIII2 with a reduced high-potential chain increased the occupancy of the Qo site. The extent of Rieske domain interactions through hydrogen bonds to the cytochrome b and cytochrome c1 subunits varied depending on the redox state and substrate. In the absence of quinols, the reduced Rieske domain interacted more closely with cytochrome b and cytochrome c1 than in the oxidized state. Upon addition of the inhibitor antimycin A, the heterogeneity of the cd1-helix and ef-loop increased, which may be indicative of a long-range effect on the Rieske domain.
As cryo-EM approaches the physical resolution limits imposed by electron optics and radiation damage, it becomes increasingly urgent to address the issues that impede high-resolution structure determination of biological specimens. One of the persistent problems has been beam-induced movement, which occurs when the specimen is irradiated with high-energy electrons. Beam-induced movement results in image blurring and loss of high-resolution information. It is particularly severe for biological samples in unsupported thin films of vitreous water. By controlled devitrification of conventionally plunge-frozen samples, the suspended film of vitrified water was converted into cubic ice, a polycrystalline, mechanically stable solid. It is shown that compared with vitrified samples, devitrification reduces beam-induced movement in the first 5 e Å−2 of an exposure by a factor of ∼4, substantially enhancing the contribution of the initial, minimally damaged frames to a structure. A 3D apoferritin map reconstructed from the first frames of 20 000 particle images of devitrified samples resolved undamaged side chains. Devitrification of frozen-hydrated specimens helps to overcome beam-induced specimen motion in single-particle cryo-EM, as a further step towards realizing the full potential of cryo-EM for high-resolution structure determination.
The catalytic mechanism, electron transfer coupled to proton pumping, of heme-copper oxidases is not yet fully understood. Microsecond freeze-hyperquenching single turnover experiments were carried out with fully reduced cytochrome aa(3) reacting with O(2) between 83 micros and 6 ms. Trapped intermediates were analyzed by low temperature UV-visible, X-band, and Q-band EPR spectroscopy, enabling determination of the oxidation-reduction kinetics of Cu(A), heme a, heme a(3), and of a recently detected tryptophan radical (Wiertz, F. G. M., Richter, O. M. H., Cherepanov, A. V., MacMillan, F., Ludwig, B., and de Vries, S. (2004) FEBS Lett. 575, 127-130). Cu(B) and heme a(3) were EPR silent during all stages of the reaction. Cu(A) and heme a are in electronic equilibrium acting as a redox pair. The reduction potential of Cu(A) is 4.5 mV lower than that of heme a. Both redox groups are oxidized in two phases with apparent half-lives of 57 micros and 1.2 ms together donating a single electron to the binuclear center in each phase. The formation of the heme a(3) oxoferryl species P(R) (maxima at 430 nm and 606 nm) was completed in approximately 130 micros, similar to the first oxidation phase of Cu(A) and heme a. The intermediate F (absorbance maximum at 571 nm) is formed from P(R) and decays to a hitherto undetected intermediate named F(W)(*). F(W)(*) harbors a tryptophan radical, identified by Q-band EPR spectroscopy as the tryptophan neutral radical of the strictly conserved Trp-272 (Trp-272(*)). The Trp-272(*) populates to 4-5% due to its relatively low rate of formation (t((1/2)) = 1.2 ms) and rapid rate of breakdown (t((1/2)) = 60 micros), which represents electron transfer from Cu(A)/heme a to Trp-272(*). The formation of the Trp-272(*) constitutes the major rate-determining step of the catalytic cycle. Our findings show that Trp-272 is a redox-active residue and is in this respect on an equal par to the metallocenters of the cytochrome c oxidase. Trp-272 is the direct reductant either to the heme a(3) oxoferryl species or to Cu (2+)(B). The potential role of Trp-272 in proton pumping is discussed.