Refine
Document Type
- Doctoral Thesis (18)
Has Fulltext
- yes (18)
Is part of the Bibliography
- no (18)
Keywords
- Antigen carrier (1)
- Binding kinetic (1)
- Fatty acid synthases (1)
- Flavin homeostasis (1)
- Polyketide synthases (1)
- Protein engineering (1)
- Zweiphotonen-Anregung (1)
- chemistry education (1)
- information literacy (1)
- photolabile Schutzgruppen (1)
Institute
- Biochemie, Chemie und Pharmazie (18) (remove)
Protein biosynthesis is a conserved process, essential for life. Proteins are assembled from single amino acids according to their genetic blueprint in the form of a messenger ribonucleic acid (mRNA). Peptide bond formation is catalyzed by ancient ribonucleic acid (RNA) residues within the supramolecular ribosomal complex, which is organized in two dynamic subunits (Ramakrishnan, 2014). Each subunit comprises large ribosomal RNA (rRNA) molecules and several dozens of peripheral proteins. mRNA translation has been divided into three phases, namely translation initiation, elongation and termination in biochemistry textbooks. During initiation, the ribosomal subunits assemble into a functional ribosome on an activated mRNA and acquire the first transfer RNA (tRNA), an adapter between the start codon on the mRNA and the N-terminal methionine of the protein (Hinnebusch and Lorsch, 2012). During elongation, the ribosome translocates along the mRNA exposing one codon after the other, and amino acids are delivered to the ribosome by the respective tRNAs, and attached to the nascent polypeptide chain. During termination, the polypeptide is released and the ribosome remains loaded with mRNA and tRNA at the end of the open reading frame for the translated gene (Hellen, 2018). Bacterial ribosomes are subsequently recycled by a specific ribosome recycling factor and the small ribosomal subunit is simultaneously consigned to initiation factors for a next round of translation – rendering bacterial translation as a cyclic process with an additional ribosome recycling phase. However, the process of ribosome recycling remained enigmatic in Eukarya and Archaea until the simultaneous discovery of the twin-ATPase ABCE1 as the major ribosome recycling factor. Strikingly, ABCE1 has initially been shown to participate in translation initiation (Nürenberg and Tampé, 2013). Thus, closing the translation cycle by revealing the detailed molecular mechanism of ABCE1 and its role for translation initiation are the two goals of this research.
Beyond the plenitude of well-studied translational GTPases, ABCE1 is the only essential factor energized by ATP, delivering the energy for ribosome splitting via two nucleotide-binding sites. Here, I define how allosterically coupled ATP binding and hydrolysis events in ABCE1 empower ribosome recycling. ATP occlusion in the low-turnover control site II promotes formation of the pre-splitting complex and facilitates ATP engagement in the high-turnover site I, which in turn drives the structural re- organization required for ribosome splitting. ATP hydrolysis and ensuing release of ABCE1 from the small subunit terminate the post-splitting complex. Thus, ABCE1 runs through an allosterically coupled cycle of closure and opening at both sites consistent with a processive clamp model. This study delineates the inner mechanics of ABCE1 and reveals why various ABCE1 mutants lead to defects in cell homeostasis, growth, and differentiation (Nürenberg-Goloub et al., 2018).
Additionally, a high-resolution cryo-electron microscopy (EM) structure of the archaeal post-splitting complex was obtained, revealing a central macromolecular assembly at the crossover of ribosome recycling and translation initiation. Conserved interactions between ABCE1 and the small ribosomal subunit resemble the eukaryotic complex (Heuer et al., 2017). The conformational state of ABCE1 at the post-splitting complex confirms the molecular mechanism of ribosome recycling uncovered in this study. Moving further along the reaction coordinate of cellular translation, I reconstitute the complete archaeal translation initiation pathway and show that essential archaeal initiation factors are recruited to the post-splitting complex by biochemical methods and cryo-EM structures at intermediate resolution. Thus, the archaeal translation cycle is closed, following its bacterial model and paving the way for a deeper understanding of protein biosynthesis.
Die chemischen und physikalischen Eigenschaften eines Festkörpers sind vom inneren Aufbau des Festkörpers abhängig. Die Methode der Wahl zur Bestimmung von Kristallstrukturen sind Beugungsexperimente. Fehlordnungen in den Kristallstrukturen werden mit Beugungsexperimenten häufig nur unzureichend ausgewertet oder ignoriert. In dieser Arbeit wurden die (möglichen) Stapelfehlordnungen der Aminosäuren DL-Norleucin und DL-Methionin, sowie von Chloro (phthalocyaninato)aluminium(III) untersucht. Dazu wurden Gitterenergieminimierungen mit Kraftfeld- und quantenchemischen Methoden an einem Satz geordneter Modellstrukturen durchgeführt.
