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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.
The focus of this thesis is the integral membrane protein Escherichia coli diacylglycerol kinase (DGK). It is located within the inner membrane, where it catalyzes the ATP-dependent phosphorylation of diacylglycerol (DAG) to phosphatic acid (PA). DGK is a unique enzyme, which does not share any sequence homology with typical kinases. In spite of its small size, it exhibits a notable complexity in structure and function. The aim of this thesis is the investigation of DGK’s structure and function at an atomic level directly within the native-like lipid bilayer using MAS NMR. This way, a deeper understanding of DGK’s catalytic mechanism should be obtained.
First, the preparation of DGK was optimized, leading to a sample, which provides well-resolved MAS NMR spectra. The high quality MAS NMR spectra formed the foundation for the second step, the resonance assignment of DGK’s backbone and side chains. The assignment was performed at high magnetic field (1H frequency 850 MHz). The sequential assignment of immobile domains was carried out using dipolar coupling based 3D experiments, NCACX, NCOCX and CONCA. The measurement time could be reduced by paramagnetic doping with Gd3+-DOTA in combination with an E-free probehead. The sequential assignment was mainly performed using a uniformly labelled sample (U-13C,15N-DGK). Residual ambiguities could be resolved by reverse labelling (U-13C,15N-DGK-I,L,V). Resonances could be assigned for 82% of the residues, from which 74% were completely assigned. For validation, ssFLYA was applied, which is a generally applicable algorithm for the automatic assignment of protein solid state NMR spectra. Its principal applicability for demanding systems as membrane proteins could be proven for the first time. Overall, ~90% of the manually obtained assignments could be confirmed by ssFLYA. For the completion of DGK’s assignment, J-coupling based 2D experiments, 1H-13C/15N HETCOR and 13C-13C TOBSY, were carried out to detect highly mobile residues. This way, residues of the two termini and the cytosolic loop, which were not detectable by dipolar coupling based experiments, could be assigned tentatively. Whereupon, peaks for arginine and lysine were assigned unambiguously to Arg9 and Lys12. Overall, ~84% of the residues could be assigned by the applied NMR strategy. Furthermore, a secondary structure analysis was carried out. It showed substantial similarities between wild-type DGK, its thermostable mutant determined both by MAS NMR and the crystal structure of wtDGK. However, there are few differences around the flexible regions most likely caused by the high mobility of these regions. During the assignment procedure, no systematic peak doublets or triplets were detected, indicating that the DGK trimer adopts a symmetric conformation. This is in contrast to the X-ray structure, which shows asymmetries between the three subunits. Especially, crystal packing may be a potential source for these structural asymmetries.
On the basis of the nearly complete assignment of DGK, the apo state was compared with the substrate bound states. Perturbations in peak position and intensity of the substrate bound states were analysed for all assigned residues in 3D and 2D spectra. The nucleotide-bound state was emulated by adenylylmethylenediphosphonate (AMP-PCP), a non-hydrolysable ATP analogue, whereas the DAG-bound state was mimicked by 1,2-dioctanoyl-sn-glycerol (DOG, chain length n = 8). Upon nucleotide binding, extensive chemical shift perturbations could be observed. These data provide evidence for a symmetric DGK trimer with all of its three active sites concurrently occupied. Additionally, it could be demonstrated that the nucleotide substrate induces a substantial conformational change. This most likely supports the enzyme in binding of the lipid substrate, indicating positive heteroallostery. In contrast, the overall alterations caused by DOG are very minor. They involve mainly changes in peak intensities. For DGK bound with either AMP-PCP+DOG or only AMP-PCP, a similar spectral fingerprint was observed. This implies that binding of the nucleotide seems to set the enzyme into a catalytic active state, triggering the actual phosphoryl transfer reaction.
The investigation of DGK’s remarkable stability and the cross-talk between its subunits forms the last part of this thesis. This demands for the identification of key intra- and interprotomer contacts, which are of structural or functional importance. For this purpose, 13C-13C DARR and 2D NCOCX spectra with long mixing times were recorded using high field MAS NMR. Additionally, DNP-enhanced 13C−15N TEDOR experiments were conducted on mixed labelled DGK trimers to enable the visualization of interprotomer contacts. With the applied NMR strategy, intra- (Arg32 - Trp25/ Glu28/ Ala29 and Trp112 - Ser61) and interprotomer (ArgNn,e - AspCg/ GluCd/ AsnCg) long-range interactions could be identified.
In the past decade, the optogenetic toolbox for the manipulation of ion currents and cNMP levels in Caenorhabditis elegans (C. elegans) expanded. However, the implemented tools for cAMP generation were soluble enzymes (euPAC, bPAC, IlaC22 k27 and PaaC) and thus they do not precisely mimic physiological cAMP signalling occurring in microdomains in close proximity to the plasma membrane. Here, cAMP is predominantly generated by membrane-bound adenylyl cyclases, that are located in microdomains together with G protein-coupled receptors (GPCRs), protein kinase A (PKA) and their targets, enabling spatially and temporal regulation of cAMP signalling. For this reason, one aim of this study was to develop and implement membrane bound photoactivatable adenylyl cyclases for the manipulation of cAMP mediated signalling in close proximity to the plasma membrane. For this purpose, the guanylyl cyclase domains of the Blastocladiella and Catenaria Cyclase Opsins (CyclOps) were mutated to adenylyl cyclases either by introducing the mutations E497K and C566D (abbreviated as (A-2x)) or by the mutations E497K, H564D, and C566T (abbreviated as (A-3x)).
