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Structural characterization of stressosome complexes by single-particle cryo-electron microscopy
(2015)
The stressosome is a Mega Dalton macromolecular complex involved in stress adaptation in bacteria. Stressosomes are considered as stress signaling hubs. They are able to perceive a variety of different stress stimuli and transduce them into one single cellular answer, which is the initialization of a transcriptional up-regulation of hundreds of different genes encoding for universal but also very specific stress response proteins.
The stressosome of Bacillus subtilis became a prime example for this intriguing stress-triggered transcriptional regulation when its architecture was determined by Single-particle cryo-electron microscopy (cryo-EM) in 2008. In Gram-positive Bacillus species, the stressosome complex senses changes in salt concentration, ethanol content, blue-light, heat or acid stress contributing to the general stress response by activation of the alternative σB factor. σB is a transcriptional promoter that initiates the transcription of over 150 general stress genes, e.g., genes that encode osmolyte transporters to counteract osmotic and chill stress. The B. subtilis stressosome (stressosome_Bc) is composed of multiple copies of the 3 proteins: RsbR, RsbS and RsbT. These three Rsb proteins (Regulator of Sigma B) are found clustered in one operon forming the conserved RST module. RsbS and RsbR are scaffold proteins comprising a STAS domain, respectively. Because these domains are dominantly associated to sulfate transporters and anti-sigma antagonist they were named STAS domains, however, they were also identified in other sensor proteins. In the stressosome they form the internal ball-shaped core, while the N-terminal globin-fold sensor domain of RsbR, protruding to the outside, facilitates stress sensing. It is assumed that the stress signal is transduced to the stressosome core via the STAS domain resulting in conformational changes of the core. These changes affect the binding of the third protein, RsbT, a serin-threonine kinase. As a direct consequence of stress sensing the RsbT kinase is released from the complex to start an activation cascade involving the stepwise activation of RsbU, V, W, and X, which are all part of the same operon, and finally of σB. In Bacillus species, several RsbR orthologs were identified varying mainly in the sequence of the N-terminal sensor domains. It is assumed that the stressosome_Bc assembles with a still unknown combination of RsbR orthologs allowing for the broad spectrum of stress stimuli that can be processed in vivo. The pathogenic bacteria Listeria monocytogenes is a close relative of Bacillus. Its potent stress response allows Listeria to survive the harsh environmental conditions during host infection and therefore the stress regulation machinery is contributing heavily to the virulence of this pathogen. In Listeria the Rsb operon is conserved and highly homologous to the Bacillus one. In the frame of this thesis, the in vitro assembly of Listeria innocua stressosomes was shown for the first time by Single-particle (SP) negative stain EM. Moreover, binding of Listeria RsbT to the assembled RsbR-RsbS complex was demonstrated biochemically.
Despite the conservation of the RST-module the entire Rsb operon is not conserved in the bacterial kingdom suggesting that signal transduction and regulation of gene expression might occur by very different mechanisms in stressosomes of different species. We have focused here on a stressosome type from the Gram-negative pathogen Vibrio vulnificus that is quite distinct from the Bacillus ones with respect to (1) the missing conservation of the Rsb operon, (2) the role of RsbT, (3) the activation of a different transcriptional promoter, and (4) the absence of additional RsbR orthologs. Interestingly, there is only one RsbR protein encoded in the genome. This one contains a Haem-group in its N-terminal domain being oxygen sensitive. It is assumed that the Vibrio stressosome perceive only oxidative stress and that regulation occurs via a diguanylate cyclase with a GAF domain that synthesizes the second messenger c-di-GMP from GTP.
We have started a structure determination of the Vibrio vulnificus stressosome by SP cryo-EM to elucidate the differences in the molecular mechanism of stress sensing in divers stressosome types. A 3D map of the oxidized (activated) Vibrio vulnificus stressosome was determined to 7.6 Å resolution revealing an increased flexibility of both the core and the N-terminal sensor domains in comparison to the Bacillus stressosome suggesting that our structure has trapped for the first time an active state of a stressosome complex. A 3D map of the stressosome core to 7 Å resolution allowed fitting of a homology model of the Vibrio stressosome based on the Bacillus stressosome as template. The conformational changes could be attributed to the entire core, which was confirmed by MD simulations.