In den Kristallstrukturen der α- und β-Phasen von DL-Norleucin ordnen sich die Moleküle in Doppelschichten an und bilden jeweils eine Schichtstruktur mit unterschiedlicher Stapelsequenz. Röntgenbeugungsexperimente an Kristallen dieser Verbindung zeigen charakteristische diffuse Streuung. Die durchgeführten Gitterenergieminimierungen reproduzieren die experimentelle Stabilitätenreihenfolge der beiden Polymorphe von DL-Norleucin. Die berechneten Gitterenergien zeigen, dass es für DL-Norleucin bevorzugte Stapelsequenzen gibt. Die Gitterenergien und Molekülstrukturen einer einzelnen Doppelschicht sind dabei von der Anordnung benachbarter Doppelschichten abhängig. Zudem wurden Strukturmodelle mit Stapelsequenzen aufgebaut, die aus kristallographischer Sicht möglich sind, jedoch experimentell nicht beobachtet wurden, und deren Gitterenergie berechnet. Diese Stapelsequenzen liefern im Vergleich zu den energetisch günstigsten Stapelsequenzen einen signifikanten Energieverlust und treten daher selten auf. Ausgehend von den Ergebnissen der Gitterenergieminimierungen mit DFT-D-Methoden wurden Stapelwahrscheinlichkeiten mit Hilfe der Boltzmann-Statistik berechnet. Es wurde ein großes geordnetes Modell mit einer Stapelsequenz gemäß der Stapelwahrscheinlichkeiten aufgebaut. Dieses Modell wurde verwendet, um Beugungsexperimente zu simulieren und mit experimentellen Daten zu vergleichen. Die theoretischen und experimentellen Beugungsdaten waren in guter Übereinstimmung.
Die Moleküle in den Kristallstrukturen der α- und β-Phasen von DL-Methionin bilden Doppelschichten. Die beiden Phasen unterscheiden sich in der Stapelung der Doppelschichten und der Molekülkonformation. Es wurden Gitterenergieminimierungen sowohl mit Kraftfeld-Methoden als auch mit DFT-DMethoden an geordneten Modellen mit unterschiedlichen Stapelsequenzendurchgeführt. Die experimentell bestimmte Stabilitätenreihenfolge der Polymorphe von DL-Methionin bei tiefen Temperaturen wurde durch die Ergebnisse der kraftfeldbasierten Rechnungen reproduziert. Die Modellstrukturen wurden während den Rechnungen moderat verzerrt. Die Bandbreite der relativen Energien aller Modelle ist relativ gering, sodass eine Stapelfehlordnung aus thermodynamischer Sicht nicht ausgeschlossen werden kann. In der Regel liefern Gitterenergieminimierungen mit DFT-D Methoden genauere Ergebnisse. Die Modellstrukturen wurden während den Rechnungen nur leicht verzerrt. Allerdings unterscheidet sich das Energieranking zwischen den Kraftfeld- und DFT-D-Methoden deutlich. Die experimentell bestimmte Stabilitätenreihenfolge der Polymorphe von DL-Methionin wurde mit DFT-D-Methoden nicht reproduziert. Die Energieunterschiede zwischen den beiden Polymorphen (ΔE = 1,60 kJ∙mol−1 (DFT-D2) bzw. ΔE = 0,83 kJ∙mol−1 (DFT-D3)) sind relativ gering und liegen im Fehlerbereich der Methode. Die Bandbreite der relativen Energien aller Strukturmodelle beträgt nur etwa 1,8 kJ∙mol−1. Auf dieser Grundlage ist eine Stapelfehlordnung in den Kristallstrukturen von DL-Methionin möglich, jedoch nicht experimentell beobachtet. Nicht nur die Kraftfeld-,sondern auch die DFT-D-Methoden scheinen für die Berechnung der Gitterenergien für das System DL-Methionin nicht genügend genau zu sein. Die erhaltenen relativen Energien sollten daher mit Vorsicht betrachtet werden.
Chloro(phthalocyaninato)aluminium(III) (AlPcCl) bildet eine Schichtstruktur, in der sich die Moleküle zu Doppelschichten zusammenlagern. Die 1984 durchgeführte Kristallstrukturbestimmung [98] lieferte auf Grund der schlechten Datenqualität nur eine ungenaue Kristallstruktur. Die asymmetrische Einheit enthält zwei Moleküle, von denen das eine Molekül geordnet, das andere fehlgeordnet ist. Die Kristallstruktur von AlPcCl ist fehlgeordnet, weil eine einzelne Doppelschicht von Molekülen eine tetragonale P4/n-Symmetrie aufweist, die vier symmetrieäquivalente Möglichkeiten bietet, eine zweite Doppelschicht auf einer ersten Doppelschicht zu platzieren. Mit Hilfe der OD-Theorie wurde ein Satz geordneter Modelle mit verschiedenen Stapelsequenzen aufgestellt und die Gitterenergie zunächst mit Kraftfeld-Methoden und anschließend mit DFT-DMethoden berechnet. Auf Grund unzureichender Parametrisierung, musste das Kraftfeld an das System AlPcCl angepasst werden. Die Modellstrukturen werden während den Kraftfeld-Rechnungen nur leicht verzerrt. Die berechneten Gitterenergien hängen allerdings stark von der verwendeten Parametrisierung und den Atomladungen ab und sollten daher mit Vorsicht betrachtet werden. Genauere Ergebnisse erzielten Gitterenergieminimierungen mit DFT-D-Methoden. Die verschiedenen Stapelsequenzen haben eine ähnliche Energie, was die Stapelfehlordnung in der Kristallstruktur von AlPcCl erklärt. Die Überlagerung der vier energetisch günstigsten geordneten Stapelsequenzen führt zu einer gemittelten Struktur, die sehr gut die fehlgeordnete experimentelle Kristallstruktur von AlPcCl erklärt.
