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Die Atmungskette in der inneren Membran der Mitochondrien besteht aus fünf großen Enzymkomplexen. Die NADH-Dehydrogenase (I), Succinat-Dehydrogenase (II, indirekt), Cytochrom c-Reduktase (III) und Cytochrom c-Oxidase (IV) nutzen die Energie aus Elektronentransfers zum Aufbau eines Protonengradienten über die innere Mitochondrienmembran. Dieser wird anschließend von der FOF1-ATP-Synthase (V) als Energiequelle zur Phospho-rylierung von ADP verwendet. Für lange Zeit bestand eine Kontroverse, wie diese Proteine in der Membran organisiert sind. Nach dem „random collision“-Modell diffundieren sie frei als Einzelmoleküle und treffen sich nur zufällig, während sie nach dem „solid state“-Modell größere funktionelle Einheiten bilden. In den letzten Jahren gab es vermehrt Hinweise darauf, dass das letztere Modell das zutreffendere ist, da tatsächlich sogenannte Superkomplexe der Atmungskette in aktiver Form isoliert werden konnten. Schließlich konnte 2007 die erste drei-dimensionale Rekonstruktion eines Superkomplexes, bestehend aus Komplex I, dimerem Komplex III und Komplex IV publiziert werden. Aufgrund der Einschränkungen der verwendeten Negativkontrasttechnik hatte dieses Modell allerdings nur eine niedrige Auflösung und repräsentierte durch die Dehydrierung keinen nativen Zustand. Dadurch ließen sich die Strukturen der einzelnen Komplexe nur ungenau einpassen. Um diese Probleme zu umgehen, sollte eine Struktur unter Kryo-Bedingungen rekonstruiert werden. Um die für Kryo-EM benötigte größere Ausbeute und höhere Konzentration zu erzielen, wurde ein neues Reinigungsprotokoll für die Superkomplexe etabliert. Die wesentlichen Punkte darin sind der Austausch des für die Solubilisierung verwendeten Digitonins durch Amphipol A8-35 mittels ?-Cyclodextrin und eine anschließende Dichtegradienten-Ultrazentrifugation. Im BN-PAGE zeigten die auf diese Art gereinigten Superkomplexe das gleiche Banden- und Aktivitätsmuster wie Proben in Digitonin. Auch bei einer Einzelpartikelanalyse nach Negativ-kontrastfärbung konnten keine Unterschiede festgestellt werden und die Partikel zeigten ähnliche Orientierungen wie in der vorherigen Studie. Einige neue Ansichten ließen sich jedoch nicht zuordnen und stellten eventuell eine Verunreinigung mit größeren Superkomplexen dar. Da auch bei der Reinigung mit Amphipol die Proteinkonzentration letztlich nicht wesentlich erhöht werden konnte und sich die Superkomplexe nicht wie für Kryo-EM erforderlich in einen löchrigen Kohlefilm einlagerten, wurden die Proteine auf einem durchgehenden Kohlefilm in einer dünnen Pufferschicht vitrifiziert. Die dabei zu beobachtenden bevorzugten Orientierungen, sollten auch die Unterscheidung von verschiedenen Populationen von Superkomplexen erleichtern. Eine erste 3D-Rekonstruktion wurde mit Hilfe der „random conical tilt“-Methode errechnet. Dieses Modell wurde durch „projection matching“ bis zu einer Auflösung von 19 Å verfeinert, womit die Auflösung fast doppelt so hoch ist, wie bei der Rekonstruktion aus Negativ-kontrastfärbung (36 Å). Die Struktur repräsentiert einen natürlichen Zustand des Proteins und zeigt Details wie einzelne Domänen, Spalten zwischen Domänen und eine starke Krümmung des Membranarms von Komplex I, die zuvor nicht erkenn-bar waren. Die Amphipole bilden einen Gürtel um den Transmembranbereich. Die Röntgenstrukturen von Komplex I, III2 und IV konnten mit großer Präzision in die Dichtekarte eingepasst werden. Die wenigen kleinen Unterschiede zwischen Röntgenstrukturen und EM-Dichtekarte sind auf leichte Konformations-änderungen zurückzuführen. Die Kryo-EM-Rekonstruktion ist erheblich größer als die Rekonstruktion aus Negativfärbung, wodurch die enthaltenen Komplexe nur noch wenige punktuelle Kontakte haben. In den Zwischenräumen könnte eine spezielle Lipidumgebung die kleinen Elektronenüberträger Ubichinon und Cytochrom c in den Superkomplex integrieren. Ihre Bindestellen sind jeweils zueinander orientiert und die geringen Abstände, die zum ersten Mal bestimmt werden konnten, stützen die Hypothese eines gerichteten Substrattransfers über kurze Entfernungen. Von den möglichen Übertragungswegen scheint der kürzere mit weniger Transferreaktionen bevorzugt zu werden. Während der Entwicklung des neuen Reinigungsprotokolls für die Superkomplexe konnte zusätzlich eine neue Methode zur Rekonstitution von Membranproteinen entwickelt werden. Die solubilisierten Proteine werden dabei in Dichtegradienten mit steigenden Konzentrationen von ansolubilisierten Liposomen und Cyclodextrin zentrifugiert, wodurch ihnen langsam das Detergens entzogen und durch Lipid ersetzt wird. Proteoliposomen werden gleichzeitig von überschüssigem Lipid und Cyclodextrin-Detergens-Komplexen getrennt.