To determine the nucleotide specificity switch from GTP to ATP and the extent of light-dependent cAMP generation, the engineered enzymes were expressed in body wall muscle cells of C. elegans and in vitro cNMP measurements using C. elegans extracts were performed. Here, the highest levels of light induced cAMP generation during sustained stimulation (0.5 mW/mm2; 470 nm, 15 min) were detected for the variants BeCyclOp(A-2x), YFP-BeCyclOp(A-2x), and YFP-CaCyclOp(A-2x) (39, 57, 40 nM, respectively), though they did not reach the extent produced by the soluble bPAC (142 nM). In contrast, low magnitudes of generated cAMP were measured for the versions BeCyclOp(A-3x) and CaCyclOp(A-2x) (8 and 7 nM, respectively). Importantly, no obvious residual cGMP and basal activity was ascertained for any of the engineered enzymes.
To assess their potential to trigger and modulate cAMP mediated cholinergic neurotransmission, and to evaluate the influence of cytosolic and membrane proximal optogenetic cAMP generation, the enzymes were expressed in cholinergic motor neurons and compared to the implemented soluble bPAC via locomotion behaviour analysis on solid and in liquid media. Photoactivation of BeCyclOp(A-2x), YFP-BeCyclOp(A-2x), and YFP-CaCyclOp(A-2x) caused similarly enhanced or even more potent behavioural changes (swimming and crawling) as bPAC, whereas a more rapidly decaying response was observed for the bPAC evoked effects. Moreover, an increased diversity of the behavioural output was detected for cytosolic cAMP production by bPAC, i.e. increased bending angles and a decreased body length.
Confocal fluorescence microscopy was performed to examine the expression levels of YFP-tagged enzymes in cholinergic neurons, whereas both YFP-CyclOp(A-2x)s were expressed at similar levels, but 1.4-fold lower relative to the soluble bPAC-YFP. To compare the amount of light-dependent cAMP generation bPAC and BeCyclOp(A-2x) at light conditions that match the conditions of the behavioural experiments (30 s), cAMP measurements using C. elegans extracts were performed, whereas BeCyclOp(A-2x) depicted a 4-fold lower amount of optogenetic cAMP production than the soluble bPAC.
In sum, local (membrane proximal) cAMP generation by the membrane-bound photoactivatable adenylyl cyclases may more specifically activate cAMP dependent neurotransmission of cholinergic motor neurons than cytosolic cAMP generation, i.e. an increased mobilization and priming/docking of synaptic vesicles and an increased filling of the synaptic vesicles with the neurotransmitter acetylcholine and thus an increase in locomotion behaviour.
The optogenetic toolbox for the manipulation of cGMP mediated signalling in C. elegans consisted of the natural membrane-bound BeCyclOp and the artificial soluble bPGC. The latter generates cGMP with low efficiency and slow kinetics (~0.2 cGMP s-1), whereas BeCyclOp enables the production of much larger amounts of cGMP (L/D = 5000) at a high turnover rate (~17 cGMP s-1). Thus, one aim of this thesis was to implement a tool with features in between those of BeCyclOp and bPGC. Several orthologous CyclOps were assessed by Gao et al., 2015 for light-regulated cGMP production by in vitro assays based on the measurement of the cNMP content from CyclOp containing oocyte membranes. Here, CaCyclOp showed the highest ratio of light versus dark activity (L/D = 230) after BeCyclOp, and thus was selected for characterization in C. elegans...
Verschiedene physikalische Effekte erlauben es Licht so zu führen und zu verändern, dass es Einblicke in für Menschen sonst unzugängliche Bereiche gewährt. Eines von insgesamt drei Elementen dieser Dissertationsschrift ist der Aufbau eines Multiphotonen-Mikroskops. Dieses fortschrittliche Werkzeug erweitert das zur Verfügung stehende Instrumentarium um verschiedene Analysemethoden, allen voran die 2-Photonen-Fluoreszenz-Mikroskopie. Durch geringfügige Modifikationen können auch weitere Methoden, wie beispielsweise stimulierte Raman-Streuung realisiert werden.
Insbesondere die 2-Photonen-Fluoreszenz-Mikroskopie war für das zweite Element dieser Dissertationsschrift von großer Bedeutung. In dieser Studie wurde das Bleichverhalten von Spinach bei 2-Photonen-Absorption untersucht, sowohl an frei in Lösung befindlichen als auch auf einem Träger immobilisierten Spinach-Komplexen. Die Ergebnisse zu den frei in Lösung befindlichen Spinach-Komplexen zeigen, dass die Verstärkung der Fluoreszenz von DFHBI grundsätzlich auch im Fall der 2-Photonen-Absorption eintritt. Dabei wurde ein Ausbleichen der 2-Photonen-induzierten Fluoreszenz für frei in Lösung befindliche Spinach-Komplexe erst bei außerordentlich hohen Intensitäten der Anregungsstrahlung beobachtet. Dieser Befund kann zumindest teilweise auf das Eindiffundieren fluoreszenter Spinach-Komplexe in das sehr kleine Fokalvolumen innerhalb der 2-Photonen-Anregung stattfindet zurückgeführt werden. Für immobilisierte Spinach-Komplexe konnte gezeigt werden, dass eine kontinuierliche Bildaufnahme gegenüber einer Bildaufnahme in Intervallen mit jeweils zusätzlichen Dunkelphasen zur Erholung des reversiblen Bleichens der 2-Photonen-induzierten Fluoreszenz, sowie der generelle Verzicht auf spezielle Belichtungsschemata und Methoden der Datenakquise mit keinen besonderen Nachteilen verbunden ist. Abschließend betrachtet erweist sich Spinach bei 2-Photonen-Anregung als ausgesprochen resistent gegenüber einem irreversiblem Ausbleichen des Fluoreszenzsignals.