Ziel dieser Doktorarbeit war es, die Bedeutung der Kristallstrukturbestimmung aus Pulverdaten (SDPD) herauszuarbeiten und etwaige Grenzen durch neue Methodenentwicklungen zu erweitern, insbesondere bei Analyse der Paarverteilungsfunktion (PDF).
Die Effizienz der SDPD konnte anhand der erfolgreich gelösten Kristallstruktur von Carmustin (1,3 Bis-2-chlorethyl-1-nitrosoharnstoff, C5H9Cl2N3O2) aufgezeigt werden. [CS01]
Die Grenzen der SDPD wurden ausgelotet und erfolgreich erweitert. Nach weit verbreiteter kristallographischer Meinung ist die Strukturlösung mittels des simulierten Temperns (simulated annealing, SA) bei mehr als 25 zu bestimmenden Parametern problematisch oder unmöglich. Die pharmazeutischen Salze Lamivudin-Camphersulfonat (LC) und Aminogluthethimid-Camphersulfonat (AC) konnten, trotz ihrer hohen Anzahl an Freiheitsgraden von 31 für LC bzw. 37 für AC erfolgreich bestimmt werden. Die Strukturlösung von AC war herausfordernd und nicht direkt bei Anwendung der SA-Methode möglich. Nach einer intensiven Fehleranalyse stellte sich heraus, dass nicht die Grenzen der SA-Methode ausschlaggebend für das anfängliche Scheitern der Strukturlösung waren, sondern falsch extrahierte Intensitäten des vorangegangenen Pawley-Fits. Nach Behebung dieser Fehlerquelle war die Strukturlösung von AC problemlos. [CS02]
Mittels SDPD kann die absolute Konfiguration chiraler Verbindungen nicht direkt bestimmt werden. Durch Kristallisation der zu bestimmenden chiralen Verbindung mit einem chiralen Gegenion bekannter Konformation in einer simplen Säure-Base-Reaktion zu einem diastereomeren Salz und nachfolgender SDPD konnte eine neue Methode entwickelt werden, um die Konfigurationsbestimmung aus Pulverdaten zu ermöglichen. Diese Methode wurde anhand der drei pharmazeutischen Salze (R)-Flurbiprofen-(R)-Chinin (FQ), (2R5S)-Lamivudin-(R)-Camphersulfonat (LC) und (R)-Aminogluthethimid-(R)-Camphersulfonat (AC) aufgezeigt: In allen drei Fällen konnte die korrekte Konfiguration des pharmazeutischen Wirkstoffes mit den hierfür entwickelten Kriterien erfolgreich bestimmt werden. [CS03, CS04]
Durch Kombination der klassischen SDPD mit neuen methodischen Ansätzen konnten die Kristallstrukturen der schlecht kristallinen organischen Pigmente 2-Monomethylchinacridon (MMC, C21H14N2O2) und 4,11-Difluorchinacridon (DFC, C20H10N2O2F2) bestimmt werden, obwohl aufgrund ihrer geringen Kristallqualität keine sinnvolle Indizierung möglich war.
Für die Kristallstrukturbestimmung von DFC lieferte der neu entwickelte Global-Fit des Programms FIDEL mögliche Strukturmodelle mit ähnlich guter Übereinstimmung an das experimentelle Pulverdiagramm. Die Rietveld-Verfeinerung der Strukturmodelle in Kombination mit der Anpassung der Kristallstruktur an die PDF-Daten und kraftfeldbasierter Gitterenergieminimierung konnte einen geeigneten Strukturrepräsentanten von DFC liefern. [CS05, CS06]
Im Fall von MMC war eine Kombination der Methoden von Rietveld-Verfeinerung, Verfeinerung an die PDF-Daten und Gitterenergieminimierung zielführend zur Bestimmung der Orientierungs-Fehlordnung von MMC im Kristall. MMC ist hierbei die erste organische Verbindung, deren Fehlordnung durch Anpassung an die PDF bestimmt werden konnte. [CS07]
Große Erfolge konnten bei der Methodenentwicklung der PDF-Analyse erzielt werden. Die Bestimmung von Kristallstruktur organischer Verbindungen durch Anpassung an die PDF ohne vorherige Kenntnis der Gitterparameter oder Raumgruppe wurde durch die Entwicklung des PDF-Global-Fits erreicht. Lediglich die PDF-Kurve und eine Molekülstruktur werden als Input benötigt. Die Strukturlösung beruht auf einem globalen Optimierungs-Ansatz, bei welchem in ausgewählten Raumgruppen Zufallsstrukturen erzeugt werden. Die Zufallsstrukturen werden mit den experi¬mentellen Daten verglichen und entsprechend ihres Ähnlichkeitsindexes, basierend auf der Kreuz-Korrelation, sortiert. [CS08, CS09] Die vielversprechendsten Kandidaten werden in einem einge¬schränkten simulierten annealing-Ansatz an die experimentelle PDF angepasst. Eine nachfolgende Strukturverfeinerung der besten Strukturmodelle liefert die korrekte Kristallstruktur. Der Erfolg des PDF-Global-Fits wurde am Beispiel der Barbitursäure aufgezeigt: Ausgehend von 300 000 Zufallsstrukturen konnte die korrekte Kristallstruktur von Barbitursäure bestimmt werden. Barbitursäure ist hierdurch die erste organische Verbindung, deren Lokalstruktur durch Anpassung an die PDF bestimmt wurde, ohne Input oder Vorgabe von Gitterparametern oder Raumgruppe.[CS10]
In this thesis, we characterized megasynthases such as fatty acid synthases (FASs) and polyketide synthases. The obtained insights into structure and function were used to engineer such systems to produce new-to-nature compounds.
