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Der Cytochrom-bc1-Komplex katalysiert die Elektronenübertragung von Ubihydrochinon auf Cytochrom c in der Atmungskette und in der bakteriellen Photosynthese. Das Enzym stellt somit das Bindeglied zwischen den Ubihydrochinon bildenden Dehydrogenasen und der Cytochrom c oxidierenden Cytochrom-c-Oxidase dar. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden die Wechselwirkungen des Cytochrom-bc1-Komplexes aus Saccharomyces cerevisiae mit seinen Substraten Ubichinon und Cytochrom c sowie mit Phospholipiden der inneren Mitochondrienmembran untersucht. Durch Analyse von Gesamtlipidextrakten aus Proben des Cytochrom-bc1-Komplexes konnte gezeigt werden, daß das Enzym in Anwesenheit von vier verschiedenen Phospholipiden gereinigt und kristallisiert werden kann. In der Kristallstruktur des Enzyms bei 2,3 Å Auflösung wurden fünf Bindungsstellen für Phospholipide und eine Bindungsstelle für ein Detergensmolekül identifiziert. Die Bindungsstelle für eines der Phospholipide, ein Cardiolipin-Molekül, liegt am Eingang eines von zwei Protonierungspfaden für die Ubichinon-Reduktionsstelle (Qi-Bindungsstelle). Ein Phosphatidylinosit-Molekül befindet sich in einer außergewöhnlichen Position unweit der flexiblen "Linker"-Region des Rieske Eisen-Schwefel-Proteins und trägt vermutlich zur Stabilisierung dieser katalytischen Untereinheit bei. Durch Röntgenbeugung an Kokristallen bestehend aus Cytochrom-bc1-Komplex und gebundenem Cytochrom c konnte die dreidimensionale Struktur dieses transienten Enzym-Substrat-Komplexes bei 2,97 Å ermittelt werden. Die Kristallstruktur ist die erste Struktur des Cytochrom c im Komplex mit einem seiner beiden Redoxpartner aus der Atmungskette. Sie zeigt, daß das Cytochrom c hauptsächlich durch hydrophobe Wechselwirkungen an das Cytochrom c1 bindet und daß die Nähe der beiden c-Typ Hämgruppen eine schnelle Reduktion des Cytochrom c erlaubt. Im homodimeren Cytochrom-bc1-Komplex ist nur eine der beiden Bindungsstellen für Cytochrom c besetzt. Diese hälftige Substratbindung zeigte sich auch für das Ubichinon in der Qi- Bindungsstelle und weist darauf hin, daß die beiden Monomere des Enzyms unabhängig voneinander oder sequentiell arbeiten können. Möglicherweise dient dies der Regulation der Enzymaktivität des Cytochrom-bc1-Komplexes. Durch partielle Reduktion des Cytochrom-bc1-Komplexes in Anwesenheit von Ubichinon konnte ein proteingebundenes Ubisemichinonradikal erzeugt und durch Schockgefrieren stabilisiert werden. Die spektralen Eigenschaften dieses Radikals sind typisch für ein Ubisemichinon an der Qi-Bindungsstelle. Durch Spektroskopie an einer Probe, die einem Wasserstoff/Deuterium-Austausch unterzogen wurde, konnte gezeigt werden, daß dieses Radikal von Protonen koordiniert wird, die mit dem Solvens im Austausch stehen. Dies steht in Übereinstimmung mit der Theorie des Q-Zyklus und wurde durch die hochauflösenden Kristallstruktur des Enzyms bei 2,3 Å vorhergesagt. Die erzielten Ergebnisse zeigen neue Informationen zum Wechselspiel des Cytochrom- bc1-Komplexes mit Phospholipiden aus der inneren Mitochondrienmembran. Die Bestimmung der Struktur des transienten Komplexes bestehend aus Enzym und Cytochrom c erweitert das Bild über den Elektronentransfer durch Cytochrom c zwischen dem Cytochrom-bc1-Komplex und der Cytochrom-c-Oxidase. Das mögliche Zusammenwirken der Bindungstellen für Cytochrom c und Ubichinon ist ein neuer mechanistischer Aspekt, der auf eine Regulation der Enzymaktivität schließen läßt.
In mitochondrial respiration, the soluble protein cytochrome c accepts an electron from the membrane bound cytochrome bc1. The interaction between cytochrome bc1 and cytochrome c is highly transient in nature, enabling turnover numbers greater than 160 s-1. Yeast cytochrome bc1 has been successfully crystallised with bound cytochrome c with the help of an antibody fragment (Lange and Hunte 2002; Solmaz and Hunte 2008). In all crystal structures of the complex, the homodimeric cytochrome bc1 binds only one cytochrome c, with the binding site located on subunit cytochrome c1. Univalent cytochrome c binding is correlated with conformational changes of the Rieske protein head domain and subunit QCR6p. The interface of the complex is small. The haem moieties are centrally located in a mainly non-polar contact site that includes a cation–! interaction and is surrounded by complementary charged residues. The crystal structure is in agreement with the general architecture of the interfaces of transient redox complexes and also reveals several interesting features unique to the cytochrome bc1. On the basis of the crystal structures, an extensive thermodynamic and kinetic characterisation of the interaction was carried out in this work to challenge the static snapshot of the bound proteins in the crystal structure as the relevant physiological electron transfer. The thermodynamic parameters of the interaction between the redox partners were determined using isothermal titration calorimetry (ITC). The association constant for cytochrome bc1 and cytochrome c in oxidised state under physiological ionic strength of 120 mM at 25 °C, was determined to be 5 " 103 M-1 by direct ITC titration. So, the partners interact with an affinity of 200 #M. In spite of the low affinity the complex has a life time ($ = 1/koff) of 5 #second, sufficiently long to enable the theoretically calculated electron transfer rates of 1.0 " 106 to 2.6 " 107 s%1 with a lifetime ($ = 1/rate) of 1-0.04 μseconds and experimentally determined rate of 7.7 " 104 s%1 with a lifetime of 13 μseconds. The low affinity makes it difficult to ascertain the stoichiometry of binding. The enthalpy of the interaction is endothermic, which is consistent with the nature of an interface where hydrophobic interactions are dominant. The enthalpy and entropy is 3.6 kJmol-1 and 83 kJmol-1K-1, respectively. The importance of key interface residues was also investigated. The role of the interface residue G89 of cytochrome c which might have a role in the dissociation of the complex has been probed by site-directed mutagenesis. The interface contains a cation-! interaction between F230 of cytochrome bc1 and R19 of cytochrome c, which is thought to provide the specificity to the interaction between the otherwise promiscuous partners. To analyse the role of this interaction pair in electron transfer, F230L and F230W mutants were used to measure direct electron transfer rates by flash photolysis and steady state kinetics. The findings indicate that another ! system can work as functional substitution of F230, while deleting the ! system has a deleterious effect on the complex formation. The inability of F230L to achieve the transient and steady state turnover rates as wild type protein indicates a scenario where the variant achieves an altered bound state with inefficient electron transfer pathways and higher edge-to-edge distance. The role of supernumerary subunit QCR6p in complex formation was investigated by steady state kinetics measurements. Subunit QCR6p does not interact directly with cytochrome c but is positioned in such a way that it could electrostatically steer cytochrome c in a reactive ensemble. The highly acidic and disordered N-terminus of QCR6p could interact with a patch of conserved lysine residues on cytochrome c. The role of subunit QCR6p has been assessed using QCR6p deleted cytochrome bc1 and a lysine variant of cytochrome c. The results show that QCR6p not only affects the kinetics of the interaction but is also important for the stability of cytochrome bc1. The kinetic and thermodynamic data obtained during this study provide evidence for the functional importance of non-catalytic cytochrome bc1 subunit QCR6p, show that the entropy driven interaction is indeed of low affinity and highly transient in nature and indicate that the interface is well suited to ensure the high turnover of the electron transfer chain where cytochrome c interacts with multiple partners using overlapping interfaces. The suggested role of the cation-! interaction as a highly specific interaction has been validated.
ABCB9 is a peptide transporter belonging to the ATP-binding cassette (ABC) transporter subfamily B. Due to its high sequence identity to the transporter associated with antigen processing (TAP) the protein was named TAP-like (TAPL). The primary aim of this PhD thesis was the functional characterization of the TAPL transport complex. Despite the lack of TAPL function in the classical MHC class I pathway an involvement of TAPL in antigen presentation was still suggested. Apart from the crucial role of TAP for peptide delivery into the ER, TAP-independent translocation pathways in professional antigen presenting cells (pAPC) have been proposed, but not identified so far. Remarkably, TAPL mRNA and protein expression is strongly induced during differentiation of monocytes to immature and mature dendritic cells. This result was confirmed in the promonocytic cell line THP-1, which was used as a model system for monocyte to macrophage differentiation. By using quantitative immunofluorescence microscopy and subcellular fractionation, TAPL was detected in the lysosomal compartment co-localizing with the lysosome associated membrane protein 2 (LAMP-2) thus excluding the ER-localization formerly reported. Furthermore, by in vitro assays, a TAPL-specific and ATPdependent translocation of peptides into isolated lysosomes was demonstrated. Hence, TAPL is a candidate mediating peptide transport in alternative antigen presentation pathways in pAPCs. The presence of an extra N-terminal transmembrane domain (TMD0) lacking sequence homology to any known protein distinguishes TAPL from most other ABC transporters of its subfamily. By dissecting the TAPL translocation complex into its four putative transmembrane helices containing TMD0 and the core complex, distinct functions to the core complex and TMD0 were assigned. The core-TAPL complex composed of six predicted transmembrane helices and the nucleotide-binding domain (NBD) was expressed transiently in HeLa or stably in Raji cells. Crude membranes containing core-TAPL showed the same peptide transport activity as wt-TAPL demonstrating that the six core helices and the NBD are sufficient for peptide transport. This result also shows that the core transport complex is correctly targeted to and assembled in the membrane. Strikingly, in contrast to the wt transporter, the core complex localizes only partially to lysosomes and is mistargeted to the plasma membrane as observed by immunofluorescence microscopy and confirmed biochemically by cell surface biotinylation. Thus, a crucial role for TMD0 in proper subcellular targeting can be postulated. The vast majority of biological processes are mediated by protein complexes, hence characterization of such protein-protein-interactions is essential for understanding protein function on the cellular level. To identify interaction partners of TAPL, the transporter was isolated by tandem affinity purification. By tandem mass spectrometry the membrane proteins LAMP-1 and LAMP-2 were deciphered as specific proteins interacting with wt-TAPL. Notably, core-TAPL lacks these interactions indicating a role for TMD0 in recruiting other proteins. These results were verified for endogenous TAPL by co-immunoprecipitation. Using cells deficient in LAMP-1 and/or in LAMP-2 an escort function for the LAMP proteins was excluded. Very importantly, the physiological function of the LAMP-1and LAMP-2 interaction with TAPL is an increase in stability, since in their absence half-life of TAPL is drastically reduced.