Als drittes Element dieser Dissertationsschrift wurde die Dynamik von Chrimson, einem Kanalrhodopsin mit rot-verschobener Absorption mittels zeitaufgelöster Spektroskopie im sichtbaren Spektralbereich untersucht. Sowohl die Anregungswellenlänge als auch der pH-Wert bzw. der Protonierungszustand des Gegenions haben einen messbaren Einfluss auf die Primärreaktion. Diese verlangsamt sich, sobald der pH-Wert abgesenkt oder die Anregungswellenlänge rot-verschoben wird. Darüber hinaus führt eine Rot-Verschiebung der Anregungswellenlänge zu einer geringeren Effizienz der Isomerisation des Retinal-Chromophors. Die Primärreaktion von Chrimson entspricht dabei einem Reaktionsmodell mit einer Verzweigung des Reaktionspfades auf der Energiehyperfläche des angeregten Zustandes. Ein Reaktionspfad führt dabei durch ein lokales Minimum, welches in seiner Ausprägung stark von der elektrostatischen Umgebung des Retinal-Chromophors abhängt. Je nach ursprünglichem Protonierungszustand des Gegenions der Retinal-Schiff-Base wurden große Unterschiede hinsichtlich der beobachteten transienten Absorptionsmuster für den im Anschluss von Chrimson durchlaufenen Photozyklus gefunden. Bei pH 6,0 weist der Photozyklus von Chrimson eine insgesamt deutlich schnellere Kinetik auf, als es für den Photozyklus bei pH 9,5 beobachtet wurde. Es ist bemerkenswert, dass in elektrophysiologischen Messungen für beide Photozyklen eine Öffnung des Ionenkanals gefunden wurde. Die Kanalfunktion von Chrimson ist somit grundsätzlich nicht vom Protonierungszustand des Gegenions abhängig, wenngleich die Kinetik des Ionenkanals durchaus davon beeinflusst wird. Dies deutet auf Unterschiede in den Wechselwirkungen zwischen dem Ionenkanal und dem Gegenion der Retinal-Schiff-Base hin.
In der vorliegenden Arbeit wurde die Dynamik zweier grundlegend verschiedener, deaktivierender Mechanismen von Retinalproteinen untersucht. In einem dritten Projekt wurde die Photodynamik einer Dreifachmutante von visuellem Rhodopsin erforscht, von der eine Mutation zu kongenitaler (angeborener) Nachtblindheit führt und zwei andere Mutationen das Protein über eine Disulfidbrücke stabilisieren. Die Ergebnisse dieser drei Projekte sind im Folgenden zusammengefasst.
Die Aktivität des mikrobiellen Proteorhodopsins als lichtgetriebene Protonenpumpe kann photoinduziert unterbunden werden. Dies erfolgt durch die Absorption von blauem Licht durch das Retinal bei deprotonierter Schiff‘schen Base. Vor dieser Arbeit war allerdings nur wenig über den Mechanismus und die Kinetik dieses Effekts bekannt. Das einzige Retinalprotein, an dem diese Deaktivierungsdynamik auf molekularer Ebene zeitaufgelöst untersucht wurde, ist Bakteriorhodopsin. Doch auch an diesem System wurde die ultraschnelle Primärreaktion in der photoinduzierten Deaktivierungsdynamik - die Photoisomerisierung des 13-cis-Retinals - bisher nicht zeitaufgelöst gemessen.
In dieser Arbeit wurde ein Weg gefunden, diesen Prozess auf einer Sub-Pikosekundenzeitskala zu detektieren. Dazu wurde eine Proteorhodopsinmutante genutzt, in der der primäre Protonendonor E108 durch Glutamin ersetzt ist. Diese Mutante weist eine signifikante Erhöhung der Lebensdauer des M-Intermediats auf. Im photostationären Gleichgewicht führt diese veränderte Kinetik zu einer erheblich erhöhten Akkumulation des Proteins im M-Zustand, die ausreicht, um photoinduzierte Absorptionsänderungen der Deaktivierungsdynamik sowohl im sichtbaren als auch im mittleren Infrarotbereich auf ultrakurzer Zeitskala zu detektieren. Dieses Projekt erfolgte in Kooperation mit dem Arbeitskreis Glaubitz (Goethe-Universität Frankfurt am Main).
Es zeigte sich, dass die Anregung des Retinals von Proteorhodopsin im M-Zustand zur Isomerisierung von 13-cis zu all-trans führt, die nach wenigen Pikosekunden abgeschlossen ist. Der zweite und abschließende Schritt ist die Reprotonierung der Schiff'schen Base. Es stellte sich heraus, dass dieser Prozess auf einer Nanosekundenzeitskala abläuft und über einen Protonentransfer vom primären Protonenakzeptor D97 zur Schiff'schen Base ermöglicht ist.
Die in dieser Arbeit vorgestellte Methodik zur Untersuchung der deaktivierenden Photodynamik von Proteorhodopsin auf ultraschneller Zeitskala, könnte in Zukunft auf weitere mikrobielle Rhodopsine angewandt werden. So ist die Studie der Deaktivierungsdynamik von Channelrhodopsinen von großem Interesse für optogenetische Anwendungen. Eine lichtgesteuerte Kontrolle der Ionenkanalöffnung und -schließung sollte die Präzision in der Regulierung ionischer Permeation erheblich verbessern.