Natrium/Protonen-Austauscher sind integrale Proteine biologischer Membranen und aufgrund ihrer funktionalen Abhängigkeit von einem elektrochemischen Gradienten der Klasse der Sekundärtransporter zugeordnet. Sie spielen eine essentielle Rolle sowohl in der Adaption von Bakterien an eine saline, alkalische Umgebung, als auch in der Regulation des intrazellulären pH- und Natriumhaushalts in Eukaryonten. Aufgrund der medizinischen Relevanz, unter anderem im Rahmen in der Behandlung des Herzinfarkts, besteht großes Interesse an der Struktur und den biochemischen Charakteristika des im Menschen ubiquitär vorkommenden Natrium/Protonen-Austauschers NHE1. Die heterologe und funktional aktive Produktion eukaryontischer Membranproteine stellt jedoch immer noch eine enorme Herausforderung dar, bei der sich das auf dem Semliki Forest Virus basierende Expressionssystem als gut geeignet erwiesen hat. Da die Überexpression von NHE1 mittels verschiedener eukaryontischer Expressionssysteme bisher kein kristallisationsfähiges Material liefern konnte, sollte in dieser Arbeit die heterologe Gewinnung von NHE1 mit dem Semliki Forest Virus Expressionssystem ermöglicht werden. Das Semliki Forest Virus Expressionssystem wurde auf Basis eines Vektorkonstrukts mit GFP zur späteren Übertragung der Parameter auf die Produktion von NHE1 etabliert. Konstrukte von NHE1 mit N- und C-terminalem Affinitäts-Tag wurden erfolgreich kloniert und zur Infektion von BHK-21 Zellkulturen eingesetzt. Dabei konnte beobachtet werden, dass der N-Terminus abgespalten wird und wahrscheinlich als Signalpeptid zum Einbau in die Membran dient. Das Protein wurde im Endoplasmatischen Retikulum lokalisiert, wo die Glykosylierung zum Transport in die Plasmamembran unterbleibt, was auf eine Interferenz mit der Virusinfektion zurückgeführt wurde. Eine Infektion der Zellen mit dem Semliki Forest Virus hat neben einem bereits bekannten massiven Anstieg des intrazellulären Natriumgehalts eine starke Alkalinisierung des Zytoplasma zur Folge. Ähnliches ist bisher über die Infektion von Zellen mit dem Poliovirus bekannt und stellt dort ein Schlüsselelement in der Sicherstellung der viralen Replikation dar, was auch für das Semliki Forest Virus zu gelten scheint. Die Expression von NHE1 konnte im 8 Liter-Maßstab optimiert und sowohl die Präparation als auch die Solubilisierung mit verschiedenen Detergenzien erfolgreich eingeführt werden. NHE1 erfährt jedoch bereits in vivo einen erheblichen proteolytischen Abbau, der sich während der Membranpräparation und Aufreinigung fortsetzt und zu einer Fragmentierung führt, die trotz des Einsatzes unterschiedlicher Kultivierungszeiten, Detergenzien, Additive oder Proteaseinhibitoren in vivo als auch in vitro nicht in einem Maße reduziert werden konnte, welches zur Gewinnung von kristallisationsfähigem Material erforderlich gewesen wäre. Es muss empfohlen werden einen in vivo Ansatz zu etablieren, um die proteolytische Degradation zu unterdrücken. Da die Virusreplikation nicht erforderlich ist, wäre Bafilomycin als Inhibitor der V-Typ ATPase geeignet, um