The in vitro characterization of megasynthases requires reproducible access to these enzymes in high quality. Therefore, we established purification strategies for the yeast FAS and the methylsalicylic acid synthase (MSAS) from Saccharopolyspora erythraea (SerMSAS) and applied the latter one on MSAS from Penicillium patulum (PenPaMSAS) and on 6-deoxyerythronolide B synthase (DEBS) module 6. With the purified samples, we were able to obtain initial structural data for SerMSAS and solve the complete structure of the yeast FAS (PDB: 6TA1). On the example of the yeast FAS, we could show that the sample can suffer from adsorption to the water-air interface during the grid preparation for electron microscopy and presented how the use of graphene-based grids can overcome this problem. The combined structural and functional analysis of the yeast FAS showed that the structural domains trimerization module and dimerization module 2 are not essential for the assembly of the whole system. Therefore, they can potentially be used for domain exchange approaches. The in-depth functional analysis of SerMSAS revealed that not SerMSAS itself releases the product, but a 3-oxoacyl-(acyl-carrier protein) synthase like enzyme within the gene cluster transfers 6-methyl salicylic acid from SerMSAS to another carrier protein for subsequent modifications. In contrast, we showed that PenPaMSAS can release its product by hydrolysis and that non-native substrates can be incorporated although at significantly slower turnover rates compared to the native starter substrate. Our further investigation demonstrated that the substrate specificity of the acyltransferase (AT) is a critical factor for the incorporation of non-native substrates.
With the insight from the functional and structural characterization, we engineered megasynthases for the biosynthesis of natural product derivatives. We targeted the AT of PenPaMSAS for active site mutagenesis and discovered a mutant which can transfer non-native substrates significantly faster (~200-300%). Additionally, the malonyl/acetyl transferase (MAT) of the mammalian FAS was used as a promising target for protein engineering because of its previously reported properties including polyspecificity, fast transfer kinetics, robustness, and plasticity. We showed that the MAT can transfer fluorinated substrates and accept the acyl carrier protein of DEBS module 6. By exchanging the substrate specific AT of DEBS with the polyspecific MAT of the mammalian FAS, we demonstrated an efficient DEBS/FAS hybrid and an optimal truncation site for the applied ATs. In contrast to the wild type system, the DEBS/FAS enzyme was able to synthesize demethylated and fluorinated derivatives. The production and purification of a fluoro-methyl-disubstituted polyketide was of particular interest, as it has a high potential for the generation of new drugs and shows the potential of protein engineering. Furthermore, the incorporation of the disubstituted substrate had important implication in the mechanistic details of the ketosynthase-mediated C-C bond formation.
Polyketide synthases (PKSs) are large megaenzymes that occur in bacteria, fungi, and plants and produce polyketides, a class of secondary metabolites. Many polyketide natural products exhibit high biological activities e.g. as antibiotics or anti-fungal compounds. The modular architecture of assembly line PKSs makes them exciting targets for engineering approaches via the exchange of whole modules or single domains. Although many engineering attempts have been pursued over the last three decades, the resulting chimeric PKSs often exhibit decreased turnover rates or diminished product yields.
In this thesis, new approaches to engineer chimeric PKSs were explored, each targeting a different aspect of the chimeric system: First the relative contribution of protein-protein and protein-substrate recognition on the turnover of chimeric PKS was assessed, revealing the importance of protein-protein interactions between the acyl carrier protein (ACP) and the ketosynthase (KS) domain in the chain translocation step. Directed evolution experiments followed to optimize the protein-protein interaction across a chimeric interface. Additionally, different junction sites for the generation of chimeric PKSs were compared, showing the ability for recombination without interfering with the chain translocation reaction, and highlighting the use of SYNZIP domains to bridge PKS modules. To optimize chimeric PKSs even further, multipoint mutagenesis of KS domains was established, with positive effects on the activity of chimeric systems.