In this study, the structural and functional properties of the Na+/Betaine symporter BetP were investigated upon K+-induced activation. BetP regulates transport activity dependent on the amount of associated anionic lipids and the cytoplasmic K+-concentration. For this purpose, FTIR spectroscopy was implemented as a non-perturbing biophysical method which shed light on how the membrane lipids contribute to the molecular mechanisms of activation and regulatory response of BetP.
In dieser Arbeit wurden die Strukturen von drei Membranproteinen mittels Einzelpartikel-Kryo‑Elektronenmikroskopie (Kryo‑EM) gelöst. Bei den Membranproteinen handelt es sich um den humanen TRP-Kanal Polycystin‑2, den sekundär-aktiven Transporter BetP aus Corynebacterium glutamicum und den Rotor-Ring der N‑Typ ATPase aus Burkholderia pseudomallei.
Kanäle sind Membranproteine, die Ionen durch eine Pore über die Membran diffundieren lassen. Durch einen präzisen, kanalabhängigen Regulationsmechanismus wird die Pore nur bei Bedarf geöffnet. TRP (transient receptor potential) Kanäle sind anhand von DNA-Sequenzvergleichen identifiziert worden und kommen ausschließlich in Eukaryonten vor. In dieser Arbeit lag der Fokus auf der Strukturbestimmung des humanen TRP Kanals Polycystin‑2 (PC‑2). PC‑2 wurde in einer Studie entdeckt, in der Patienten mit der autosomal dominanten Erbkrankheit „polyzystische Nierenerkrankung“ untersucht wurden. Patienten mit dieser Krankheit tragen eine Mutation in einem der beiden Gene PKD1 oder PKD2, welche für die Proteine Polycystin‑1 und ‑2 kodieren. In dieser Arbeit wurden verschiedene Deletionsmutanten von PC‑2 hergestellt und in das Genom menschlicher HEK293 GnTI‑ Zellen inseriert. Die Zellen, die PC‑2 bzw. die Deletionskonstrukte am stärksten synthetisierten, wurden isoliert und für die rekombinante Proteinherstellung verwendet. Die Expression von PC‑2 führte zu der Entstehung von kristalloidem endoplasmatischem Retikulum. Mutationsstudien in dieser Arbeit zeigen, dass diese morphologische Veränderung durch die Akkumulation von Membranproteinen, die mit sich selbst interagieren, begünstigt wird. Weiter ist es in dieser Arbeit gelungen, PC‑2 zu reinigen und die Struktur des Proteins mit Hilfe von Einzelpartikel Kryo-EM mit einer Auflösung von 4.6 Å zu bestimmen. Die Membrandomäne von PC‑2 ist sehr ähnlich zu den bekannten TRP Kanal Strukturen. Ein Vergleich der PC‑2 Struktur mit dem offenen und geschlossenen TRPV1 Kanal legt nahe, dass PC‑2 in seiner offenen Konformation gelöst wurde.
Der sekundär aktive Transporter BetP von C. glutamicum gehört zu der Familie der BCC- (betaine-carnitine-choline) Transporter und wird durch osmotischen Schock aktiviert. Nach seiner Aktivierung importiert BetP zwei Natriumionen und ein Glycinbetain Molekül. Durch die Akkumulierung von Glycinbetain in der Zelle steigt das osmotische Potential des Zytoplasmas, was den Wasserausstrom aus der Zelle stoppt. Viele Strukturen, die BetP in unterschiedlichen Stadien des Transportprozesses zeigen, konnten bereits mittels Röntgenkristallographie gelöst werden. Allerdings ist die N‑terminale Domäne für die Kristallisation entfernt worden und die C‑terminale Domäne, die komplett aufgelöst ist, ist an einem wichtigen Kristallkontakt beteiligt. Um strukturelle Informationen über die N‑ und C‑terminale Domäne ohne Kristallisationsartefakte zu erhalten, wurde in dieser Arbeit die Struktur von BetP mittels Einzelpartikel Kryo‑EM bestimmt. Die Struktur mit einer Auflösung von 6.8 Å zeigt BetP in einem zum Zytoplasma geöffneten Zustand. Der größte Unterschied zu allen Kristallstrukturen ist die Position der C‑terminalen α‑Helix, die um ~30° rotiert ist und dadurch deutlich enger am Protein zu liegen kommt. Da BetP in Abwesenheit von aktivierenden Stoffen analysiert wurde, wird vermutet, dass es sich bei der gelösten Struktur um den inaktiven Zustand von BetP handelt.