Protein-Protein Interaktionen der NADH: Ubichinon-Oxidoreduktase (Komplex I) aus Yarrowia lipolytica
(2010)
Protein-Protein Interaktionen der NADH:Ubichinon-Oxidoreduktase (Kolmplex I) aus Y. lipolytica In der inneren Mitochondrienmembran sind die Atmungskettenkomplexe I bis IV und die ATP-Synthase lokalisiert. Parallel zum Elektronentransport werden Protonen von der NADH:Ubichinon-Oxidoreduktase (Komplex I), der bihydrochinon:Cytochrom c-Oxidoreduktase (Komplex III) und der Cytochrom c-Oxidase (Komplex IV) über die Membran in den Intermembranraum gepumpt. Der resultierende chemiosmotische Gradient wird von der ATPase verwendet um ATP zu generieren. Die NADH:Ubichinon- xidoreduktase ist der Startpunkt des Elektronentransfers. Der Komplex I wurde in verschiedenen Organismen in Interaktion mit Komplex III und IV beobachtet. Diese funktionellen Einheiten werden als Respirasomen oder Superkomplexe bezeichnet (Pfeiffer und Schägger, 2000). Der Komplex I in prokaryotischen Zellen stellt die kleinstmögliche Variante dieses Enzyms dar. Da er in der Lage ist, alle bioenergetischen Reaktionen durchzuführen, werden die beteiligten 14 Untereinheiten als zentrale Untereinheiten bezeichnet (Fearnley et al. 1992). In den Eukaryoten findet sich ein Enzym, das je nach Organismus bis zu 31 weitere, sogenannte akzessorische Untereinheiten aufweist. Da diese Untereinheiten keine Homologie mit bakteriellen Proteinen aufweisen, wird davon ausgegangen, dass sie eher eine Funktion im Assemblierungsprozess ausüben als am Elektronentransfer oder der Translokation der Protonen beteiligt zu sein. Ziel dieser Arbeit war es daher mögliche Interaktionspartner des Komplex I oder weitere Untereinheiten zu finden. Für die Detektion möglicher Interakteure sollten neben einem Two-Hybrid-Screen noch weitere Methoden etabliert werden. Als Modellsystem wurde Yarrowia lipolytica verwendet. Unter Verwendung des BacterioMatchII® Systems konnte die mitochondriale Malat-Dehydrogenase, ein Enzym des Citrat-Zyklus, als ein Interaktionspartner des Komplex I gefunden werden. Bei der Reaktion entsteht NADH, das Energieäquivalent, welches dem Komplex I Elektronen liefert. Im Kontext des Substratchannelings deutet die Interaktion der mitochondrialen Malat- ehydrogenase auf hochgeordnete Stukturen im Matrixraum hin, die einen Transfermechanismus oder eine zielgerichtete Diffusion des NADH gewährleisten könnten. Durch die Kombination der Methoden Immunpräzipitation, Gelelektrophorese und MALDI-MS konnten erstmals Hinweise auf Superkomplexe in Y. lipolytica gefunden werden, was dann durch mehrdimensionale Gelelektrophorese bestätigt werden konnte. In dieser Arbeit konnten die Superkomplexe I1III2 ,I1III2IV1 und I1III2IV2 identifiziert werden. Ein vollständiges Respirasom mit einer Stöchiometrie von I1III2IV4 konnte nicht gezeigt werden. Desweiteren konnte die Anwesenheit eines Komplex I-Dimers nachgewiesen werden. In dem bisher postulierten Modell der respiratory strings werden die Superkomplexe durch tetramere Komplex IV-Module zu hochmolekularen Strukturen verknüpft (Wittig et al., 2006). Die detektierten Komplex I-Dimere lassen vermuten, dass sie zusammen mit dem tetrameren Komplex IV als Linker-Moleküle die Superkomplexe zu einem zweidimensionalen respiratory patch verbinden. Zudem konnte eine neue Untereinheit des Komplex I, genannt NEBM, durch das Zusammenspiel von LILBID- und MALDI-Massenspektrometrie und Gelelektophorese identifiziert werden. Durch MALDI-Massenspektrometrie wurde diese Untereinheit de novo sequenziert. Die Charakteristik des identifizierten Proteins entspricht den sogenannten single-transmembrane domain Untereinheiten (Brandt et al., 2005; Brandt 2006), die eventuell eine Funktion in der Assemblierung des Komplex I einnehmen könnten. Weder bei den Messungen der NADH:HAR- noch der dNADH:DBQ-Aktivität zeigte der Deletionsstamm enzymatisch aktiven Komplex I. Weder in blau-nativer Elektrophorese noch in silbergefärbten 2D SDS-Gelen war ein Komplex I noch ein Subkomplex sichtbar und auch In-Gel-Aktivitäts-Tests verliefen für die Detektion von Komplex I im Deletionsstamm negativ. Erst durch eine Western Blot Analyse konnte ein Subkomplex mit einer Größe von ca. 300kDa detektiert werden. Unter Berücksichtigung der für den Rinderkomplex vorgeschlagenen Einteilung des Komplex I in die Subkomplexe Iα und Iβ (Brandt et al. 2006) könnte der detektierte Subkomplex Iβ zugeordnet werden, da er zwei Untereinheiten beinhaltet, die diesem Komplex zuzuordnen sind. Die NEBM Untereinheit könnte also an der Assemblierung der NADH:Ubichinon-Oxidoreduktase beteiligt sein. Erstmals konnten Superkomplexe in Y. lipolytica Mitochondrien nachgewiesen werden. Die Identifizierung der neuen NEBM Untereinheit vervollständigt die Kenntnisse über die Untereinheitenzusammensetzung. Das Wechselspiel mit anderen Proteinen und die Zusammensetzung des Komplexes können für die Strukturaufklärung und zur Analyse des Reaktionsmechanismus wichtig sein. Somit leisten diese Ergebnisse einen wichtigen Beitrag zur Charakterisierung der NADH:Ubichinon-Oxidoreduktase aus Y. lipolytica.
The adaptive immune system of jawed vertebrates is based on recognition and elimination of cells that are either invaded by intracellular pathogens or malignantly transformed. One essential component of these processes is the cell surface presentation of antigenic peptides via major histocompatibility complex (MHC) class I molecules to cytotoxic T-cells (CTLs). Cells degrade defective ribosomal products and misfolded or unwanted proteins by the ubiquitin-proteasome pathway. The resulting degradation products are recognized and translocated by the transporter associated with antigen processing (TAP) into the endoplasmic reticulum (ER) lumen, where they are loaded onto MHC I molecules. Assembled peptide-MHC complexes are then shuttled by the secretory pathway to the cell surface for antigen presentation to CTLs, leading in the case of viral infection or malignant transformation to lysis and apoptosis of the target cell. Due to the fact that the TAP complex represents a key control point within the antigen presentation pathway, several viruses have evolved sophisticated strategies to evade immune surveillance by interfering with TAP function.
Detailed studies of the TAP mechanism or its viral inhibition have been severely impeded by difficulties in expressing sufficient amounts of functional heterodimeric TAP complex. Thus, the overexpression of TAP in the methylotrophic yeast Pichia pastoris was established for functional analysis of this important ABC complex. Biomass production was scaled up by fermentation using classical batch and feed methods. Extensive screening of optimal solubilization and purification conditions allowed the isolation of the heterodimeric transport complex. Notably, only the very mild detergent digitonin preserved TAP function. Hereby, the optimal solubilization and purification strategy yielded in 30 mg TAP transporter per liter culture. Remarkably, the protein amount was 50-fold increased compared to previously described expression/purification in cultured insect cells.
The high yield and quality of TAP produced in P. pastoris allowed an extensive analysis of substrate binding and transport kinetics of the transport complex in the membrane, its solubilized and purified state, as well as the reconstituted state. Thereby, a strong and direct effect of the lipid bilayer on ATP hydrolysis and peptide transport was discovered. These important results were extended further by successful functional reconstitution of the antigen translocation machinery in different lipid environments. For the first time, a stimulation of the transport activity by phosphatidylinositol (PI) and phosphatidylethanolamine (PE) was observed, whereas cholesterol was identified as an inhibitor of TAP activity.
Purification of TAP and subsequent thin-layer chromatography (TLC)/liquid chromatography Fourier transform-mass spectrometry (LC FT-MS) fingerprinting of residual lipids exhibited specifically associated glycerophospholipids; mainly PC, PE, and PI species. Strikingly, these lipids not only represent the primary class of phospholipids of the ER but were also shown to be essential for functional reactivation of delipidated, and thus inactive, TAP. The results demonstrate that transport of antigenic peptides by the ABC transporter TAP strictly requires specific glycerophospholipids.
In addition to the biochemical characterization of heterologous produced TAP, the soluble domain of the viral inhibitor US6 from human cytomegalovirus was expressed in E. coli. Optimization of the purification and refolding strategy yielded in functional protein, with a 35-fold increased protein amount compared to previous purification procedures. Protein activity was analyzed by specific inhibition of ATP binding to TAP. Furthermore, high protein yields allowed detailed investigation of TAP-dependent spatial and mechanistic separation of MHC I restricted cross-presentation in professional antigen presenting cells (pAPC).