Die Proteorhodopsinmutante E108Q wurde außerdem in ihrer primären Photodynamik sowohl bei grünem als auch blauem Anregungslicht untersucht. Es zeigte sich in beiden Fällen eine Dynamik, die der des Wildtyps sehr ähnlich ist. Eine Beobachtung unterscheidet sich jedoch wesentlich vom Wildtyp. Das K-Intermediat der E108Q-Mutante scheint nach einigen hundert Pikosekunden zumindest partiell zu zerfallen, woraufhin sich eine Signatur im blauen Spektralbereich bildet. Blitzlichtphotolysemessungen lassen vermuten, dass diese blau absorbierende Species im zwei- bis dreistelligen Nanosekundenbereich wieder zerfallen sein muss.
Der zweite Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit dem Photozerfall von visuellem Rhodopsin. Es ist bekannt, dass die Signaltransduktion durch Wechselwirkung zwischen aktiviertem Rhodopsin und Arrestin unterbunden wird. Im ersten Abschnitt wurde der Einfluss der Arrestin-1-Variante p44 auf die Photodynamik visuellen, bovinen Rhodopsins untersucht. In einer Kooperation mit dem Arbeitskreis Schwalbe (Goethe-Universität Frankfurt am Main) konnte gezeigt werden, dass Arrestin erheblichen Einfluss auf die Zerfallsdynamik von Meta II und Meta III hat. Es wurde festgestellt, dass die Wechselwirkung von p44 mit photoaktiviertem Rhodopsin eine erhöhte Population des Intermediats Meta III bewirkt, mit der Folge einer zweifach langsameren Freisetzungskinetik des all-trans-Retinals. Diese Beobachtung weist auf eine physiologische Rolle des Zustands Meta III in der Retinalhomöostase hin.
Gegenstand einer zweiten Studie mit dem Arbeitskreis Schwalbe ist zum einen die Rhodopsinmutation G90D, die mit kongenitaler (angeborener) stationärer Nachtblindheit zusammenhängt, und zum anderen die Doppelmutation N2C und D282C, die zur Ausbildung einer stabilisierenden Disulfidbrücke zwischen den im extrazellulären Bereich eingeführten Cysteinen führt. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Photodynamik des Wildtyps, der Doppelmutante und der stabilisierten G90D-Mutante (Mutationen G90D, N2C und D282C) sowohl auf einer ultrakurzen Zeitskala als auch auf einer Minutenskala untersucht.
The focus of this research was to understand the molecular mechanism that lies behind the insertion of tail-anchored membrane proteins into the ER membrane of yeast cells. State-of-art instruments such as LILBID, and Cryo-EM, combined with the introduction of direct electron detectors, were used to analyze the proteins that capture tail-anchored proteins near the ER membrane and help their releases from a chaperone, an ATPase named Get3. Get3 escorts TA proteins to the ER membrane, where both Get3 and the TA proteins interact sequentially to Get3 membrane bound receptors Get1 and Get2. Get1 and Get2 are homologs of mammalian WRB and CAML.
The native host was used to separately produce Get1, Get2, and the Get2/Get1 single chain constructs. The studies showed that when Get1 is expressed alone, Get1 does not seems to be located in the ER membrane but rather in microbodies like shape organelles (or peroxisome). Interestingly, Get1 seems to be located in the ER membrane when it is linked to Get2 as single chain construct.
The localization study of Get2/Get1 fused to GFP shows from the fluorescence intensity that Get2/Get1.GFP has a tube-like morphology or membrane-enclosed sacs (cisterna), implying that Get2/Get1 is actually targeted to the ER membrane and is likely functional. In other words, Get1 and Get2 stabilize each other in the ER membrane.
The expression of Get2/Get1 was found to be already optimum when expressed as single chain construct because the fluorescence counts did not improve when additives such as DMSO or histidine were added. However, when Get1 and Get2 are expressed separately, additives improve their protein production yield. In 1 liter culture, Get1 yield is increased by about 3 mg and Get2 by 1.8 mg. This can be explained by the space that Get1 and Get2 should occupy within the ER membrane as they must coexist with other membrane components to maintain the homeostasis of the cell. Hence, if there were no gain for single chain construct expression, it meant that Get2/Get1 was already well expressed on its own in ER membrane and has reached its optimum expression without the help of additives. The Get2/Get1 overexpression is more stable, tolerated and less toxic for the cells to express it at a high level.
DDM has proved to be the best detergent from the detergents tested to solubilize Get1, Get2, and Get2/Get1.
Thereafter, Get1, Get2 (data not shown), and Get2/Get1 were successfully purified in DDM micelles.
Furthermore, for the first time using LILBID, the actual study has shown that Get1 and Get2 are predominantly a heterotetramer (2xGet1 and 2xGet2) but higher oligomerization may exist as well.
Get3 binds to Get1 in a biphasic way with a specific strong binding of an affinity of 57 nM and the second of 740 nM nonspecific indicative of heterogeneity within the interaction between Get1 and Get3. This heterogeneity is caused by the presence of different conformation of either protein. However, in order to characterize a high-resolution structure model of a specific target one needs highly homogenous and identical molecules of the target protein or complex in solution. The homogeneity increases the chances of growing crystals during crystallography as the good homogeneity will likely generate a perfect packing of unit cells stack (also known as crystal lattice) in the three-dimensional spaces. The same truth goes for the single particles analysis Cryo-EM, especially for smaller complexes where having less or no conformation alterations of specific targets will enable the researcher to classify the particles in 2D and 3D, therefore improving the signal-to-noise-ratio that will ultimately lead to high-resolution structure determination.