To support engineering attempts, several structure elucidation techniques were combined with in silico modeling to characterize the architecture of a PKS module and the domain-domain interactions within it. Preliminary results show a strong conformational flexibility of the PKS module and the great potential of these techniques to define the multitude of transient interactions in PKS modules.
Um molekulare Mechanismen in biologischen Prozessen zu verstehen, ist es unerlässlich biologisch aktive Verbindungen zu kontrollieren. Dabei spielt besonders die Aktivierung bzw. Desaktivierung von Genabschnitten eine zentrale Rolle in der gegenwärtigen chemischen, biologischen und medizinischen Forschung. Nukleinsäuren sind dabei offenkundige Zielmoleküle, da sie die Genexpression auf unterster Ebene regulieren und auf vielfältige Art und Weise an biologischen Prozessen beteiligt sind. Um solch eine genaue Steuerung zu erreichen, werden Nukleinsäuren häufig photolabil modifiziert und unter die Kontrolle von Licht gebracht. Da hochentwickelte Technologien es erlauben Photonen bestimmter Energie unter präziser räumlicher und zeitlicher Auflösung zu dosieren, ist Licht als nicht invasives Triggersignal ein besonders geeignetes Werkzeug um molekulare Prozesse zu kontrollieren.
Die Verwendung photolabiler Schutzgruppen („cage“) ermöglicht es, diese lichtaktivierbaren Nukleinsäuren („caged compound“) herzustellen. Üblicherweise werden Oligonukleotide damit an funktionsbestimmenden Stellen versehen, woraufhin die Funktion der Oligonukleotide unterdrückt wird. Die biologische Aktivität kann durch Bestrahlung mit Licht wieder hergestellt werden, da die photolabile Schutzgruppe durch den Lichtimpuls abgespalten wird. Neben der zeitweiligen Maskierung der Nukleinsäureaktivität existiert auch eine Methode, die als „photoaktivierbarer Strangbruch“ (‘‘caged strand break‘‘) bezeichnet wird. Dabei werden mit Hilfe von photolabilen Linkern (‘‘Verknüpfer‘‘) lichtinduzierte Strangbrüche in Oligonukleotiden ausgelöst, um so beispielsweise die Struktur eines Nukleinsäurestrangs zu zerstören. Die Idee der photoaktivierbaren Strangbrüche ist nicht neu, dennoch werden photolabile Schutzgruppen überwiegend nach der erstgenannten Strategie verwendet. Im Rahmen dieses Promotionsvorhabens wurden neue photosensitive Linkerbausteine für Oligonukleotide entwickelt und hergestellt, welche sich vor allem im Hinblick auf die Anwendbarkeit in lebenden biologischen Systemen von den bisherigen photolabilen Linkern unterscheiden.
Im ersten Projekt wurde ein nicht-nukleosidischer, photolabiler Linker, basierend auf dem Cumaringrundgerüst, entwickelt. Das Ziel war hier, vor allem, einen zweiphotonenaktiven Linker für biologische Anwendungen und Zweiphotonen-Fragestellungen nutzbar zu machen. Bisherige Zweiphotonen-Linker konnten hauptsächlich nur für Proteinverknüpfungen bzw. Neurotransmitter verwendet werden oder mussten chemisch umständlich (z.B. Click-Chemie) und postsynthetisch in Oligonukleotide eingeführt werden. Der neu entwickelte Zweiphotonen-Linker wurde als Phosphoramiditbaustein für die Oligonukelotid-Festphasensynthese synthetisiert, was einen problemlosen und automatisierten Einbau garantiert. Mit einem modifizierten Oligonukleotid konnten die photochemischen Eigenschaften des Linkers bestimmt und mit Hilfe eines fluoreszenzbasierten Verdrängungsassays und Lasertechniken der Zweiphotonen-Effekt visualisiert werden. Dazu wurde ein Hairpin-DNA-Strang hergestellt, welcher eine Linkermodifikation im Bereich der Loopregion enthält. Durch eine Thiolmodifikation am 5‘-Ende des Oligonukleotidstranges war es möglich, diesen in einem Maleimid-funktionalisierten Hydrogel zu fixieren. Ein DNA-Duplex mit einem Fluorophor/Quencherpaar und einer korrespondierenden Sequenz zum modifizierten Hairpin-Strang wurde ebenfalls dem System zugegeben, allerdings wurde dieser nicht fixiert, um Diffusion zu ermöglichen. Durch die räumliche Nähe des Fluorophors zum Quencher konnte im unbelichteten Zustand zunächst keine Fluoreszenz gemessen werden. Mit einem (Femtosekunden-)gepulsten Laser und dem damit verbundenen Bindungsbruch im Hairpin-Strang durch Zweiphotonen-Effekte wurde es dem fluoreszierenden Strang des DNA-Duplex ermöglicht, sich vom Quencher-Strang zu lösen und an den fixierten Strang zu hybridisieren. Das Photolyse-Ereignis konnte so in ein lokales Fluoreszenzsignal übersetzt und detektiert werden.
Der eindeutige Beweis, dass es sich tatsächlich um ein Zweiphotonen-induziertes Ereignis handelt, konnte durch die dreidimensional aufgelöste Photolyse und über die quadratische Anhängigkeit des Fluoreszenzsignals von der eingestrahlten Laserleistung erbracht werden.