Strukturelle und funktionelle Untersuchungen am Cytochrom-bc1-Komplex aus Paracoccus denitrificans
(2005)
Cytochrom bc-Komplexe sind zentrale Enzyme energietransduzierender Elektronen-transportketten. Anerkanntes Funktionsprinzip ist der Q-Zyklus; mechanistische Details insbesondere der Chinoloxidation am Qo-Zentrum sind noch unklar. Ein Verständnis des Qo-Zentrums ist auch von Interesse, da hier Inhibitoren in Form von Fungiziden und Malariatherapeutika wichtige Anwendung finden. In den vergangenen Jahren wurde eine Reihe mitochondrialer Komplexe kristallographisch charakterisiert, die Struktur eines bakteriellen Enzyms steht jedoch aus. Hauptziel dieser Arbeit war es, Ansätze zur Strukturaufklärung des bc1-Komplexes aus Paracoccus denitrificans (P.d.) zu finden, der als homologes Enzym mitochondrialer Komplexe bei einfacher genetischer Zugänglichkeit ein wichtiges Modellsystem darstellt. In der vorliegenden Arbeit wurde auf die Kristallisation des bc1-Komplexes aus S. cerevisiae aufgebaut, die mit Hilfe monoklonaler Antikörperfragmente (Fv) gegen die Rieske-Untereinheit (ISP) erreicht wurde; die Fv-Fragmente erleichtern die Ausbildung von Kristallkontakten. Die Epitopregion des Hefeenzyms wurde genetisch auf den bakteriellen Komplex übertragen, um dessen Ko-Kristallisation mit dem bereits verfügbaren Fv zu ermöglichen. Punktuelle Anpassungen führten zu keiner signifikanten Bindung, ein weitergehender Austausch des entsprechenden ISP-Bereichs verbesserte die Bindung hingegen deutlich. Die besten Ergebnisse konnten mit chimären Enzymen erzielt werden, bei denen die gesamte ISP-Ektodomäne durch das Hefe-Homologe ersetzt wurde. Aufbauend auf dieser Arbeit scheint die Fv-vermittelte Kristallisation des Enzyms ein greifbares Ziel. Eine komplementäre Strategie zielte auf die strukturelle Charakterisierung der Rieske-Ektodomäne (ISF). Das klonierte ISF wurde in E. coli überexprimiert, lag jedoch fast vollständig in inclusion bodies vor. Das ISF konnte in eine lösliche Form rückgefaltet werden, die anschließende chemische Rekonstitution zum Holo-Protein gelang jedoch nur mit einer Ausbeute von ~ 1 %. Die geringe Menge an löslichem ISF, die sich nach Expression in E. coli isolieren lässt, trägt kein [2Fe-2S]-Zentrum. Durch Koexpression der für die Biogenese von Eisen-Schwefel-Zentren relevanten Gencluster konnte die lösliche ISF-Fraktion in vivo in die Holo-Form konvertiert werden. Auch hier war aber die Gesamtausbeute für strukturelle Untersuchungen zu gering. Eine homologe Expression in P.d. war nur für das komplette ISP nachweisbar, nicht für das verkürzte ISF. Durch gerichtete Mutagenese konnte hier erstmals gezeigt werden, dass das bakterielle Rieske-Protein über den Tat-Translokationsweg in die Membran inseriert. Die Kristallstrukturen mitochondrialer bc1-Komplexe zeigen ein dimeres Enzym. Die Assoziation des bakteriellen Komplexes wurde in dieser Arbeit mit der analytischen Ultrazentrifugation untersucht, und auch hier wurde eindeutig ein Dimer nachgewiesen. Dynamische Messverfahren deuteten jedoch auf einen höheren Assoziationszustand hin. Es bleibt unklar, ob diese Diskrepanz durch Formparameter oder die Detergenzbindung begründet ist oder ob unter bestimmten Versuchsbedingungen möglicherweise Tetramere vorliegen. In situ ist der bc1-Komplex strukturell mit den Komplexen I und IV sowie dem Elektronenüberträger Cyt c552 assoziiert. Die Analyse verschiedener Deletionsstämme zeigte, dass Komplex I der Atmungskette durch diesen Superkomplex stabilisiert wird. Dieser Befund konnte kürzlich in anderen Arbeiten auch an menschlichen Mitochondrien bestätigt werden. Neben strukturellen Aspekten wurden am bc1-Komplex auch die H+-Translokation und die Chinonbindung untersucht. Da chemische Modifikationsexperimente zeigen, dass ein saurer Rest im ISP eine kritische Rolle für die Kopplung von H+-Translokation und Elektronentransport spielt, wurden durch gerichtete Mutagenese kombinatorisch saure Reste gegen entsprechende Säureamide ersetzt. Die biochemische Charakterisierung wurde nur für eine Fünffach-Mutante durchgeführt; diese erwies sich jedoch als zu instabil, um verlässliche Daten aus H+-Pumpexperimenten zu gewinnen. Die Charakterisierung der übrigen Mutanten scheint lohnenswert, da der relevante Aminosäurerest auch in anderen Arbeiten noch nicht identifiziert werden konnte. Der Gehalt des aufgereinigten Enzyms an spezifisch gebundenem Chinon wurde FTIR-spektroskopisch quantifiziert. Eine Stöchiometrie von ~ 3 Chinonmolekülen/Monomer stützt das double occupancy-Modell, demzufolge zwei Substratmoleküle am Qo-Zentrum binden; das dritte Chinon bindet am Qi-Zentrum. Partielle Extraktion des Chinons und Messungen bei verschiedenen pH-Werten zeigten, dass die Substratbindung mit Protonierung eines sauren Rests einhergeht. Möglicherweise handelt es sich dabei um Glu295 des Cytochrom b, das auf Basis der Kristallstrukturen als primärer H+-Akzeptor am Qo-Zentrum diskutiert wird. Aufbauend auf dieser Arbeit können die an der Chinonbindung beteiligten Reste durch Mutagenese identifiziert werden.
Die Atmungskette ist für aerob lebende Organismen die wichtigste Quelle zur Erzeugung von Energie. Der Cytochrom c Oxidase (COX) kommt hierbei als letztem Enzym innerhalb der Elektronentransportkette eine besondere Bedeutung zu. Im mitochondrialen Fall besteht die Oxidase aus bis zu 13 Untereinheiten, deren Assemblierung in einem gerichteten und strikt regulierten Prozess von statten geht. Defekte innerhalb des Assemblierungsprozesses führen zu schweren respiratorischen Defiziten, die die Ursache für neurodegenerative und myopathische Erkrankungen sind. Der Assemblierungsprozess wird bei der Hefe von mehr als 30 verschiedenen Proteinfaktoren begleitet, die sich letztlich nicht als Untereinheiten im COX Holoenzym finden. Die Cytochrom c Oxidase des Bodenbakteriums Paracoccus denitrificans weist nicht nur eine hohe strukturelle Ähnlichkeit zu den Haupt-Untereinheiten I-III der mitochondrialen Oxidase auf, sondern das Bakterium kodiert ebenfalls für eine Reihe von Assemblierungsfaktoren, die am Einbau der Häm a- und Kupfer-Kofaktoren beteiligt sind. Beispiele hierfür sind die Biogenesefaktoren Häm a Synthase (CtaA) und die Surf1-Proteine (Surf1c und Surf1q), deren biochemische Charakterisierung das vorrangige Ziel dieser Arbeit war.
In diesem Sinne wurden für CtaA Expressions- und Aufreinigungsprotokolle entwickelt, die es erlaubten, das Enzym in drei spektroskopisch unterscheidbaren, mit verschiedenen Häm-Typen beladenen Formen zu isolieren. Mit Hilfe einer Mutationsstudie konnten sowohl für Surf1c als auch für Surf1q an einer Häm a-Bindung beteiligte Aminosäurereste identifiziert werden. Hierbei erlaubte insbesondere die Charakterisierung eines konservierten Tryptophanrestes die Entwicklung eines Bindungsmodells von Häm a an Surf1. Die Etablierung eines in vitro Häm-Transfer Assays wies zum ersten Mal eine direkte Interaktion zwischen CtaA und Surf1 nach, in deren Verlauf spezifisch Häm a von CtaA auf Surf1 übertragen wird. Expressionsstudien von CtaA in Paracoccus zeigten zweifelsfrei, dass die Synthese von Häm a auf Ebene des Vorläufermoleküls Häm b reguliert ist und eine Synthese des Kofaktors an eine Abgabe an Untereinheit I im Rahmen der COX-Biogenese gekoppelt ist. Eine nähere Charakterisierung der durch Deletion von surf1c hervorgerufenen Defekte der COX erwies, dass die Oxidase neben einer bereits beschriebenen Reduktion des Häm a-Gehalts überraschenderweise auch in Form von Häm b einen unphysiologischen Häm-Typ bindet.
Zusammengenommen erhärten die gewonnen Erkenntnisse die These, dass Surf1 direkt an der Inkorporation der Häm a-Kofaktoren in die Untereinheit I der Oxidase beteiligt ist. Dabei wirkt das Protein möglicherweise als molekularer Filter, der für den Einbau des physiologisch bedeutsamen Häm-Typs (Häm a) verantwortlich ist. Darüber hinaus stabilisiert es als vermittelnder Faktor die Interaktion von CtaA und Untereinheit I und sorgt somit für einen erleichterten und koordinierten Einbau des Häms in die Oxidase. Die in dieser Arbeit am bakteriellen Modellsystem gewonnen Erkenntnisse sollten aufgrund der hohen Ähnlichkeit sowohl der Cytochrom c Oxidase als auch der beteiligten Biogenesefaktoren direkte Rückschlüsse auf die Geschehnisse im humanen System erlauben.
By translocating proteasomal degradation products into the endoplasmic reticulum (ER) for loading of major histocompatibility complex (MHC) class I molecules, the ATP binding cassette (ABC) transporter associated with antigen processing (TAP) plays a pivotal role in the adaptive immunity against infected or malignantly transformed cells. A key question regarding the transport mechanism is how the inter-domain communication and conformational dynamics of the TAP complex are connected during the peptide transport. To identify residues involved in this processes, we evolved a Trojan horse strategy in which a small artificial protease is inserted into antigenic epitopes. After binding, the TAP backbone in contact is cleaved, allowing the peptide sensor site to be mapped by mass spectrometry. Within this study, the peptide sensor and transmission interface have been identified. This region aligns with the cytosolic loop 1 (CL1) of Sav1866 and MsbA. Based on a number of experimental data and the homology to the bacterial ABC exporter Sav1866, we constructed a 3D structural model of the core TAP complex. According to this model, the CL1 and CL2 of TAP1 are extended cytosolic loops connecting the transmembrane helices (TMH) 2 and 3, and TMH4 and 5 respectively, and contact both nucleotide binding domains (NBDs) of the opposite subunit. In contrast to exporters, the cytosolic loop (named L-loop) of BtuCD importer is much shorter, and contacts only one NBD. The data confirm that the CL1 of TAP1 functions as signal transducer in ABC exporters, because it does not interfere with substrate binding but with substrate transport. The peptide contact site identified herein is restructured during the ATP hydrolysis cycle. Importantly, TAP showed a structural change trapped in the ATP hydrolysis transition state, because direct contact between peptide and CL1 is abolished. By cysteine scanning, the most conserved residues within CL1 were identified, which disrupted the tight coupling between peptide binding and transport. Together with Val-288, these residues are essential in sensing the bound peptide and inter-domain signal transmission. To characterize the molecular architecture of CL1, a convenient and minimally perturbing approach was used, which combined cysteine substitution in the CL1 region and determination of accessibility to thiol specific compounds with different properties. These studies revealed that the N-terminal region of CL1 has a good accessibility for hydrophilic (iodoacetamidofluorescein, IAF) and amphiphilic probes (BODIPY maleimide, BM), whereas the C-terminal region is accessible for hydrophobic probe (coumarin maleimide, CM). Kinetic studies of fluorescence labeling suggest that this region displayed a different accessibility to probes when the protein undergoes distinct conformations (e. g. nucleotide free state), thereby reflecting conformational transitions. Fluorescence labeling with BM induces a lost of peptide transport, whereas the peptide binding remains unaffected. These results indicate that covalent modifications of the CL1 residues influenced the inter-domain communication between transmembrane domain (TMD) and NBD. The X-loop is a recently discovered motif in the NBD of ABC exporters, which stays in close contact to the CLs. Moreover, because the X-loop precedes the ABC signature motif, it probably responds to ATP binding and hydrolysis and may transmit conformational changes to the CLs. By substitution of the highly conserved Glu-602 of TAP2 with residues that have different chemical properties, it was shown for the first time that the X-loop is a functional important element, which plays an key role in coupling substrate binding to downstream events in the transport cycle. We further verified domain swapping in the TAP complex by cysteine cross-linking. The TAP complex can be reversibly arrested either in a binding or translocation incompetent state by cross-linking of the X-loop to CL1 or CL2, respectively. These results resolve the structural arrangement of the transmission interface and point to different functions of the cytosolic loops in substrate recognition, signaling and transport.