die intrazelluläre Alkalinisierung und somit wahrscheinlich den Abbau von NHE1 zu verhindern. Ebenso erscheint der Einsatz von MG-132 zur spezifischen Inhibierung des Proteasoms Erfolg versprechend, was aber wegen hoher Kosten praktisch kaum in Frage kommt. Da man trotz individuell gelagerter Unterschiede zwischen den einzelnen Natrium/Protonen-Austauschern von einem ähnlichen Prinzip in Regulation und Transport ausgeht, wurden Strukturuntersuchungen mit Hilfe der Kryo-Elektronenmikroskopie am bakteriellen Natrium/Protonen-Antiporter NhaA aus Escherichia coli durchgeführt, um die strukturelle Basis der pH-Wahrnehmung und die Translokation von Natrium in das Periplasma besser zu verstehen. Die vorliegende Röntgen- und EM-Struktur repräsentieren den inaktiven Zustand, weshalb der eigentliche Ablauf des Transportvorgangs bisher biochemisch herzuleiten war, da bislang keine Kristalle im aktiven Zustand gezüchtet werden konnten. Durch die in situ Inkubation von 2D-Kristallen konnten aktive Zustände des Proteins direkt auf dem EM-Netz induziert und kryo-elektronenmikroskopisch festgehalten werden. Einzelne Datensätzen wiesen Reflexe bis zu 5 Å auf. Aus den angefertigten Projektionsdichte- und Differenzkarten ergaben sich pH- und Natrium-abhängige Konformationsänderungen. Die Röntgenstruktur wurde mit Hilfe des Molekularen Ersatzes in die EM-Struktur eingepasst und diente der Zuordnung und Interpretation der beobachteten Zustände als Basis. Die pH-abhängige Konformationsänderung wurde einem mit der funktional wichtigen Helix 9 assoziierten Bereich zugeordnet, welcher durch die Röntgenstruktur nicht definiert ist und wahrscheinlich die fehlenden Aminosäuren des regulatorisch relevanten N-Terminus enthält. Die beobachtete Konformationsänderung stellt das Entstehen einer besser geordneten Struktur dar und geht mit der pH-regulierten Aktivierung von NhaA zwischen pH 6 und 7 einher, weshalb dieser Bereich des Proteins zumindest als Bestandteil des sogenannten pH-Sensors betrachtet werden kann. Nach der vollständigen Aktivierung durch den pH-Wert, welche der folgenden Natrium-abhängigen Konformationsänderung vorauslaufen muss, konnte beobachtet werden, dass die Präsenz von Natrium im Rahmen der Ionentranslokation eine Bewegung des periplasmatischen Teils von Helix 4 induziert. Es wäre interessant, eine tiefergehende und genauere Charakterisierung der beobachteten Konformationsänderungen durch die Erstellung einer dreidimensionalen EM-Dichtekarte zu ermöglichen. Des Weiteren hat die eingehendere Untersuchung des röntgenkristallographischen Monomers nach der Einpassung in das physiologisch vorliegende Dimer der EM-Struktur sowohl eine für Membranproteine neuartige „Joint β-Sheet“ Dimerisierungsdomäne im Periplasma, als auch eine Verzahnung von Helix 7 und 9 an der Monomer-Monomer-Grenze aufgezeigt. Diesen Charakteristika kommt wahrscheinlich eine tragende Rolle in der Dimerisierung von NhaA zu, was durch weitere Untersuchungen im Rahmen einer Mutagenesestudie unter Einbeziehung der periplasmatischen β-Haarnadelstrukturen überprüft werden sollte.