Die generelle Kompatibilität des Cumarin-Linkers mit biologischen Systemen konnte in Zellkulturexperimenten gezeigt werden. Dazu wurde eine Transkriptionsfaktor-DNA Decoy-Strategie entwickelt, in der Linker-modifizierte DNA Decoys an regulatorische Transkriptionsfaktoren binden und diese aber auch photochemisch wieder freisetzen können („catch and release-Strategie“). Zellkulturexperimente, um mit dieser Methode das Transkriptionsfaktor-gesteuerte und endogene Gen für Cyclooxygenase-2 (COX2) zu regulieren, lieferten keine aussagekräftigen Ergebnisse. Daher wurden die verwendeten Zellen dahingehend manipuliert, sodass sie das Protein GFP (grün fluoreszierendes Protein) in Abhängigkeit von der Anwesenheit eines Transkriptionsfaktors exprimieren. Das so durch die Zellen verursachte Fluoreszenzsignal steht in direkter Abhängigkeit zur Decoy-Aktivität. Mit Hilfe modifizierter GFP-Decoys konnte hierbei eine Regulation auf Transkriptionsebene in biologischen Organismen erreicht werden. Mit dem Electrophoretic Mobility Shift Assay (EMSA), einer molekularbiologischen in vitro-Analysetechnik, wurden die Interaktionen zwischen modifizierten Decoys und dem Transkriptionsfaktor untersucht.
...
The composition of cellular membranes is extremely complex and the mechanisms underlying their homeostasis are poorly understood. Organelles within a eukaryotic cell require a non-random distribution of membrane lipids and a tight regulation of the membrane lipid composition is a prerequisite for the maintenance of specific organellar functions. Physical membrane properties such as bilayer thickness, lipid packing density and surface charge are governed by the lipid composition and change gradually from the early to the late secretory pathway. As the endoplasmic reticulum (ER) is situated at the beginning of the cells secretory pathway, it has to accept and accommodate a great variety and quantity of secretory and transmembrane proteins, which enter the ER on their way to their final cellular destination. Secretory proteins can be translocated into the lumen of the ER co- or posttanslationally and membrane proteins are being inserted and released into the ER membrane. In the oxidative milieu of the ER-lumen, supported by a variety of chaperones, proteins can fold into their native form.
If the folding capacity of the ER-lumen is exceeded, an accumulation of mis- or unfolded proteins in the lumen of the ER occurs, consequently triggering the unfolded protein response (UPR). This highly conserved program activates a wide-spread transcriptional response to restore protein folding homeostasis. In fact, 7 – 8% of all genes in the yeast Saccharomyces cerevisiae (S. cerevisiae) are regulated by the UPR. The mechanism underlying the activation of the UPR by protein folding stress has been investigated thoroughly in the last decades and many of its mechanistic details have been elucidated. Recently, it became evident that aberrant lipid compositions of the ER membrane, collectively referred to as lipid bilayer stress, are equally potent in activating the UPR. The underlying molecular mechanism of this membrane-activated UPR, however, remained unclear.
This study focuses on the UPR in S. cerevisiae and characterizes the inositol requiring enzyme 1 (Ire1) as the sole UPR sensor in S. cerevisiae. Active Ire1 forms oligomers and, collaboratively with the tRNA ligase Rlg1, splices immature mRNA of the transcription factor HAC1, which results in the synthesis of mature HAC1 mRNA and the production of the active Hac1 protein, which binds to UPR-elements in the nucleus and activates the expression of UPR target genes. Here, the combination of in vivo and in vitro experiments is being used, which is supplemented by molecular dynamics (MD) simulations performed by Roberto Covino and Gerhard Hummer (MPI for Biophysics, Frankfurt), aiming to identify the molecular mechanism of Ire1 activation by lipid bilayer stress. This study focuses on the analysis of the juxta- and transmembrane region of Ire1. Bioinformatic analyses revealed a putative ER-lumenal amphipathic helix (AH) N-terminally of and partially overlapping with the transmembrane helix (TMH). This predicted AH contains a large hydrophobic face, which inserts into the ER membrane, forcing the TMH into a tilted orientation within the membrane. The resulting unusual architecture of Ire1’s AH and TMH constitutes a unique structural element required for the activation of Ire1 by lipid bilayer stress.
To investigate the function of the AH in the physiological context, different variants of Ire1 were produced under the control of their endogenous promoter and from their endogenous locus. The functional role of the AH was tested, by disrupting its amphipathic character by the introduction of charged residues into the hydrophobic face of the AH. The role of a conserved negative residue between the TMH and the AH (E540 in S. cerevisiae) was tested by substituting it by a unipolar, polar, or positively charged residue. These variants were intensively characterized using a series of assays:
This thesis provides evidence that the AH is crucial for the function of Ire1: Mutant variants with a disrupted (F531R, V535R) or otherwise modified AH (E540A) exhibited a lower degree of oligomerization and failed to catalyze the splicing of the HAC1 mRNA as the Wildtype control. Likewise, the induction of PDI1, a target gene of the UPR, was greatly reduced in mutants with a disrupted or defective AH. These data revealed an important functional role of the AH for normal Ire1 function.