Mitochondial NADH:ubiquinone oxidoreductase (complex I) the largest multiprotein enzyme of the respiratory chain, catalyses the transfer of two electrons from NADH to ubiquinone, coupled to the translocation of four protons across the membrane. In addition to the 14 strictly conserved central subunits it contains a variable number of accessory subunits. At present, the best characterized enzyme is complex I from bovine heart with a molecular mass of about 980 kDa and 32 accessory proteins. In this study, the subunit composition of mitochondrial complex I from the aerobic yeast Y. lipolytica has been analysed by a combination of proteomic and genomic approaches. The sequences of 37 complex I subunits were identified. The sum of their individual molecular masses (about 930 kDa) was consistent with the native molecular weight of approximately 900 kDa for Y. lipolytica complex I obtained by BN-PAGE. A genomic analysis with Y. lipolytica and other eukaryotic databases to search for homologues of complex I subunits revealed 31 conserved proteins among the examined species. A novel protein named “X” was found in purified Y. lipolytica complex I by MALDI-MS. This protein exhibits homology to the thiosulfate sulfurtransferase enzyme referred to as rhodanese. The finding of a rhodanese-like protein in isolated complex I of Y. lipolytica allows to assume a special regulatory mechanism of complex I activity through control of the status of its iron-sulfur clusters. The second part of this study was aimed at investigating the possible role of one of these extra subunits, 39 kDa (NUEM) subunit which is related to the SDRs-enzyme family. The members of this family function in different redox and isomerization reactions and contain a conserved NAD(P)H-binding site. It was proposed that the 39 kDa subunit may be involved in a biosynthetic pathway, but the role of this subunit in complex I is unknown. In contrast to the situation in N. crassa, deletion of the 39 kDa encoding gene in Y. lipolytica led to the absence of fully assembled complex I. This result might indicate a different pathway of complex I assembly in both organisms. Several site-directed mutations were generated in the nucleotide binding motif. These had either no effect on enzyme activity and NADPH binding, or prevented complex I assembly. Mutations of arginine-65 that is located at the end of the second b-strand and responsible for selective interaction with the 2’-phosphate group of NADPH retained complex I activity in mitochondrial membranes but the affinity for the cofactor was markedly decreased. Purification of complex I from mutants resulted in decrease or loss of ubiquinone reductase activity. It is very likely that replacement of R65 not only led to a decrease in affinity for NADPH but also caused instability of the enzyme due to steric changes in the 39 kDa subunit. These data indicate that NADPH bound to the 39 kDa subunit (NUEM) is not essential for complex I activity, but probably involved in complex I assembly in Y. lipolytica.
Isolierung und Charakterisierung der Atmungsketten-Superkomplexe aus Paracoccus denitrificans
(2004)
Isolierung von Atmungsketten-Superkomplexen aus Paracoccus denitrificans: Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde ein Reinigungsprotokoll zur Präparation der Atmungskettenkomplexe I, III und IV des Gram-negativen, fakultativ anaeroben Bodenbakteriums Paracoccus denitrificans in Form eines NADH Oxidase Komplexes erstellt. Bisher konnten stabile Superkomplexe bakterielle Atmungskettenkomplexe nur in Gestalt einer Chinol Oxidase, bestehend aus den Komplexen III (Ubichinol:Cytochrom c Oxidoreduktase) und IV (Cytochrom c Oxidase), isoliert werden (Berry, et al., 1985). Jedoch enthielten diese Assemblierungen keinen Komplex I (NADH: Ubichinon Oxidoreduktase). Dies ist die erste chromatographische Isolierung eines kompletten "Respirasoms" aus Paracoccus denitrificans. Unter der Verwendung des milden Detergenz Digitonin zur Solubilisierung von Paracoccus denitrificans Membranen gefolgt von zwei chromatographischen Reinigungsschritten, der Hydroxylapatit-Chromatographie und der Gelfiltration, konnte eine NADH Oxidase, bestehend aus den Komplexen I, III und IV in einer 1:4:4 Stöchiometrie isoliert werden. Neben der Isolierung der NADH Oxidase konnten weitere kleine Superkomplexe identifiziert werden, die aus vier Komplex III und vier Komplex IV (III4IV4) sowie vier Komplex III und zwei Komplex IV (III4IV2) assoziiert waren. Charakterisierung der Superkomplexe aus Paracoccus denitrificans: Die isolierten Atmungskettenkomplexe wurden zur Charakterisierung bezüglich ihrer Funktion, enzymatischen Aktivität, Stöchiometrie und Untereinheiten-Zusammensetzung aus Paracoccus denitrificans Wildtyp-Membranen analysiert. Proben aller Präparationsstufen wurden parallel zur BN-Gelelektrophorese und für enzymatische Einzel- und kombinierte Aktivitäten der Komplexe I-IV eingesetzt. Mittels BN-Gelelektrophorese konnten die apparenten Massen der Komplexe bestimmt werden. Im folgenden denaturierenden SDS-Gel wurde die Untereinheiten-Zusammensetzung der Superkomplexe durch Immunodetektion mit Antikörpern gegen die Komplexe I, III, IV und Cytochrom c552 analysiert. Abschließend konnte nach der Gelfiltration festgestellt werden, das Komplex II eindeutig nicht Teil des Superkomplexes (I1III4IV4) war. Die Stöchiometrie des Superkomplexes a wurde mit Hilfe der fluorimetrischen Bestimmung von FMN (Flavin) als Marker für Komplex I und mittels Pyridin Hämochromogen Spektren für Häm a, b und c bestimmt. Da Komplex III physiologisch als Dimer vorliegt (Mayer et al. 2002), müsste die Stöchiometrie der funktionellen Einheit des Superkomplex a folgendermaßen lauten: I1 (III2)2 IV4. In diesem Fall diente der Vergleich der Wechselzahl einzelner Präparationsstufen als Maß der Verunreinigung der ergab, dass Fremdkomplexe mit Flavin und Cytochrom b im Ausgangsmaterial der Präparation vorhanden waren. Nur die Wechselzahl des Komplexes IV blieb während der Präparation konstant. Um den Gehalt an Komplex I und die Qualität der Präparation abzuschätzen, wurde das Verhältnis der HAR zu dNADH:DBQ Oxidoreduktase Aktivität in Membranen und isoliertem Superkomplex a bestimmt. Es war während der Präparation konstant. Die Bestimmung des Phospholipidgehalts aus isoliertem Superkomplex a im Vergleich zu P. denitrificans Membranen ergab eine Abnahme von 980 ± 80 nmol PL / mg Protein in Membranen auf 290 ± 10 nmol / mg Protein in isoliertem Superkomplex a, wohingegen der Ubichinongehalt von 2,7 ± 0,3 nmol / mg auf 6,7 ± 0,8 nmol / mg in isolierter Oxidase anstieg. Katalytische Aktivitäten von P. denitrificans Membranen des Parentalstamms und verschiedener Mutantenstämme zeigten, dass die Inaktivierung des Gens für fest gebundenes Cytochrom c552 die Bildung eines Superkomplexes nicht verhindern konnte, was ein Hinweis dafür ist, dass dieses Elektronen Carrier Protein nicht essentiell für die strukturelle Verbindung zwischen den Komplexen III und KIV ist. Komplex I Aktivität wurde ebenfalls in Membranen von Mutanten-Stämmen, denen Komplex III oder Komplex IV fehlte, gefunden. Jedoch enthielten diese Stämme keinen assemblierten Komplex I, sondern nur dissoziierte Untereinheiten des Komplexes. Trotz der Verwendung der selben Protokolle für die elektrophoretische Trennung und chromatographische Isolierung wie für Superkomplexe aus dem Wildtyp-Stamm, führte die Isolierung aus Mutantenstämmen, denen Komplex III oder IV fehlte, zum vollständigen Verlust der NADH:DBQ Oxidoreduktaseaktivität. Dies weist darauf hin, dass Paracoccus denitrificans Komplex I durch die Assemblierung in Form eines NADH Oxidase Superkomplex stabilisiert wird. Zusätzlich zum Substrat Channeling scheint die strukturelle Stabilisierung von Membran Protein Komplexen die Hauptaufgabe von respiratorischen Superkomplexen zu sein.
The ubiquinol:cytochrome c oxidoreductase is a key component of several aerobic respiratory chains in different organisms. It is an integral membrane protein complex, made up of three catalytic subunits (cytochrome b, cytochrome c1 and Rieske iron sulphur protein) and up to eight additional subunits in mitochondria. The complex oxidizes one quinol molecules and reduces two cytochrome c during the Q cycle, originally described by Peter Mitchell. Electrons are split between the low and the high potential chain and protons are released on the positive side of the membrane, increasing the protonmotive force needed by the ATP-synthase for energy transduction. The cytochrome bc1 complex from P. denitrificans is a perfect model for structural and functional studies. Bacteria are easy to grow and the genetic material is readily accessible for genetic manipulation. Moreover, the P. denitrificans aerobic respiratory chain is very close to the mitochondrial one: the complexes involved in electron transfer resemble the ones found in mitochondria, but lack most of the additional subunits. As a unique feature, P. denitrificans has a strongly acidic domain at the N-terminal region of the cytochrome c1, a sequence of 150 aminoacids which does not correlate with any known protein. An analogous composition can be found in the eukaryotic cytochrome bc1 complex as a part of an accessory subunit, proposed to be involved in facilitating electron transfer between the complex and the electron acceptor cytochrome c. In order to study the function of this domain in the P. denitrificans cytochrome bc1 complex, a deletion mutant has been previously cloned and modified with an affinity tag as a C-terminal extension of cytochrome b. The complex is purified by affinity chromatography and characterized by steady-state kinetics using not only horse heart cytochrome c but also the endogenous electron acceptor, the membrane bound cytochrome c552, employed here as a soluble fragment. Steady–state kinetics indicate that the deletion of the long acidic domain had effects neither on the turnover rate nor on the apparent affinity for the substrate. To understand wether the deletion affects the reaction between the cytochrome bc1 complex and the substrate, laser flash photolysis experiments are performed, showing that the interaction observed was not changed in the complex missing the acidic domain. The results presented in this work confirm the ones previously obtained by Julia Janzon using soluble fragments of the same interaction partners. The deletion, however, affected the oligomerization state of the complex, as shown by LILBID (Laser Induced Liquid Bead Ion Desorption) analysis. The wild type complex has a tetrameric structure, better described as a “dimer of dimers”. The deletion of the acidic domain on the cytochrome c1 results in the separation of the two dimers, yielding the canonical dimer. Therefore, the complex deleted in the acidic domain is used for cloning and expression of a heterodimeric complex, containing an inactivating mutation in the quinol oxidation site in only one monomer, thus allowing a selective switch-off for half the complex. Such a complex is needed for the verification of an internal regulation mechanism, the half-of-the-sites reactivity. According to it, the dimeric structure of the cytochrome bc1 complex has functional implications, since the two monomers can communicate and work in a coordinated manner. This approach confirms that substrate oxidation does effectively take place only in one of the two monomers constituting the dimer, and that the binding of substrate at the Qo and Qi site regulates the switch between active and inactive monomer. Moreover, this mechanism works also as an effective protection against the reaction of quinone intermediates with oxygen and the formation of reactive oxygen species (ROS), responsable for cellular aging. The motion of the ISP head domain is also addressed in this work; in particular the mechanism which regulates the movements towards the cytochrome c1 and the electron bifurcation at the quinol oxidation site. Laser flash kinetics in presence of several inhibitors and the substrate allow studying the response of the ISP to the binding of different species at the quinol oxidation site. The binding of ligand at the Qo site in the complex triggers the conformational switch in the ISP head domain, supporting the mechanism proposed in the literature according to which the Qo site is able to “sense” the presence of substrate and transfer the information to the ISP, regulating its mobility. The internal electron pathway between the ISP and the cytochrome c1 has been analyzed also by stopped-flow kinetics, in presence and absence of inhibitors. The results indicate that two kinetic phases describe the reduction of cytochrome c1 by the ISP, and a model for the simulation of the data is proposed.