The light-harvesting complex of photosystem II (LHC-II) is the major antenna complex in plant photosynthesis. It accounts for roughly 30% of the total protein in plant chloroplasts, which makes it arguably the most abundant membrane protein on Earth, and binds about half of plant chlorophyll (Chl). The complex assembles as a trimer in the thylakoid membrane and binds a total of 54 pigment molecules, including 24 Chl a, 18 Chl b, 6 lutein (Lut), 3 neoxanthin (Neo) and 3 violaxanthin (Vio). LHC-II has five key roles in plant photosynthesis. It: (1) harvests sunlight and transmits excitation energy to the reaction centres of photosystems II and I, (2) regulates the amount of excitation energy reaching each of the two photosystems, (3) has a structural role in the architecture of the photosynthetic supercomplexes, (4) contributes to the tight appression of thylakoid membranes in chloroplast grana, and (5) protects the photosynthetic apparatus from photo damage by non photochemical quenching (NPQ). A major fraction of NPQ is accounted for its energy-dependent component qE. Despite being critical for plant survival and having been studied for decades, the exact details of how excess absorbed light energy is dissipated under qE conditions remain enigmatic. Today it is accepted that qE is regulated by the magnitude of the pH gradient (ΔpH) across the thylakoid membrane. It is also well documented that the drop in pH in the thylakoid lumen during high-light conditions activates the enzyme violaxanthin de-epoxidase (VDE), which converts the carotenoid Vio into zeaxanthin (Zea) as part of the xanthophyll cycle. Additionally, studies with Arabidopsis mutants revealed that the photosystem II subunit PsbS is necessary for qE. How these physiological responses switch LHC-II from the active, energy transmitting to the quenched, energy-dissipating state, in which the solar energy is not transmitted to the photosystems but instead dissipated as heat, remains unclear and is the subject of this thesis. From the results obtained during this doctoral work, five main conclusions can be drawn concerning the mechanism of qE: 1. Substitution of Vio by Zea in LHC-II is not sufficient for efficient dissipation of excess excitation energy. 2. Aggregation quenching of LHC-II does not require Vio, Neo nor a specific Chl pair. 3. With one exception, the pigment structure in LHC-II is rigid. 4. The two X-ray structures of LHC-II show the same energy transmitting state of the complex. 5. Crystalline LHC-II resembles the complex in the thylakoid membrane. Models of the aggregation quenching mechanism in vitro and the qE mechanism in vivo are presented as a corollary of this doctoral work. LHC-II aggregation quenching in vitro is attributed to the formation of energy sinks on the periphery of LHC-II through random interaction with other trimers, free pigments or impurities. A similar but unrelated process is proposed to occur in the thylakoid membrane, by which excess excitation energy is dissipated upon specific interaction between LHC-II and a PsbS monomer carrying Zea. At the end of this thesis, an innovative experimental model for the analysis of all key aspects of qE is proposed in order to finally solve the qE enigma, one of the last unresolved problems in photosynthesis research.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden zum Vergleich die Strukturen der ATP-Synthasen von Arabidopsis thaliana, Asparagus officinalis, Allium cepa, Helianthus annus, Solanum tuberosum, Bos taurus und Saccharomyces cerevisiae gelöst. Die ATP-Synthase von S. cerevisiae konnte mit einer Auflösung von 19 Å gelöst werden. Der Winkel zwischen den zwei ATP-Synthase-Monomeren in dem ATP-Synthase-Dimer hatte für jede Spezies einen bestimmten Wert. Dieser Winkel änderte sich innerhalb einer Spezies nur wenig im Gegensatz zu Untersuchungen mit Einzelpartikelanalyse.
Die ATP-Synthase-Dimere aus den untersuchten Spezies besitzen unterschiedliche Winkel zwischen 78˚ und 122˚. Der Winkel des ATP-Synthase-Dimers aus S. tuberosum (122˚) viel größer als der in anderen Pflanzen (~98˚), B. taurus (105˚) und S. cerevisiae (78˚). Die Proben von S. tuberosum und B. taurus waren jedoch dünner, was den Winkel eventuell beeinflussen könnte. Um dies auszuschließen müssen in Zukunft weitere Untersuchungen durchgeführt werden.