Get1, Get2/Get1 and chimeric variants (tGet2/Get1, T4l.Get2/Get1, T4l.Get2.apocyte.Get1) were crystallized but none of the crystals could diffract due to heterogeneity.
This heterogeneity was not only occurring upon the binding of Get3 to its membrane receptors, but seems to be already present within the receptors themselves through possibly different conformation.
In this Ph.D. thesis, the heterogeneity of purified Get2 and Get1 as complex or individually in detergent is then, so far, the limiting factor for obtaining a high-resolution structure model of Get1 and Get2. As mentioned above, the heterogeneity observed was not due to the quality of the sample preparation but rather to the effect of different conformations that could have been native, or just because of the micelle used, as it was proven by the 3-D heterogeneity classification by Cryo-EM.
In general, crosslinking is one way to keep the integrity of protein complexes, however it appeared not to improve the sample quality when it was analyzed in micelles. Often the integrity of some membrane proteins is affected when they are solubilized and purified in detergents.
Finally, in this study, the structural map of Get2 and Get1 complex linked with chimeric protein T4 lysozyme and apocytochrome C b562RIL gene was obtained at 10 Å. However, this single chain construct has a density map corresponding to heterodimer species (one Get1 and Get2). Therefore, based on those data the tertiary structure of Get2/Get1 in micelle is poorly defined. It could be that the membrane extraction in DDM and the purification destabilizes the structure of the complex.
Gegenstand der vorliegenden Arbeit sind die Untersuchungen lichtgesteuerter Reaktionen der zwei Retinalproteine Channelrhodopsin-2 (ChR-2) und Proteorhodopsin (PR) mit Hilfe zeitaufgelöster Laserspektroskopie.
Da der Mechanismus der Kanalöffnung des ChR-2 bis heute nicht vollständig aufgeklärt werden konnte, beschäftigt sich diese Arbeit insbesondere mit den Prozessen, die direkt nach der Photoanregung des Retinals stattfinden und die Kanalöffnung vorbereiten. Es wurde dabei gezielt auf für die Funktion des Proteins wichtige Faktoren wie strukturelle Besonderheiten des Chromophors und seiner Umgebung eingegangen und deren Auswirkung auf die Dynamik der Photoreaktionen sowie die Veränderungen im Protein nach der Anregung untersucht.
Zunächst wurden die Ergebnisse der vis-pump-IR-probe-Experimente an ChR-2 im Bereich der Carbonylschwingungsbanden protonierter Glutamat- und Aspartat-Reste dargestellt. Dabei wurde insbesondere die Bildungsdynamik der Differenzbanden in diesem Spektralbereich untersucht und in Anlehnung an die vorhandene Literatur eine Bandenzuordnung der für die Funktion des Proteins wichtigen Aminosäurereste vorgenommen. Aus den Messergebnissen konnte geschlossen werden, dass die mit der Kanalöffnung einhergehenden Konformationsänderungen in ChR-2 durch eine effektive Aufnahme der Überschussenergie durch das Protein auf einer sub-Pikosekunden-Zeitskala vorbereitet werden.
Des Weiteren wurden spektroskopische Untersuchungen an der R120H-Mutante des ChR-2 vorgestellt. Da diese Mutante bei elektrophysiologischen Messungen keine Kanalaktivität zeigte, sollte zunächst geklärt werden, ob die Mutation einen Einfluss auf die Retinalisomerisierung und den nachfolgenden Photozyklus hat. Dabei stellte sich heraus, dass die Retinalisomerisierung bei der R120H-Mutante zwar im Vergleich zum Wildtyp etwas verzögert stattfindet, der Einfluss der Punktmutation auf den weiteren Photozyklus jedoch insgesamt gering ist. Mit Hilfe der Kurzzeit-IR-Spektroskopie im Bereich der Amid I-Schwingung des Proteinrückgrats konnten für die Mutante allerdings signifikante Veränderungen der Bildungsdynamik sowie eine deutliche Abnahme der Amplitude des Amid I-Signals detektiert werden. Anhand weiterer Experimente an den Mutanten E123T und D253N in diesem Spektralbereich konnte anschließend ein Zusammenhang zwischen der Intensität der Amid I-Bande und der Kanalaktivität von ChR-2 festgestellt werden. Diese Ergebnisse ließen somit die Schlussfolgerung zu, dass die Aminosäurereste R120 und D253 eine entscheidende Rolle beim schnellen Transfer der Überschussenergie an das Protein nach der Retinalanregung und der so initiierten Kanalöffnung spielen.