The cytochrome bc1 complex or ubiquinol:cytochrome c oxidoreductase (QCR) catalyses electron transfer from ubiquinol to cytochrome c in respiration and photosynthesis coupled to a vectorial proton transport across the membrane, in which the enzyme resides. In both bacteria and eukaryotic organisms, QCR participates in supramolecular assembly of membrane proteins that comprise the respiratory or photosynthetic chain. In the present work, proton transfer pathways, substrate binding and the supramolecular assembly of the respiratory chain in yeast were probed by structure-based site-directed mutagenesis and characterization of the variants. Both active sites centre P, the place of quinol oxidation, and centre N, where quinone reduction takes place, lack direct access to the bulk solvent necessary for proton release and uptake. Based on the X-ray structure, proton transfer pathways were postulated. Analysis at centre P showed, that E272 and Y132 of cytochrome b are important for QCR catalysis as indicated by increased superoxide production and lowered Cyc1p reductase activity in these variants. Pre-steady state heme reduction kinetics in combination with stigmatellin resistance indicated that charge and length of the side chain at position 272 are crucial for efficient docking of the ISP to form the enzyme substrate complex and for electron bifurcation at centre P. Variants of Y312 and F129, both residues of cytochrome b, showed an increased Km indicating participation of these residues in coordination of ubiquinol or the possible intermediate semiquinone anion radical. F129 proved to be crucial for a functional Q-cycle as indicated by respiratory negative growth phenotype and a lowered H+/e- stoichiometry of F129 variants. At centre N, the postulated CL/K and E/R proton transfer pathways are located at opposite sites of the bound ubiquinone. Variants in the surface residues R218 (cytochrome b) and E52 (Qcr7) of the E/R pathway and E82 (Qcr7) of the CL/K pathway showed instability upon purification indicating an important role of these residues for QCR integrity. The slowed down centre N reduction kinetics in H85 (CL/K), R218 and N208 (both E/R) variant was attributed to a destabilised semiquinone anion consistent with the observed decreased sensitivity towards the site-specific inhibitor antimycin and an increased Km. Variants of residues of both pathway, E82Q and R218M, exhibited a decreased H+/e- stoichiometry indicating a crucial role of both residue for maintaining a working Q-cycle and supporting the proposed protonation of the substrate via the Cl/K and the E/R pathway. Long-range interaction between centre N and centre P were observed by altered reduction kinetics of the high potential chain and increased superoxide production in the centre N variants. The role of the cation-pi-interaction between F230 of Cyt1p and R19 of cytochrome c in binding of the redox carrier to QCR was analysed. In F230L hydrophobic interaction were partially lost as was deduced from the ionic strength dependence of Cyc1p reductase activity and Cycp1 binding, as detected by ionic strength sensitive Kd and Km for Cyc1p. The decreased enzymatic rate of F230W could be explained by a disturbed binding of Cyc1p to the variant enzyme. F230 may influence the heme mid point potential and thereby the electron transfer rate to Cyc1p. Reduction of Cobp via both centre P and centre N was disturbed suggesting an interaction between high and low potential chain. Supramolecular association between QCR and cytochrome c oxidase (COX) in yeast mitochondria was probed by affinity chromatography of a his-tagged QCR in the presence of the mild detergent digitonin. In comparison to purification with laurylmaltoside, the presence of both QCR and COX subunits was detected in the elution fractions by SDS-PAGE, Cyc1p reductase and TMPD oxidase activity assays and immunoblot analysis. The CL-dependent formation of the supercomplex between QCR and COX was analysed by replacement variants in the CL-binding site of QCR in CL containing and CL free environment. With an increasing number of replacements of the three lysines the CL-binding pocket supercomplex formation was not abolished, when CL is present as shown by BN-PAGE analysis. This was supported by the synergetic decrease in enzyme activity for both enzymes upon increased number of replacements. In the CL-free environment, no supracomplex formation was observed for a wildtype CL binding site. By replacements of two lysines in the CL-binding pocket, supercomplex formation could be recovered as revealed by BN-PAGE. This indicates, that CL may serve as a charge neutralizer for the lysines near the presumed interaction domain between complex III and complex IV. The obtained results for centre P provide new information of residues critical for stabilisation of ubiquinol and controlling electron short circuit reactions. The observations for centre N variants clearly support the proposed two proton transfer pathways and the role of the bound phospholipids in centre N kinetics. Variants in the Cyc1p binding site suggest a role for F230 both in Cyc1p binding and electron transfer. Clear interaction between the high and low potential chain in both Cyt1p and centre N variants strongly support long-range interactions in the complex. Studies on the supramolecular association of complex III and complex IV indicate a new role of Cl in stabilising a supracomplex.
Untersuchungen zur Bedeutung von Superoxid-Dismutasen für die Alterung von Podospora anserina
(2012)
Im Rahmen dieser vorliegenden Doktorarbeit sollte die Bedeutung von Superoxid-Dismutasen für das Resistenzverhalten und den Alterungsprozess bei P. anserina untersucht werden. Folgende Befunde aus den Analysen konnten erhalten werden:
1. Lokalisationsstudien der drei PaSods: Aus den biochemischen und fluoreszenzmikroskopischen Untersuchungen der drei verschiedenen PaSODs geht hervor, dass PaSOD1, eine Cu/ZnSOD, überwiegend im Cytosol und zu einem geringen Anteil im mitochondrialen Intermembranraum lokalisiert ist. Eine der beiden MnSODs, PaSOD2, wird vermutlich zur Abwehr von exogenem Superoxid sekretiert. Bei PaSOD3 handelt es sich um eine mitochondriale MnSOD.
2. Generierung von verschiedenen PaSod-Mutanten: Im Rahmen dieser Arbeit wurden von jeder PaSod mindestens drei unabhängige Überexpressionsstämme, ein GFP-Stamm- und ein Deletionsstamm hergestellt. Weiterhin wurden alle möglichen Doppel-Deletionsstämme und die Dreifach-Deletionsmutante erzeugt. Alle Stämme wurden auf DNA-Ebene verifiziert, zusätzlich wurde die Proteinmenge bzw. –Aktivität überprüft.
3. Einfluss der PaSODs auf die ROS-Toleranz: Die Analysen der ROS-Resistenzen haben gezeigt, dass PaSODs eine wichtige Rolle in der Entgiftung von Superoxiden spielt. So ließ sich bei den Deletionsstämmen der PaSods eine gesteigerte Sensitivität gegenüber Paraquat feststellen. Eine Aufsummierung der Sensitivität gegenüber Paraquat ist bei der PaSod-Tripelmutante (ΔPaSod1/2/3) zu erkennen.
Überraschenderweise kann durch die gesteigerten Mengen an aktiver PaSOD in den Überexpressionsstämmen (PaSod1-3_OEx) keine verbesserte Resistenz gegenüber Paraquat erzielt werden. Darüber hinaus führt die Überexpression des Gens für die mitochondriale SOD, PaSOD3, zu massiven negativen Effekten.
4. Einfluss auf die Lebensspanne: Durch eine fehlende Entgiftung von Superoxid in den PaSod-Deletionsmutanten ist eine Verminderung der Lebensspanne nicht festzustellen. Bei PaSod-Mutantenstämme, die eine erhöhte PaSOD-Aktivität und damit eine gesteigerte Abbaurate des Superoxids aufweisen, kann bei den PaSod1- und PaSod2-Überexpressionsstämmen keine verbesserte Lebensspanne unter den gewählten Standardbedingungen erzielt werden. Vielmehr noch ist die Lebensspanne der PaSod3-Überexpressionsstämme stark reduziert.
5. Einfluss der PaSod-Modulation auf andere Komponenten des ROS-Abbausystems: Die PaSOD-Aktivitäten scheinen miteinander co-reguliert zu werden. Des Weiteren scheint es ein Zusammenhang zwischen den beiden sekretierten Enzymen PaSOD2 und PaCATB zu geben. Deutlich wird auch, dass die Modulation der Superoxid-Dismutasen eine weitreichende Auswirkung auf andere Schutzsysteme hat. Beispielweise konnte gezeigt werden, dass Komponenten des mitochondrialen ROS-Schutzsystems und der Protein-Qualitätskontrolle in den PaSod3-Überexpressionsstämmen verändert sind.
Zusammenfassend lassen die Analysen der PaSod-modulierten Stämme den Schluss zu, dass die Superoxid-Dismutase in P. anserina ein wichtiges Enzym zum Abbau des schädlichen Superoxids darstellt, welches aber nur eine untergeordnete Rolle bei der Kontrolle der Lebensspanne unter den gewählten Wachstumsbedingungen im Labor ausübt. Des Weiteren haben die Analysen gezeigt, dass es durch die Modulation der PaSod-Gene zu weitreichenden Änderungen, die das ROS-Schutzsystem (PaSOD, PaCATB und PaPRX1) sowie die Protein-Qualitätskontrolle (PaHSP60, PaLON und PaCLPP) betreffen, kommt. Welche Auswirkung dabei diese Veränderungen in Bezug auf die Lebensspanne hat, kann nur schwer abgeschätzt werden und muss mit weiteren Untersuchungen geklärt werden.
Funktionalisierung mikro- und nanostrukturierter Oberflächen zur spezifischen Proteinimmobilisierung
(2014)
Die vollständige Sequenzierung des humanen Genoms zu Beginn dieses Jahrtausends leitete einen Boom der Genomik ein, in deren Anfangszeiten man sich jedoch vor einer großen Herausforderung sah. Aufgrund der selbst bei einfachen Organismen großen Anzahl kodierender Gene und auch vor dem Hintergrund ständig wachsender Datenbanken mit immer neuen vollständig sequenzierten Arten, stellten sich genetische Analysen mit klassischen Methoden als zu zeit- und kostenaufwändig heraus. Die Entwicklung sog. DNA-Chips – feste Substrate, die mehre zehn- bis hunderttausend verschiedene Oligonukleotide tragen und die parallele Durchführung einer großen Anzahl von genetischen Analysen in sehr kurzer Zeit bei vergleichsweise geringen Kosten erlaubten – lösten dieses Problem. Analog hierzu werden Protein-Chips ähnlich gute Erfolgsaussichten in der Proteomik beschieden. Der Aufbau eines Protein-Chips ist dem eines DNA-Chips sehr ähnlich, allerdings sind die Anforderungen, die für eine funktionale Immobilisierung von Proteinen an eine Substratoberfläche gestellt werden, ungleich höher. Es muss gewährleistet sein, dass durch die Verankerung auf dem Substrat die native Struktur der Proteine nicht zerstört wird, dass die immobilisierten Proteine in einer Orientierung vorliegen, in der wichtige Merkmale, wie Bindungsmotive, aktive Zentren usw. weiterhin zugänglich sind und dass unspezifische Proteinadsorptionen auf ein Minimum reduziert werden. Ziel dieser Arbeit war es, ein Konzept für eine Protein-Chip-Plattform zu entwickeln, welches diese Voraussetzungen erfüllt.