Rotierende ATPasen sind membrangebunden Enzymkomplexe, die bei der zellulären Energieumwandlung eine entscheidende Rolle einnehmen. Sie bestehen aus einem löslichen und einem membrangebundenen Teil. Während in dem löslichen Teil der zelluläre Energieträger Adenosintriphosphat (ATP) entweder synthetisiert oder hydrolysiert wird, baut der membrangebundene Teil entweder einen Ionengradienten auf oder nutzt die Energie eines existierenden Gradienten für die ATP Synthese. Ein wesentlicher Bestandteil des membrangebundenen Teils einer rotierenden ATPase ist der Rotor-Ring. Dieser transportiert Ionen über die Membran und rotiert dabei um seine eigene Achse. In dieser Arbeit wurde eine Studie fortgesetzt, die den Rotor-Ring der N‑Typ ATPase von B. pseudomallei mittels Kryo‑EM untersuchte und zeigte, dass der Rotor-Ring aus 17 identischen Untereinheiten aufgebaut ist. Damit hat die N‑Typ ATPase das größte Ionen-zu-ATP-Verhältnis aller bisher charakterisierten ATPasen. In dieser Arbeit wurde die c17 Stöchiometrie des N‑Typ ATPase Rotor-Rings bestätigt und die Struktur mittels Kryo‑EM bestimmt. Im besonderen Fokus lag dabei der Einfluss von Detergenzien auf die Strukturbestimmung. Es konnte gezeigt werden, dass die beiden Parameter Dichte und Mizellengröße der verwendeten Detergenzien ausschlaggebend für den Erfolg der Strukturbestimmung dieses sehr kleinen Membranproteins sind.
Transport processes across the membrane are essential to ensure survival of every living cell. Therefore, the exchange of membrane impermeable molecules is mediated by specific transport proteins, which are embedded in the lipid bilayer.
One important class comprises secondary active transporters, which couple very efficiently the uphill transport of the main substrate against its concentration gradient to the downhill transport of an additional substrate. These transporters are widely distributed among all kingdoms of life and accomplish many crucial functions. One function is to counteract the deleterious effect of hyperosmotic stress in bacteria. Several members of the BCCT (betaine-choline-carnitinetransport) family of secondary transporters mediate osmostress protection by the accumulation of the compatible solute betaine or its precursor choline (Lamark et al., 1991; Peter et al., 1996; Ziegler et al., 2010). Besides osmo-dependent sodium or proton-coupled symporters, the BCCT family includes few rare representatives of osmo-independent transporters such as the substrate:product antiporter CaiT from E. coli (Jung et al., 2002; Ziegler et al., 2010).
The best-characterized member of the BCCT family is the sodium-coupled betaine transporter BetP from Corynebacterium glutamicum. BetP together with the ABCtransporter OpuA and the H+-solute symporter ProP, became a paradigm for osmoregulated osmolyte transport. Although, all three transporters were extensively studied, the general mechanism of osmoregulation is still far from being understood. Thus, one task of this thesis was to elucidate further the regulatory properties of BetP.
BetP is tightly regulated by osmotic stress and is able to increase its basal betaine uptake activity dramatically upon elevated osmolalities within one second (Peter et al., 1998a). The osmotic stress is sensed by BetP via two stimuli, one is the increase of the internal K+ concentration above a threshold of 220 mM (Rübenhagen et al., 2001), the second is related to a change in the physical state of the membrane (Maximov et al., 2014). So far, several solved crystal structures in combination with functional and computational analysis provided insights into the coupling mechanism of betaine and its co-substrate sodium (Khafizov et al., 2012; Perez et al., 2012). Despite the wealth of data, the precise regulatory mechanism of trimeric BetP is still unclear.