Zusätzlich wurde der Frage nachgegangen, inwieweit Veränderungen am Chromophor die Isomerisierungsreaktion, den nachfolgenden Photozyklus sowie die Funktion des ChR-2 als Ionenkanal beeinflussen können. Zu diesem Zweck wurden spektroskopische Untersuchungen an einem mit 9-12-Phenylretinal (PheRet) rekonstituierten ChR-2 vorgestellt. Es konnte gezeigt werden, dass die Isomerisierung des PheRet zu seiner 13-cis-Form in ChR-2 stark verlangsamt ist und verglichen mit dem nicht modifizierten Chromophor deutlich ineffizienter abläuft. Es wurde außerdem festgestellt, dass die Veränderungen am Retinal zu deutlichen Beeinträchtigungen des Photozyklus führen. Zum einen wurde ein sehr schneller Zerfall des ersten Photoprodukts sowie die Bildung eines zusätzlichen, blauverschobenen Px-Zustands detektiert. Außerdem wurde festgestellt, dass nach der Deprotonierung des isomerisierten PheRet der Großteil der modifizierten Retinale in den Ausgangszustand zurückkehrt und der P3-Zustand nur in geringen Mengen gebildet wird. Die Messergebnisse führten somit zu der Schlussfolgerung, dass die all-trans-Konformation des PheRet in ChR-2 deutlich bevorzugt wird. Da elektrophysiologische Untersuchungen des Retinal-Analogons jodach keine signifikanten Verminderungen der Photoströme im Vergleich zum ATR in ChR-2 zeigten, ließ sich schließlich festhalten, dass die vorgenommenen Veränderungen am Chromophor, die zu einer deutlichen Hemmung der Isomerisierungsreaktion führen und einen starken Einfluss auf den nachfolgenden Photozyklus haben, nicht ausreichend sind, um die Kanalaktivität von ChR-2 komplett zu blockieren, solange noch ein kleiner Anteil der Retinale isomerisieren kann.
Der abschließende Teil der Arbeit beschäftigt sich mit der Absorption des UV-Lichts durch das Retinal mit deprotonierter Schiff-Base im grünabsorbierenden Proteorhodopsin, welches in einem alkalischen Medium im Dunkelzustand akkumuliert werden kann. Die Untersuchungen der Primärreaktion zeigten einen langsamen biexponentiellen Zerfall des angeregten Zustands der UV-absorbierenden Spezies mit anschließender Bildung des 13-cis-Photoprodukts. Aufgrund dieser Ergebnisse konnte ein Reaktionsmodell für die ersten Prozesse nach der UV-Anregung des Retinals im GPR aufgestellt werden, welches möglicherweise für weitere UV-Rezeptoren genutzt werden kann.
The transporter associated with antigen processing (TAP) is a heterodimeric ATP-binding cassette (ABC) transport complex, which selects peptides for export into the endoplasmic reticulum (ER) and subsequent loading onto major histocompatibility complex class I (MHC I) molecules to trigger adaptive immune responses against virally or malignantly transformed cells. Due to its pivotal role in adaptive immunity, TAP is a target for infectious diseases and malignant disorders, such as bare lymphocyte syndrome type I and cancer. A detailed knowledge about the TAP structure and transport mechanism is fundamental for the development of therapies or drugs against such diseases, but numerous aspects are insufficiently determined to date. The aim of this PhD thesis was to elucidate several structural details of TAP using powerful biochemical and biophysical methods and thereby to contribute to the understanding of the translocation machinery functionality.
High protein yields, an efficient isolation from the lipid environment and subsequent purification of a stoichiometric, stable, and functional TAP complex are prerequisites to get detailed insights into TAP functionality. The natural product digitonin is typically used as detergent to isolate TAP, but suffered from fluctuating purity and high costs. The novel detergent GDN was selected from a number of potential detergents upon their ability to isolate and purify TAP overcoming the limitations of digitonin without compromising on functional integrity. State-of-the-art biophysical techniques, such as solid-state nuclear magnetic resonance (NMR), require highly concentrated protein samples. A new and mild procedure to concentrate TAP was established within this thesis. Freeze drying is superior to conventional concentration techniques, such as ultrafiltration, resulting in TAP inactivation and aggregation already at concentrations of 10 mg/mL. This new procedure enables stabilizing TAP in a condensed glycerol matrix and to concentrate the transport complex up to 30 mg/mL active transporter. The functional integrity of the freeze-dried TAP complex was verified by determining equilibrium dissociation constants, peptide dissociation and ATP-hydrolysis rates as well as long-term stabilities identical to untreated TAP. The combined application of the detergent GDN and the freeze drying procedure facilitates the cost-efficient isolation of functional and highly concentrated TAP and enables to study the structure and mechanism of the peptide transporter TAP using modern analyses methods.
Information on peptide-TAP interactions at atomic level have not been obtained so far. This lack of knowledge hampered the mechanistic understanding of the initial steps of substrate translocation catalyzed by TAP. Dynamic nuclear polarization (DNP) enhanced magic angle spinning (MAS) solid-state NMR on highly concentrated TAP samples prepared with the freeze-drying procedure was used within this thesis to study this challenging membrane protein-substrate complex. The affinity and specificity of peptide binding by TAP are mediated by multiple recognition sites in the N- and C-terminal regions. Side-chains of positions 1, 3, and 9 are most substantially affected upon binding to TAP, revealing recognition principles of the translocation machinery. The nonamer peptide binds to TAP in an extended conformation with an N-to-C terminus distance of ~2.5 nm. Molecular docking revealed that the peptide substrate is locked with its N and C termini between TAP1 and TAP2 and adopts a tilted pose with respect to the membrane plane. The identified contact sites of TAP are consistent with results from earlier crosslinking and mutational analyses on the TAP complex.