Einleitend wird die Erarbeitung eines Assays zur Analyse einer Antikörper-Antigenwechselwirkung mittels Oberflächenplasmonresonanz-(SPR)-spektroskopie dargestellt. Da diese Technik ebenfalls eine native Immobilisierung von Proteinen auf einem festen Substrat erfordert, stellt sie eine Vorform der Protein-Chip-gestützten Analyse dar. Dem entsprechend werden an SPR-Oberflächen ähnliche Anforderungen gestellt wie an Protein-Chips. In der Etablierungsphase des SPR-Assays wurden zunächst grundlegende Parameter wie die Immobilisierungs- und Regenerationsbedingungen optimiert. Anschließend wurde überprüft, ob Antigen und Antikörper unter den gewählten Versuchsbedingungen noch miteinander interagieren konnten und die Wechselwirkung zwischen beiden Proteinen nicht beeinträchtig wurde. Hauptziel des SPR-Assays war die Überprüfung der Bindeaktivität verschiedener Chargen des Antikörpers im Vergleich zu einer Referenz-Charge unter Berücksichtigung eines möglichen Einflusses der Lagerzeit. Als Ergebnis konnte zwar eine geringe Abnahme der Bindungsaktivität beobachtet werden, welche eindeutig mit der Lagerzeit korrelierte, ein signifikanter Unterschied zwischen den zu vergleichenden Chargen war jedoch nicht erkennbar.
Der weitaus größere Teil der in dieser Dissertation beschriebenen Ergebnisse betrifft die Konzeption neuer Protein-Chip-Architekturen. In Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe um Armin Gölzhäuser von der Universität Bielefeld wurde eine Protein-Chip-Plattform erarbeitet, für deren Herstellung Nitrobiphenyl-(NBPT)-Monolagen auf Gold mit Hilfe chemischer Lithographie im Mikro bzw. Nanomaßstab strukturiert wurden. Die Strukturen wurden anschließend mit multivalenten NTA-Verbindungen funktionalisiert, sodass Proteine mit His-Tag spezifisch darauf verankert werden konnten. Die wichtigsten Vorteile dieses Systems sind eine hohe Bindungsstabilität der immobilisierten Proteine, eine aufgrund der weiten Verbreitung des His-NTA-Systems leichte Verfügbarkeit His-getaggter Proteine sowie die Erhaltung ihres nativen Zustandes bei gleichzeitig uniformer Orientierung auf der Substratoberfläche. Nachdem zunächst die grundsätzliche Machbarkeit der Strukturierung und Funktionalisierung gezeigt wurde, folgte eine eingehende Charakterisierung der einzelnen Fertigungsschritte per Rasterkraftmikroskopie (AFM) und SPR-Spektroskopie, um diese anschließend weiter zu optimieren. So konnte die Proteinresistenz in den Bereichen zwischen den Mikro- bzw. Nanostrukturen, in denen keine Proteine binden sollten, deutlich verbessert werden. Zusätzlich wurde die Effizienz der Oberflächenfunktionalisierung gesteigert, sodass eine höhere Immobilisierungsdichte möglich war. Die Funktionalität des verbesserten Protein-Chips wurde mittels AFM und konfokaler Fluoreszenzmikroskopie (CLSM) überprüft. Es konnte eine hochspezifische und stabile, aber gleichzeitig reversible Bindung His-getaggter Proteine auf dem Protein-Chip gezeigt werden. Die bis dahin nass-chemisch durchgeführten Fertigungsschritte wurden in der Folge ins Hochvakuum übertragen, um die Herstellung dieser Protein-Chips mittels Gasphasenabscheidung zu ermöglichen. Als Ergebnis dieser Arbeiten konnten proteinresistente EG3-Monolagen allein durch Gasphasendeposition generiert werden. Bis auf die Funktionalisierung mit trisNTAs konnten im Rahmen dieser Arbeit sämtliche Fertigungsschritte in die Gasphase übertragen werden. Protein-Chips, die auf diese Art hergestellt worden waren, hatten in Hinsicht auf Bindungsspezifität und -stabilität ebenso gute Eigenschaften wie Protein-Chips aus der klassischen nass-chemischen Fertigung. Zusätzlich wurde parallel zu diesen Arbeiten ein neuer Ansatz zur Strukturierung und trisNTA-Funktionalisierung von EG3-SAMs erarbeitet.
Ein zweiter Protein-Chip-Prototyp sollte durch orthogonale Funktionalisierung von nano-strukturierten Glasoberflächen mit Polyenthylenglykol (PEG) und multivalenten Chelatoren hergestellt werden. CLSM-Untersuchten ergaben zunächst, dass dieser Ansatz der orthogonalen Funktionalisierung nicht gelang, da auf den Goldstrukturen nur wenig Protein zu binden schien, während in den vermeintlich proteinresistenten PEG-Bereichen eine vergleichsweise große Menge His-getaggter Proteine adsorbierte. Nach einer Reihe von Versuchen stand fest, dass sich die Verfahren zur Funktionalisierung mit PEG und bisNTA-Thiolen gegenseitig störten. Die PEGylierung verhinderte die anschließende Ausbildung einer dicht-gepackten bisNTA-SAM, was zwar durch vorheriges Aufbringen einer Schutz-SAM aus Undecylthiolen gemildert, aber nicht vollständig verhindert werden konnte. Die anschließende Funktionalisierung der Nanostrukturen mit bisNTA-Thiolen führte wiederum zur Dotierung der PEG-Schicht mit bisNTA-Thiolen, sodass diese Schicht ihre Proteinresistenz verlor. Da dieser ungewollte Prozess seine Ursache in der zweistufigen PEGylierungsreaktion hatte und dieser auch durch verschiedenste Block-Verfahren nicht vollständig verhindert werden konnte, wurde ein alternatives, einstufiges PEGylierungsverfahren getestet. Dieses hatte eine deutliche Verbesserung der Oberflächeneigenschaften zur Folge. Einerseits zeigten die Glasbereiche nun eine sehr gute Proteinresistenz, zum Anderen hatte das neue PEGylierungsverfahren keine negativen Auswirkungen auf die Ausbildung von bisNTA-SAMs. Mittels CLSM konnte auf Mikrostrukturen eine hochspezifische Proteinbindung beobachtet werden, während die PEGylierten Glasbereiche frei von Proteinen blieben. Interessanterweise konnte auf entsprechend funktionalisierten Nanostrukturen jedoch keine Proteinbindung nachgewiesen werden. Hierfür sind mehrere Ursachen denkbar, zu deren Klärung es weiterer Untersuchungen bedarf.
C-Typ Lektin-ähnliche Rezeptoren (CTLRs) auf Lymphozyten des Immunsystems modulieren deren Effektorfunktionen wie Zytotoxizität oder Zytokinsekretion. Die Gene dieser Immunrezeptoren befinden sich in einer definierten genomischen Region, dem Natürlichen Killer Genkomplex (NKC), welcher im Menschen auf Chromosom 12 und in der Maus auf Chromosom 6 lokalisiert ist. Namensgebend für diesen Gencluster ist die erste Beschreibung von CTLRs auf Natürlichen Killerzellen (NK-Zellen), den Effektorlymphozyten des angeborenen Immunsystems. Einige NKC-kodierte CTLR, insbesondere Vertreter der C-Typ Lektin Familie 2 (CLEC2)-Rezeptorfamilie, werden jedoch auch in nicht-lymphozytären Zellen (z.B. humanes KACL in Keratinozyten, Maus Clr-f in Darmepithelzellen) vorgefunden und in Zusammenhang mit einer gewebsspezifischen Immunüberwachung gebracht. Bemerkenswerterweise sind die Lymphozytenassoziierten Rezeptoren dieser CLEC2-Proteine ebenso CTLRs, welche zudem eng benachbart zu den CLEC2-Proteinen im NKC kodiert sind, sodass es sich um genetisch gekoppelte Rezeptor-Liganden-Paare mit immunologischer Funktion handelt.
Zu Beginn der vorliegenden Arbeit richtete sich das Interesse auf ein bislang uncharakterisiertes Mitglied der CLEC2-Proteinfamilie (CLEC2L), das jedoch außerhalb des NKC und in unmittelbarer Nachbarschaft zu einem weiteren und ebenso uncharakterisierten CTLR (KLRG2) kodiert ist. Im Unterschied zu anderen Mitgliedern der CLEC2-Familie ist CLEC2L (wie auch KLRG2) in Säugetieren hochkonserviert. Im Rahmen dieser Arbeit wurde der Frage nachgegangen, ob CLEC2L wie andere Mitglieder der CLEC2-Proteinfamilie eine gewebsspezifische Expression aufweist, mit einem genetisch gekoppelten CTLR, d. h. mit KLRG2, interagiert und funktionell in Verbindung mit dem Immunsystem gebracht werden kann. Ziel dieser Arbeit war es somit, eine detaillierte Expressions- und Funktionsstudie zu CLEC2L durchzuführen.
Mittels quantitativer Echtzeit-PCR und in situ Hybridisierung konnte CLEC2L-RNA im humanen und Maus-Gehirn nachgewiesen werden. Da die Mengen dort das Expressionsniveau in anderen Organen bei Weitem überstiegen, wurde das CLEC2L-kodierte Protein als BACL (engl. Brain-Associated C-type Lectin) neu benannt. Ektop exprimiertes BACL bildet ähnlich wie viele andere CLEC2-Mitglieder ein disulfid-verknüpftes Homodimer auf der Zellmembran von Säugetierzellen. Um die endogene Proteinexpression dieses gehirnassoziierten „Waisen"-Rezeptors zu charakterisieren, wurde die BACL-Ektodomäne rekombinant produziert und als Immunogen zur Herstellung BACLspezifischer Antikörper eingesetzt. Mit diesen Antikörpern und einer Kombination immunologischer Techniken wie Immunhistochemie, Immunfluoreszenz und Immunpräzipitation konnte die Präsenz von BACL auf humanen und Maus-Neuronen des Gehirns mit einer besonders ausgeprägten Expression in Purkinje-Zellen zum ersten Mal gezeigt werden. Neben dem Gehirn wurden andere Bereiche des Nervensystems, darunter Spinalganglien und Retina, auf die Expression des BACL-Proteins untersucht. Hierbei konnte mittels Immunfluoreszenz und hochauflösender konfokaler Mikroskopie gezeigt werden, dass BACL mit Neuronenmembranen assoziiert ist. Die durchflusszytometrische Analyse von in vitro kultivierten Neurosphären untermauerte die Expression von endogenem BACL als membranständiges Oberflächenprotein.
Diverse Ansätze zur Identifizierung von Interaktionspartnern von BACL erbrachten letztlich keine eindeutigen Ergebnisse. KLRG2 wurde ursprünglich aufgrund seiner benachbarten genomischen Lokalisation als möglicher Rezeptor von BACL favorisiert, jedoch konnten weder Reporterassays noch durchflusszytometriebasierte Bindungsanalysen eine Interaktion dieser beiden Proteine aufzeigen. Auch die aus den massenspektrometrischen Analysen von humanen und Maus BACL-Immunpräzipitaten erhaltenen Kandidatenproteine konnten letztendlich nicht als Interaktionspartner von BACL eindeutig verifiziert werden.
Eine mögliche immunologische Bedeutung von BACL in vivo wurde im Rahmen von Tumorimplantationsexperimenten mit BACL-exprimierenden Tumorzellen untersucht. Hierbei wurde das Tumorwachstum von BACL- mit Kontroll-Transfektanten in C57BL/6 Mäusen verglichen. Der beobachtete Effekt des verlangsamten Tumorwachstums nach BACL-Überexpression war jedoch nicht auf BACL-Erkennung durch Lymphozyten zurückzuführen, wie anhand von immundefizienten Rag1-k.o. und NOD-SCID-gammak.o. Mäusen gezeigt werden konnte.