An in vitro system was established to analyze the membrane-mediated oligomerization of Ire1. This system enabled the isolated functional analysis of the AH and TMH during Ire1 activation by lipid bilayer stress. A fusion construct, coding for the maltose binding protein (MBP) from Escherichia coli (E. coli), N-terminally to the AH and TMH of Ire1 was produced. The heterologous production in E. coli, the purification and reconstitution of this minimal sensor of Ire1 in liposomes was established as part of this study. To analyze the oligomeric status of the minimal sensor in different lipid environments, continuous wave electron paramagnetic resonance (cwEPR) spectroscopic experiments were performed. These experiments revealed that the molecular packing density of the lipids had a significant influence of the oligomerization of the spin-labeled membrane sensor: increasing packing densities resulted in sensor oligomerization. The AH-disruptive F531R mutant, in which the amphipathic character of the AH was destroyed, showed no membrane-sensitive changes in its oligomerization status.
Thus, the activation of Ire1 by lipid bilayer stress is achieved by a membrane-based mechanism. According to the current model, the AH induces a local membrane compression by inserting its large hydrophobic face into the membrane. As membrane thickness and acyl chain order are interconnected, this compression simultaneously results in an increased local disordering of lipid acyl chains. Supporting MD simulations performed by Roberto Covino and Gerhard Hummer revealed that the bilayer compression is significantly more pronounced in a densely packed lipid environment, than in a lipid environment of lower lipid packing density. Hence, the energetic cost of the local compression increases with the packing density of the membrane, but is compensated for by the oligomerization of Ire1. This minimization of energetic cost induced by the membrane deformation of Ire1 forms the basis for the activation of Ire1 by lipid bilayer stress.
Natural products are valuable sources for biologically active compounds, which can be utilized as pharmaceuticals. Thereby, the synthesis is based purely on biosynthetic grounds often conducted by so-called megaenzymes. One major biosynthetic pathway is the acetate pathway including polyketide and fatty acid synthesis, which encompass one of the largest classes of chemically diverse natural products. These have medicinal relevance due to their antibacterial, antifungal, anthelmintic, immunosuppressive and antitumor properties.
Due to the high structural and functional similarity between polyketide synthases and type I animal fatty acid synthases (FASs), FAS can serve as a paradigm for the whole class of multifunctional enzymes. To fully exploit the biosynthetic potential of FASs, a good access to the enzyme is of essential importance. In this regard, Escherichia coli remains an unchallenged heterologous host due to low culturing costs, particularly fast mutagenesis cycles and relatively easy handling. Surprisingly, no sufficient expression strategy for an animal FAS in E. coli has yet been reported, as it turned out that the only approach was not reproducible.
We commenced our analysis with searching for an appropriate FAS homolog that fulfills our requirements of high protein quality, sufficient yield and ensured functionality. After extensive screening of different variants, culturing conditions and co-expression strategies, we identified the murine FAS (mFAS) as our protein of choice. The established purification strategy using tags at both termini led to a reproducible and sufficient access to the protein in excellent quality. The enzyme was further biochemically characterized including an enzyme kinetic investigation of fatty acid synthesis and an examination whether different acyl-CoA substrates can serve as priming units. This adds mFAS to our repertoire of manageable megaenzymes paving the way to exploit the catalytic efficiency in regards of microbial custom-compound synthesis.
With a strong focus on deepening our understanding of the working mode of such megaenzymes, rather than analyzing respective biosynthetic products, we have addressed the question whether mFAS itself can be engineered towards PKSs or whether properties of mFAS can be exploited to engineer PKSs. This approach was conducted on three levels of complexity from function of individual domains via organization of domains to form modules to the interplay of two modules in bimodular constructs.
Fatty acid synthesis begins with the loading of acyl moieties onto the FAS, which is conducted by a domain called malonyl-/acetyltransferase (MAT). This domain was in-depth characterized due to its important role of choosing the substrates that are built in the final compound. Our analysis comprised structural and functional aspects providing crystal structures of two different acyl-bound states and kinetic parameters for the hydrolysis and transacylation reaction using twelve exemplary CoA-esters. For this purpose, we have successfully established a continuous fluorometric assay using the α-ketoglutarate dehydrogenase as a coupled enzyme, which converts the liberated coenzyme A into Nicotinamide adenine dinucleotide. These data revealed an extensive substrate ambiguity of the MAT domain, which had not been reported to that extent before. Further, we could demonstrate that the fold fulfills both criteria for the evolvability of an enzyme by expressing MAT in different structural arrangements (robustness) and by altering the substrate ambiguity within a mutagenesis study (plasticity). Taken these aspects together, we are persuaded that the MAT domain can serve as a versatile tool for PKSs engineering in potential FAS/PKS hybrid systems.