The inadequate structure determination and insufficient knowledge about the dynamics of substrate translocation impedes a detailed comprehension of the TAP transport mechanism. Advanced biophysical methods, such as pulsed electron paramagnetic resonance (EPR) or single-molecule Förster resonance energy transfer (FRET), enable to locate the peptide-binding pocket and to elucidate dwell-times, conformational states and dynamics within the translocation cycle of TAP. The specific introduction of spin or fluorescent labels via single cysteines for such studies requires a cysteine-less TAP complex. The endogenous cysteine 213 in TAP2 remained to create a pseudo Cys-less TAP complex within this thesis due to its altered substrate repertoire when mutated to serine as shown in previous studies. Latter complex was used to introduce single-Cys mutations in the cytosolic extensions of transmembrane helices of TAP1. Their functional integrity with respect to peptide binding and translocation was comparable to pseudo Cys-less TAP. All pseudo single cysteines were efficiently labeled, but unintentionally C213TAP2 was labeled as well and TAP concomitantly inactivated. These unsatisfactory initial experiments required the generation of a functional, entirely Cys-less TAP transporter within this thesis. Therefore, C213TAP2 was replaced by all 19 proteinogenic amino acids. All analyzed mutants were capable to bind a high-affinity peptide of TAP, but with varying affinities and binding capacities. The replacement of C213 by isoleucine enabled the generation of a cysteine-less TAP complex with functional characteristics similar to the wild-type transporter and will promote the elucidation of the translocation mechanism of the peptide transporter TAP in future studies using pulsed EPR and single-molecule FRET.
Biological membranes separate the cell interior from the outside and have diverse functions from signal transduction, apoptosis to transportations of ions and small molecules in and out of the cell. Most of these functions are fulfilled by proteins incorporated in the membrane. However, lipids as the main component of membrane not only serve as structural element for bilayer formation but they are also directly involved e.g. signalling processes and bilayer properties are important to mediate protein interactions. To fully understand the role of lipids, it is necessary to develop a molecular understanding of how certain membrane components modify bulk bilayer structure and dynamics. Membranes are known to have many different motions in different conditions and time scales. Temperature, pH, water content and many other conditions change membrane dynamics in a high degree. In addition to this, time scales of motions in membranes vary from ns to ms range corresponding to fast motion and slow motion, respectively. Therefore, membranes are needed to be studied systematically by varying the conditions and using methods to investigate motions in various time scales separately. The aim of this study was therefore perform a combined solid-state NMR / molecular dynamics study on model membranes. Different substrates, such as potential drugs, polarizing agents and signaling lipids were incorporated into bilayers and their location within the membrane and their effect onto the membrane was probed. NSAIDs (non-steroidal anti-inflammatory drugs), pirinixic acid derivatives, ceramides and polarizing agents were the substrates for membranes in this study. There were several experimental methods that were applied in order to investigate effects of these substrates on membrane dynamics. Different kind of phospholipids including POPC, DMPC and DPPC were used. In addition to experimental work, with the information gathered from solid state NMR experiments molecular dynamics simulations were performed to obtain more information about the membranes at the molecular level. As a result, combination of solid-state NMR with molecular dynamics simulations provides very systematic way of investigating membrane dynamics in a large range of time scales.
Pirinixic acid derivatives were special interest of this study because of their activity on peroxisome proliferator-activated receptor (PPAR) as an agonist as well as on enzymes of microsomal prostaglandin E2 synthase-1 (PGE2s) -1 and 5-lipoxygenase (5-LO) as dual inhibitor. Two potent pirinixic acid derivatives, 2-(4-chloro-6-(quinolin-6-ylamino)pyrimidin-2-ylthio)octanoic acid (compound 2) and 2-(4-chloro-6-(quinolin-6-ylamino)pyrimidin-2-ylthio)octanoate (compound 3), have been worked and their insertion depts were investigated by combining of solid state NMR and molecular dynamics simulations. Both experimental and theoretical results pointed out that compound 3 was inserted the phospholipid bilayer more deeply than 2. NSAIDs – lipid mixtures have been also studied here. It is known that consumption of NSAIDs as in mixture with lipids results much fewer side effects than consumption of the drugs alone. Thus, it is crucial to understand interactions of NSAIDs with lipids and investigate the possible complex formation of drugs with lipids. In this study, interactions of three widely used NSAIDs, ibuprofen, diclofenac and piroxicam, with DPPC were investigated by solid-state NMR. 1H and 31P NMR results depicted that ibuprofen and diclofenac had interactions with lipids, which is an indication of drug-lipid complex formation whereas piroxicam didn’t show any interactions with lipids suggesting that no complex formation occurred in the case of piroxicam. Ceramides are known to play key roles in many cell processes and many studies showed that the functions of ceramides are related with the ceramide effects on biological membranes. Therefore, in this study, influences of ceramides on biophysics of lipid bilayers were investigated by using various solid state NMR techniques and molecular dynamics simulations. Results from molecular dynamics simulations clearly showed that ceramide and lipids have strong interactions. More evidences about ceramide-lipid interactions were provided from 1H and 14N NMR results. In addition, it was indicated by both simulation and experimental methods that ceramide increased the rigidity of DMPC by increasing chain order parameters. BTbk is a biradical, which is used as polarizing agent for dynamic nuclear polarization (DNP) experiments and found to be more efficient than other widely used polarizing agents such as TOTAPOL. Since it is a hydrophobic compound, which prefers to stay inside lipid bilayer it is important to investigate the location and orientation of bTbk along the bilayer in order to understand its enhancement profile in DNP measurements. In this study, both NMR relaxation time measurements and molecular dynamics simulations revealed that bTbk tends to stay more close to hydrophobic chain of lipids than the interfacial part of lipids at bilayer surface.