Insgesamt liefert diese Arbeit die Erstbeschreibung des bislang uncharakterisierten CTLRs BACL. Das Protein teilt strukturelle Merkmale mit Mitgliedern der CLEC2-Familie, unterscheidet sich jedoch deutlich durch (i) seine hohe Konservierung in Säugetieren, (ii) seine Kodierung außerhalb des NKC und (iii) seine pan-neuronale Expression. Die Erkenntnis, dass BACL in Maus- und in humanen Neuronen exprimiert wird, wirft die Frage nach seiner funktionellen Relevanz auf. Als Membranprotein könnte es eine wichtige Rolle in der neuronalen Kommunikation und bei zellulären Kontakten spielen. Die Frage nach der Funktion von BACL wird in zukünftigen Forschungsarbeiten zu klären sein.
Die Etablierung eines HIV-1 Tiermodells ist ein großes Ziel auf dem Weg zur Entwicklung antiretroviraler Medikamente und Impfstoffe gegen HIV-1. Speziesspezifische Restriktionsfaktoren und fehlende Kofaktoren verhindern jedoch die Replikation von HIV-1 in Tieren. Restriktionsfaktoren sind Bestandteil der intrinsischen Immunität und entwickelten sich im Laufe der Evolution als Abwehrmechanismus gegen diverse Pathogene. Dazu gehören die Proteine der APOBEC3-Familie, TRIM5􀀁 und Tetherin, welche die Virusreplikation von HIV-1 an verschiedenen Punkten seines Lebenszyklus inhibieren. Koevolutionär entwickelten Retroviren Antagonisten, um die restriktive Funktion ihrer Wirtsproteine zu umgehen. Um ein replikationskompetentes, simiantropes HIV zu generieren, wurden im Rahmen dieser Arbeit die Sequenzen vifHIV-1 und vpuHIV-1 gegen vifagm.tan aus SIVagm.tan und vpugsn/den aus den Immundefizienzviren SIVgsn und SIVden substituiert, um die Restriktion gegen A3G und Tetherin in Zellen der Afrikanischen Grünen Meerkatze zu umgehen. Die TRIM5 vermittelte Restriktion wurde über eine Mutation in der Cyclophilin A Bindedomäne des Kapsids verhindert. Die Analyse der Vifagm.tan Funktion bestätigte den geänderten Tropismus des chimären HIV-1 bezüglich der APOBEC3G vermittelten Restriktion. Denn nach Austausch des vifHIV-1 Gens war das Virus nicht mehr in der Lage, die Aktivität des humanen APOBEC3G zu unterbinden und initiierte stattdessen die Degradation des Analogons aus der Afrikanischen Grünen Meerkatze. Weiterhin konnte die erfolgreiche Klonierung des vpugsn/den Gens in HIV-1 die Aktivität der SHIV-Konstrukte gegen Tetherin der Afrikanischen Grünen Meerkatze und der Rhesusaffen ändern, wohingegen humanes Tetherin nicht mehr abgebaut werden konnte. Trotz der erfolgreichen Aktivität der konstruierten SHIVs gegen die zellulären Restriktionsfaktoren der Afrikanischen Grünen Meerkatze, replizierten die generierten chimären Viren in einer AGM Zelllinie, nicht aber in periphären mononuklearen Blutzellen der Afrikanischen Grünen Meerkatze. Ein Indiz, das für weitere strukturelle Anpassungen der Viren gegenüber ihren Wirten spricht, die zur Bildung der Spezies-Barriere beitragen und Zoonosen erschweren. Im zweiten Teil der Dissertation wurden die Aktivitäten der Proteine der APOBEC3-Familie und VifHIV-1 auf ihre Regulation durch Phosphorylierung untersucht. Proteinphosphorylierungen gehören zu den wichtigsten posttranslationalen Proteinmodifikationen, um diverse Funktionen wie die Enzymaktivität, Proteininteraktionen und die zelluläre Lokalisation zu steuern. Dabei konnte die durch Yang et al. postulierte Phosphorylierung von VifHIV-1 nicht bestätigt werden. Analysen der mutmaßlichen VifHIV-1 Phosphomutanten enthüllten, dass die Funktion von VifHIV-1, die Infektiosität von HIV-1 zu gewährleisten, durch Substitution der mutmaßlichen Phosphoaminosäuren nicht beeinträchtigt wird und ebenso sämtliche Phosphomutanten die Degradation von A3G initiierten, wenn auch in unterschiedlichem Maße. Weiterhin wurde im Rahmen dieser Arbeit gezeigt, dass A3C entweder in einem phosphorylierten Protein-Komplex vorliegt oder ein phosphoryliertes Protein bindet. Zudem konnte ermittelt werden, dass APOBEC3A als einziges Protein der APOBEC3-Familie nach TPA- und cAMP-Stimulation phosphoryliert wird. In vitro Kinase Studien konnten zeigen, dass die Phosphorylierung unter anderem durch ERK2 erfolgt. Es konnte jedoch kein Zusammenhang zwischen der Phosphorylierung von A3A und dessen zellulärer Lokalisation, Aktivität gegen HIV-1 als auch gegen die Retrotranspositionselemente IAP und LINE-1 hergestellt werden. Dies lässt den Schluss zu, dass die Phosphorylierung die untersuchten Aktivitäten von APOBEC3A nicht beeinflusst oder APOBEC3A eine bisher unbekannte durch Phosphorylierung regulierte Funktion besitzt.
Life-threatening fungal infections are becoming increasingly common for immunocompromised patients such as those with AIDS, or those undergoing organ transplantation or chemotheraphy, as well as for other health-vulnerable patients. Excellent targets for antifungal drugs are chitin synthases, which are essential for survival of the fungus and lacking in humans. To design new antifungal drugs, knowledge of the three-dimensional structure and mechanism of action of chitin synthases are crucial. Chitin synthases are members of an important family of enzymes that synthesize structural polysaccharides, such as cellulose, β(1,3)-glucan, β(1,4)-mannan and hyaluronan. Therefore, chitin synthases could be used as a model system to understand these more complex enzymes, which are also of major medical and commercial importance. Chitin synthase 2 from Saccharomyces cerevisiae (ScChS2), the protein under study, is an integral membrane protein that synthesizes the primary septum between mother and daughter cells in budding yeast. It is essential for proper cell separation and expected to be highly regulated. An important aspect is that ScChS2 shows 55% sequence identity and is functionally analogous to chitin synthase 1 from the human opportunistic pathogen Candida albicans, this enzyme is also essential for cell survival (Munro, Winter et al. 2001). ...
The light-harvesting complex of photosystem II (LHC-II) is the major antenna complex in plant photosynthesis. It accounts for roughly 30% of the total protein in plant chloroplasts, which makes it arguably the most abundant membrane protein on Earth, and binds about half of plant chlorophyll (Chl). The complex assembles as a trimer in the thylakoid membrane and binds a total of 54 pigment molecules, including 24 Chl a, 18 Chl b, 6 lutein (Lut), 3 neoxanthin (Neo) and 3 violaxanthin (Vio). LHC-II has five key roles in plant photosynthesis. It: (1) harvests sunlight and transmits excitation energy to the reaction centres of photosystems II and I, (2) regulates the amount of excitation energy reaching each of the two photosystems, (3) has a structural role in the architecture of the photosynthetic supercomplexes, (4) contributes to the tight appression of thylakoid membranes in chloroplast grana, and (5) protects the photosynthetic apparatus from photo damage by non photochemical quenching (NPQ). A major fraction of NPQ is accounted for its energy-dependent component qE. Despite being critical for plant survival and having been studied for decades, the exact details of how excess absorbed light energy is dissipated under qE conditions remain enigmatic. Today it is accepted that qE is regulated by the magnitude of the pH gradient (ΔpH) across the thylakoid membrane. It is also well documented that the drop in pH in the thylakoid lumen during high-light conditions activates the enzyme violaxanthin de-epoxidase (VDE), which converts the carotenoid Vio into zeaxanthin (Zea) as part of the xanthophyll cycle. Additionally, studies with Arabidopsis mutants revealed that the photosystem II subunit PsbS is necessary for qE. How these physiological responses switch LHC-II from the active, energy transmitting to the quenched, energy-dissipating state, in which the solar energy is not transmitted to the photosystems but instead dissipated as heat, remains unclear and is the subject of this thesis. From the results obtained during this doctoral work, five main conclusions can be drawn concerning the mechanism of qE: 1. Substitution of Vio by Zea in LHC-II is not sufficient for efficient dissipation of excess excitation energy. 2. Aggregation quenching of LHC-II does not require Vio, Neo nor a specific Chl pair. 3. With one exception, the pigment structure in LHC-II is rigid. 4. The two X-ray structures of LHC-II show the same energy transmitting state of the complex. 5. Crystalline LHC-II resembles the complex in the thylakoid membrane. Models of the aggregation quenching mechanism in vitro and the qE mechanism in vivo are presented as a corollary of this doctoral work. LHC-II aggregation quenching in vitro is attributed to the formation of energy sinks on the periphery of LHC-II through random interaction with other trimers, free pigments or impurities. A similar but unrelated process is proposed to occur in the thylakoid membrane, by which excess excitation energy is dissipated upon specific interaction between LHC-II and a PsbS monomer carrying Zea. At the end of this thesis, an innovative experimental model for the analysis of all key aspects of qE is proposed in order to finally solve the qE enigma, one of the last unresolved problems in photosynthesis research.