On the higher level of complexity, we investigated the architectural variability of the mFAS fold, which constitutes a fundamental basis for a broader biosynthetic application. We could rebuild all four module types occurring in typical modular PKSs confirming a high degree of modularity within the fold. Not only structural, but also functional integrity of these modules was validated by using triacetic acid lactone formation and ketoreductase activity. Especially the latter analysis, made it possible to quantify effects of the engineering within the processing part by respective enzyme kinetic parameters. Expanding our focus beyond a singular module, we have utilized the mFAS fold for designing up to 380 kDa large bimodular constructs. In this approach, a loading didomain was attached N-terminally containing an additional MAT and acyl carrier protein (ACP) domain. Two constructs could be expressed and purified in excellent quality to investigate the influence of an altered overall architecture on fatty acid synthesis. By comparison with appropriate controls, a functional effect of the additional loading module could indeed be proven in the bimodular systems. Those constructs allow a comprehensive analysis of the underlying molecular mechanism in the future and serve as a potential model system to study the transition from iterative to vectorial polyketide synthesis in vitro.
Polyketides are highly valuable natural products, which are widely used as pharmaceuticals due to their beneficial characteristics, comprising antibacterial, antifungal, immunosuppressive, and antitumor properties, among others. Their biosynthesis is performed by large and complex multiproteins, the polyketide synthases (PKSs). This study solely focuses on the class of type I PKSs, which arrange all their enzymatic domains on one or more polypeptides. Despite their high medical value, little is known about mechanistic details in PKSs.
One central domain is the acyl transferase (AT), which is present in all PKSs and channels small acyl substrates into the enzyme. More precisely, the AT loads the substrates onto the essential acyl carrier protein (ACP), which subsequently shuttles the substrates and all intermediates for condensation and modification to additional domains to build the final polyketide.
Some PKSs use their domains several times during biosynthesis and work iteratively – these are called iterative PKSs. Others feature several sets of domains, each being used only once during biosynthesis – these PKSs are called modular PKSs. All PKSs or PKS modules consist of minimum three essential domains to connect the acyl substrates. Three modifying domains are optional and can enlarge the minimal set. According to the domain composition, the acyl substrate is fully reduced, partly reduced, or not reduced at all. This variation of modifying domains accounts for the huge structural and therefore functional variety of polyketides.
Even though the structure of fatty acids is not exactly reminiscent of polyketides, their biosynthetic pathways are closely related. Fatty acid biosynthesis is carried out by fatty acid synthases (FASs), which share many similarities with PKSs. Both megasynthases feature the same domains, performing the same reactions to connect and modify small acyl substrates. In contrast to PKSs, FASs always contain one full set of modifying domains which is used iteratively, leading to fully reduced fatty acids.
The present thesis extensively analyzes the AT of different PKSs in its substrate selectivity, AT-ACP domain-domain interaction, and enzymatic kinetic properties. The following key findings are revealed through comparison: 1.) ATs of PKSs appear slower than the ones of FASs, which may reflect the different scopes of biosynthetic pathways. Fatty acids as essential compounds in all organisms are needed in high amounts for physiological functions, whereas polyketides as secondary metabolites only require basal concentrations to take effect. 2.) The slower ATs from modular PKSs do not load non-native substrates even in absence of the native substrates. This is different to the faster ATs from iterative PKSs and FASs, which indicates high substrate specificity solely for the ATs from modular PKSs and emphasizes their role as gatekeepers in polyketide synthesis. 3.) The substrate selectivity can emerge in either the first or the second step of the AT-mediated ACP loading and is not assured by a hydrolytic proofreading function.
Moreover, a mutational study on the AT-ACP interaction in the modular PKS 6-deoxyerythronolide B synthase (DEBS) shows that single surface point mutations can influence AT-mediated reactions in a complex manner. Data reveals high enzyme kinetic plasticity of the AT-ACP interaction, which was also recently demonstrated for the interaction in a type II FAS.
Based on these findings, the mammalian FAS is engineered towards a modular PKS-like as- sembly line with the long-term goal to rationally synthesize new products. Basically, three important aspects need to be considered: 1.) AT’s loading needs to be splitted in specific loading of a priming substrate by a priming AT and in specific loading of an elongation substrate by an elongation AT. 2.) FAS-based elongation modules need to be designed with varying domain compositions for introducing functional groups in the product. 3.) Covalent and non-covalent linkers need to be designed for connection of priming and elongation modules.
This study focuses on the first aspect, splitting loading of priming and elongation substrates. An elongation substrate-specific AT is installed in the mammalian FAS via domain swapping. Since ATs from modular PKSs were proven to be substrate specific, these are used to exchange the mammalian FAS AT. This work demonstrates that it is extremely challenging to create stable and functional chimeras, but first essential steps are taken. Proper domain boundaries for AT swapping are established and a stable chimera with 70 % wild type AT activity is created. However, this chimera is only of limited value for application in an elongation module due to the intrinsic slow turnover rate of the wild type AT. Using another PKS AT, a stable elongation module is designed and analyzed in its activity in combination with a priming module. These experiments demonstrate that the loading of priming substrates are successfully suppressed in the elongation module, but nonetheless only minor turnover rates are detected in the assembly line.
...