In the first part of this work, a brief introduction on lipid membranes as well as a theoretical summary on both methods of solid-state NMR and molecular dynamics simulations is given. Then, in the second part methodology is introduced for both solid-state NMR spectrometer and theoretical calculations. Afterwards, results of different membrane systems are discussed in the following parts for both solid state NMR and MD. Finally, in the last part, a summary and the conclusion of the overall results together with some future plans are explained.
Infections with multidrug resistant bacterial strains like Escherichia coli, Klebsiella pneumoniae, Pseudomonas aeruginosa or Acinetobacter baumanii that can accumulate resistance mechanisms against different groups of drugs cause increasing problems for the health care system. Multidrug efflux pumps are able to transport different classes of substances, providing a basic resistance to different antibiotics. Especially when they are overexpressed they can keep bacterial cells alive under antibiotic pressure unless other high level resistance mechanisms like expression of β-lactamases are established. One example for a clinically relevant multidrug efflux pump is the AcrAB/TolC tripartite system of E. coli, that transports a variety of different substrates, including besides antibiotics dyes, detergents, bile salts and organic compounds from the periplasm or the inner membrane out of the cell. AcrB is the inner membrane component of the protein complex that determines not only the substrate specificity of the tripartite system but energises the transport through the whole system process via proton transduction as well. TolC is the outer membrane spanning protein that forms a pore in the outer membrane enabling the system to transport drugs over the latter out of the cell. The periplasmic membrane fusion protein AcrA connects AcrB and TolC in the periplasm completing the channel from the periplasm, respective the inner membrane to the extracellular space. AcrB assembles as trimers, in asymmetric crystal structures each of the protomers adapts a different conformation designated L(oose), T(ight) and O(pen). In the protomers tunnels open up and collaps in different conformations. In the L protomer a periplasmic cleft opens up that can initially bind substrates to the periplasmic part of AcrB. In the T conformation the deep binding pocket opens that is assumed to bind substrates tightly that were bound to the access pocket before. As well in the T conformation a second pathway leading to the deep binding pocket opens that can guide substrates from a groove between transmembrane helices TM7, TM8 and TM9, the TM8 groove, that is connected with socalled tunnel 1 that ends in the deep binding pocket. In the O conformation a new tunnel opens that connects the collapsing deep binding pocket with the periplasmic space, respective the channel through the periplasmic space formed from AcrA and TolC. Substrates were cocrystallised in access and deep binding pocket verifying their role in substrate transport. In the TM8 groove in high resolution crystal structures DDM molecules were cocrystallised in L and T conformation, indicating that the AcrB substrate DDM may utilise this entrance to the deep binding pocket. The asymmetry observed in the AcrB trimers trongly suggests a peristaltic pump mechanism. The functional rotation cycle demands communication between the subunits and tight control of substrate load of protomers during the transport to optimise the ration between protons that are transduced and substrates transported. Indeed it was shown that AcrB transport mechanism is positively cooperative for some β-lactam substrates. For the communication between the subunits it was assumed that ionic interaction between ion pairs established between charged amino acids at the interfaces of protomers in different conformations are of special importance. Thus the amino acids engaged in ionic interactions, respective ion pairs D73-K131, E130-K110, D174-K110, R168, R259-E734 were substituted with non-charged amino acids pairwise and phenotypes were determined in plate dilution assays and MIC experiments. No evidence for a general, substrate independent, reduction of AcrB activity, that would be expected when the ionic residues are of special importance for AcrB function, could be found with the methods applied. Substitutions were not only combined pairwise according to the putative ion pairs but as well in combinations of R168A with D174N, E130Q and K131M. AcrB activity is reduced for the variant R168A_D174N significantly, activity decreases further for quadruple variant E130Q_K131M_ R168A_D174N. Because the reduced activity is only observed in this combination of substitutions the phenotype must result from accumulation of small effects of the single substitutions. R168A may destabilise the protomer interfaces, as its side chain is oriented in direction to the neighbouring protomer at all interfaces, enhancing substratespecific effects of substitutions E130Q, K131M, D174N that are not in all conformations oriented towards the neighbouring protomer but as well along the substrate transport pathway. Further investigations to figure out the details of the effects observed were not conducted because fluctuating expression of the variants hindered experimental procedures.
In another approach TM8 was in focus of the interest. As mentioned above it is a possible substrate entrance in the inner membrane. The linker between TM8 and the periplasmic PC2 subdomain undergoes a coil-to-helix transition when AcrB cycles through L, T and O conformations. Linking the transmembrane part of AcrB that provides the energy for the transport process via proton transduction with the periplasmic part harbouring the major part of the substrate pathway assignes TM8 and the periplasmic linker (859-876) an important role in the function of AcrB. Thus it was investigated with an alanine-scan of residues 859 to 884 and G/P respective P/G exchange followed by phenotype characterisation in growth curve and plate dilution assays of selected variants. In the phenotype determinations none of the variants, except G861P that seems to cause massive sterical restriction in an α-helical region, displayed a general, substrate independent decrease of AcrB activity. Thus it is concluded that the individual properties of amino acids in TM8 and the periplasmic linker are not of general importance for the mechanism of AcrB. The substitution of individual amino acids had impact on uptake of different substrates in plate dilution assays in a substrate dependent manner. The uptake of some substrates, like erythromycin or chloramphenicol is more affected than that of others with rhodamine 6G resistance being only reduced for the G861P variant. A relation between the PSA of substrates and reduced activity of AcrB was observed. in Substrates with higher PSA values are more affected by substitutions in TM8 or periplasmic linker, resulting in the conclusion that substrates with higher PSA are more likely to be taken up via the TM8 groove/tunnel 1 pathway than those with lower PSA values.