Plants absorb sunlight via photosynthetic pigments and convert light energy intochemical energy in the process of photosynthesis. These pigments are mainly bound to antenna protein complexes that funnel the excitation energy to the photosynthetic reaction centres. The peripheral antenna of plant photosystem II (PSII) consists of the major light-harvesting complex of PSII (LHC-II) and the minor LHCs CP29, CP26 and CP24. Light intensity can change frequently and plants need to adapt to high-light conditions in order to avoid photodamage. When more photons are absorbed than can be utilised by the photosynthetic machinery, excessive excitation energy is dissipated as heat by short-term adaptation processes collectively known as non-photochemical quenching (NPQ). A decrease in PSII antenna chlorophyll (Chl) fluorescence yield and a reduction in the average Chl fluorescence lifetime are associated with NPQ. The main component of NPQ is the so-called energy-dependent quenching (qE), and it is triggered by the rapid drop in thylakoid lumenal pH resulting from the plant’s photosynthetic activity. This process is thought to take place at the PSII antenna complexes, which therefore not only capture and transfer light energy but are also involved in balancing the energy flow. The decrease in lumenal pH acivates the enzyme violaxanthin de-epoxidase (VDE), which converts the xanthophyll violaxanthin (Vio) into zeaxanthin (Zea) in the xanthophyll cycle. In addition, the PSII subunit PsbS was discovered to be essential for qE by screening qE-deficient Arabidopsis thaliana mutants. This membrane protein is considered a member of the LHC superfamily, which also includes LHC-II and the minor LHCs. Previous studies on PsbS isolated either from native source or refolded in vitro have produced inconsistent results on its pigment binding capacity. Interestingly, a pH-dependent change in the quaternary structure of PsbS under high light conditions has been reported. This observed dimer-tomonomer transition very likely follows the protonation of lumenal glutamates upon the drop in pH and is accompanied by a change in PSII supercomplex localisation. PsbS dimers are preferentially found in association with the PSII core, whereas PsbS monomers co-localise with LHC-II.Despite the identification of !pH, Zea and PsbS as key players in qE, both the nature of the quencher(s) as well as the underlying molecular mechanism leading to excess energy dissipation still remain unknown. Several models have been put forward to explain the reversible switch in the antenna from an energy-transmitting to a quenched state. Proposals include a simple pigment exchange of Vio for Zea, and aggregation or an internal conformational change of LHC-II. Charge transfer (CT)quenching in the minor LHCs or quenching by carotenoid dark state (Car S1)-Chl interactions have also been suggested. However, none of these qE models has so far been capable of accommodating all the physiological observations and available experimental data. Most importantly, the function of PsbS remains an enigma. A recent qE model suggested that monomerisation of PsbS enables the protein to transiently bind a carotenoid and form a quenching unit with a Chl of a PSII LHC. In view of the various proposed qE mechanisms, this thesis aimed at understanding the interplay of the different qE components and the contribution of the PSII subunits LHC-II, the minor LHCs and PsbS to qE. The initial approach was to investigate the properties of the PSII subunits in the most simple in vitro model system, namely in detergent solution. For this purpose, LHC-II was isolated either from native source or refolded from recombinantly produced protein. Investigation of the minor LHCs and PsbS required heterologous expression and refolding. In addition, experiments were performed on aggregated LHC-II. Aggregates of LHC-II have been used as a popular model system for qE because they exhibit highly quenched Chl fluorescence. At the final stage of this doctoral work, a more sophisticated model system to approximate the thylakoid membrane was developed by reconstitution of the PSII subunits LHC-II and PsbS into liposomes. This system not only allowed for investigation of these membrane proteins in their native environment, but also for mimicking the xanthophyll cycle by distribution of Zea within the membrane as well as !pH by outside buffer exchange. The role of Zea in qE was first investigated with detergent solubilised antenna proteins. The requirement of this xanthophyll for qE is well-known, but the specific contribution to the molecular quenching mechansim is unclear. Previous work had shown that replacement of Vio for Zea in LHC-II was not sufficient to induce Chl fluorescence quenching in Zea-LHC-II, as suggested by the so-called molecular gearshift mechanism. However, by means of selective two-photon excitation spectroscopy, an increase in electronic interactions between Car S1 and Chls was observed for LHC-II upon lowering the pH of the detergent buffer. Electronic Car S1-Chl coupling became even stronger when Zea-LHC-II was probed. The extent of Car S1-Chl coupling correlated directly with the extent of Chl fluorescence quenching, in a similar way as observed previously in live plants under high-light conditions. However, very similar results were obtained with LHC-II aggregates. This implied that the increase in electronic interactions and fluorescence quenching was independent of Zea and low pH. Further experiments on aggregates of LHC-II Chl mutants indicated that the targeted pigments were also not essential for the observed effects. It is proposed that the same molecular mechanism causes an increase in electronic Car S1-Chl interactions and Chl fluorescence quenching in Zea-LHC-II at low pH as well as in aggregated LHC-II. Most likely, surface exposed pigments form random quenching centres in both cases. On the other hand, it was possible that Zea could act as a direct quencher of excess excitation energy in the minor LHCs. However, enrichment of refolded CP29, CP26 and CP24 with Zea did not lead to a change in the Chl excited state lifetime. Formation of a carotenoid radical cation, previously implied in CT quenching, was also not observed, although artificial generation of such a radical cation was principally possible as shown for CP29. During the course of this work, a study reporting the formation of Zea radical cations in minor LHCs was published. Therefore, Zea-enriched minor LHCs were again investigated on the experimental apparatus used in the reported study. Indeed, the presence of at least one carotenoid radical cation for each minor complex was detected. It is suggested that either the preparation method of incubating the refolded minor LHCs with Zea in contrast to refolding the complexes with only Zea and lutein causes the observed differences or that the observed spectral radical cation signatures are due to experimental artifacts. While the experiments with LHC-II and the minor LHCs gave useful insights into the putative qE mechanism, the quencher site and the mode of action of Zea could still not be unambiguously identified. Most importantly, these studies could not explain the function of the qE keyplayer PsbS. Therefore, the focus of the work was shifted to PsbS protein production, purification and characterisation. In view of inconsistent reports on the pigment binding capacity of this PSII subunit, refolding trials with and without photosynthetic pigments were conducted. The formation of a specific pigmentprotein complex typical for other LHCs was not observed and neither was the earlier reported “activation” of Zea for qE by binding to this protein. Nevertheless, PsbS refolded without pigments displayed secondary structure content in agreement with previous studies, indicating pigment-independent folding. Reconstitution of pigmentfree, refolded PsbS into liposomes confirmed that the protein is stable in the absence of pigments. Zea distributed in PsbS-containing liposomes also showed no spectral alteration that would indicate its “activation”. With the ability to reconstitute PsbS, it was then possible to proceed to modelling qE in a proteoliposome system. For this purpose, PsbS was co-reconstituted with LHC-II, which has been reported to interact with PsbS. One-photon excitation (OPE) and two-photon excitation (TPE) spectroscopy measurements were performed on LHC-II- and LHC-II/PsbS-containing liposomes. This enabled both quantification of Chl fluorescence quenching as well as determination of the extent of electronic Car S1-Chl interactions. The effect of Zea was investigated by incorporating it in the proteoliposome membrane. It was shown that Zea alone was not able to induce significant Chl fluorescence quenching when only LHC-II was present. However, when LHC-II and PsbS were co-reconstituted, pronounced Chl fluorescence quenching and an increase in electronic Car S1-Chl interactions were observed and both effects were enhanced when Zea was present. Western blot analysis indicated the presence of a LHC-II/PsbS-heterodimer in these proteoliposomes. In addition to the OPE and TPE measurements, the average Chl fluorescence lifetime was determined in detergent-free buffer at neutral pH and directly after buffer exchange to low pH. No significant changes in the average lifetime were observed for LHC-II proteoliposomes when either Zea was present or after exchange for low pH buffer. This indicated that Zea alone cannot act as a direct quencher, which concurs with the OPE measurements. Moreover, the complex was also properly reconstituted as no aggregation or significant Chl fluorescence quenching were observed. The average lifetime was not significantly affected in LHC-II/PsbS-proteoliposomes, independent of Zea or pH. However, a shortlived component in the presence of a long-lived component was not resolvable with the time resolution of the fluorescence lifetime apparatus.
Implications for qE model systems and the in vivo quenching mechanism are discussed based on the experiments in detergent solution, on LHC-II aggregates and with the proteoliposome model system.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden zum Vergleich die Strukturen der ATP-Synthasen von Arabidopsis thaliana, Asparagus officinalis, Allium cepa, Helianthus annus, Solanum tuberosum, Bos taurus und Saccharomyces cerevisiae gelöst. Die ATP-Synthase von S. cerevisiae konnte mit einer Auflösung von 19 Å gelöst werden. Der Winkel zwischen den zwei ATP-Synthase-Monomeren in dem ATP-Synthase-Dimer hatte für jede Spezies einen bestimmten Wert. Dieser Winkel änderte sich innerhalb einer Spezies nur wenig im Gegensatz zu Untersuchungen mit Einzelpartikelanalyse.
Die ATP-Synthase-Dimere aus den untersuchten Spezies besitzen unterschiedliche Winkel zwischen 78˚ und 122˚. Der Winkel des ATP-Synthase-Dimers aus S. tuberosum (122˚) viel größer als der in anderen Pflanzen (~98˚), B. taurus (105˚) und S. cerevisiae (78˚). Die Proben von S. tuberosum und B. taurus waren jedoch dünner, was den Winkel eventuell beeinflussen könnte. Um dies auszuschließen müssen in Zukunft weitere Untersuchungen durchgeführt werden.
Des Weiteren wurde im peripheren Stiel der ATP-Synthasen von allen Pflanzenspezies eine Dichte entdeckt, die in B. taurus und S. cerevisiae nicht vorhanden ist. Die Dichte könnte durch eine zusätzliche Untereinheit oder veränderte Untereinheit im Vergleich zu B. taurus und S. cerevisiae kommen.
Weiterhin wurde die Bildung von Reihen aus ATP-Synthase-Dimeren untersucht. Es wurden ATP-Synthase-Dimere von Polytomella sp. gereinigt und in Lipid rekonstituiert. Es wurde das ATP-Synthase-Dimer von Polytomella sp. verwendet, da dieses besonders stabil ist und während der Reinigung nicht zum ATP-Synthase-Monomer zerfällt. Zur Rekonstitution wurde die milde GRecon-Methode verwendet. Hierbei werden Membranproteine in einem Zuckergradienten gleichzeitig in Lipid rekonstituiert und nach ihrer Dichte getrennt. Abhängig von der Dichte der Proteoliposomen ist die Konzentration an Membranproteinen unterschiedlich. In Proteoliposomen mit einer hohen Konzentration bilden sich dünne Schichten in denen die ATP-Synthase-Dimeren Zickzack-Muster formen. Dies deutet darauf hin, dass das ATP-Synthase-Dimer die Membran verformt. In Proteoliposomen mit einer niedrigeren Konzentration an ATP-Synthase-Dimeren wurden runde Vesikel detektiert, in denen die ATP-Synthase-Dimere lange Reihen bilden und die Membran innerhalb jedes ATP-Synthase-Dimer ebenfalls verformt ist. Molekulare Simulationen bestätigen dieses Ergebnis.
Zudem wurde das ATP-Synthase-Dimer in zwei verschiedene Lipide ohne Cardiolipin rekonstituiert, da Cardiolipin ein Lipid ist welches in der bakteriellen und mitochondrialen Membran gefunden wurde und in hohen Konzentrationen in Membrankrümmungen lokalisiert ist (Huang et al., 2006), wie auch die ATP-Synthase-Dimere. Ohne Cardiolipin ist die Rekonstitution nicht geglückt beziehungsweise sind die ATP-Synthase-Dimere weniger gut zueinander angeordnet. Das deutet auf die Wichtigkeit von Cardiolipin in der Stabilisierung der Reihen von ATP-Synthase-Dimeren hin. Weitere Experimente mit verschiedenen ATP-Synthase-Dimeren in verschiedenen Lipiden sind nötig um dies zu untermauern.
Ein weiteres Ziel dieser Arbeit war es ein klonierbares Label zu etablieren, um ein bestimmtes Protein in Kryo-Elektronentomogramme zu identifizieren. Das Label sollte klein sein, um das zu identifizierbare Protein nicht zu beeinflussen und groß genug um in Kryo-Elektronentomogramme identifizierbar zu sein. In Einzelbildern wurde das 6 kDa große Metallothionein gebunden mit Gold identifiziert, wenn zwei Metallothioneine an dem gewünschten Protein kloniert wurden. Metallothionein besteht zu 33 % aus Cysteinen, welche Schwermetalle binden.
In meinen Studien habe ich bewiesen, dass drei Metallothioneine, gebunden mit Gold, in Kryo-Elektronentomogramme detektiert werden können. Jedoch tritt bei der Verwendung von Metallothionein durch die hohe Anzahl an Cysteinen vermehrt Aggregation auf. Bei meinen Untersuchungen fand ich heraus, dass auch das Maltose-Binde-Protein (MBP) ein Signal gleicher Intensität erzeugt. Durch Verwendung von MBP tritt aber keine Aggregation auf und man kann MBP auch zum Reinigen des Proteins verwenden.