Des Weiteren wurde im peripheren Stiel der ATP-Synthasen von allen Pflanzenspezies eine Dichte entdeckt, die in B. taurus und S. cerevisiae nicht vorhanden ist. Die Dichte könnte durch eine zusätzliche Untereinheit oder veränderte Untereinheit im Vergleich zu B. taurus und S. cerevisiae kommen.
Weiterhin wurde die Bildung von Reihen aus ATP-Synthase-Dimeren untersucht. Es wurden ATP-Synthase-Dimere von Polytomella sp. gereinigt und in Lipid rekonstituiert. Es wurde das ATP-Synthase-Dimer von Polytomella sp. verwendet, da dieses besonders stabil ist und während der Reinigung nicht zum ATP-Synthase-Monomer zerfällt. Zur Rekonstitution wurde die milde GRecon-Methode verwendet. Hierbei werden Membranproteine in einem Zuckergradienten gleichzeitig in Lipid rekonstituiert und nach ihrer Dichte getrennt. Abhängig von der Dichte der Proteoliposomen ist die Konzentration an Membranproteinen unterschiedlich. In Proteoliposomen mit einer hohen Konzentration bilden sich dünne Schichten in denen die ATP-Synthase-Dimeren Zickzack-Muster formen. Dies deutet darauf hin, dass das ATP-Synthase-Dimer die Membran verformt. In Proteoliposomen mit einer niedrigeren Konzentration an ATP-Synthase-Dimeren wurden runde Vesikel detektiert, in denen die ATP-Synthase-Dimere lange Reihen bilden und die Membran innerhalb jedes ATP-Synthase-Dimer ebenfalls verformt ist. Molekulare Simulationen bestätigen dieses Ergebnis.
Zudem wurde das ATP-Synthase-Dimer in zwei verschiedene Lipide ohne Cardiolipin rekonstituiert, da Cardiolipin ein Lipid ist welches in der bakteriellen und mitochondrialen Membran gefunden wurde und in hohen Konzentrationen in Membrankrümmungen lokalisiert ist (Huang et al., 2006), wie auch die ATP-Synthase-Dimere. Ohne Cardiolipin ist die Rekonstitution nicht geglückt beziehungsweise sind die ATP-Synthase-Dimere weniger gut zueinander angeordnet. Das deutet auf die Wichtigkeit von Cardiolipin in der Stabilisierung der Reihen von ATP-Synthase-Dimeren hin. Weitere Experimente mit verschiedenen ATP-Synthase-Dimeren in verschiedenen Lipiden sind nötig um dies zu untermauern.
Ein weiteres Ziel dieser Arbeit war es ein klonierbares Label zu etablieren, um ein bestimmtes Protein in Kryo-Elektronentomogramme zu identifizieren. Das Label sollte klein sein, um das zu identifizierbare Protein nicht zu beeinflussen und groß genug um in Kryo-Elektronentomogramme identifizierbar zu sein. In Einzelbildern wurde das 6 kDa große Metallothionein gebunden mit Gold identifiziert, wenn zwei Metallothioneine an dem gewünschten Protein kloniert wurden. Metallothionein besteht zu 33 % aus Cysteinen, welche Schwermetalle binden.
In meinen Studien habe ich bewiesen, dass drei Metallothioneine, gebunden mit Gold, in Kryo-Elektronentomogramme detektiert werden können. Jedoch tritt bei der Verwendung von Metallothionein durch die hohe Anzahl an Cysteinen vermehrt Aggregation auf. Bei meinen Untersuchungen fand ich heraus, dass auch das Maltose-Binde-Protein (MBP) ein Signal gleicher Intensität erzeugt. Durch Verwendung von MBP tritt aber keine Aggregation auf und man kann MBP auch zum Reinigen des Proteins verwenden.
Diese Arbeit ist ein detaillierter Bericht über die Forschungsaktivitäten, die ich während meiner Promotion am Max-Planck-Institut für Biophysik durchgeführt habe. Mit dem Aufkommen der direkten Elektronendetektoren erlebte die Transmissionselektronenmikroskopie von gefrorenen hydratisierten Proben (Kryo-EM) einen epochalen Wandel, die sogenannte “Auflösungsrevolution”. Ab den 2010er Jahren ermöglichte die Kommerzialisierung der ersten direkten Detektoren die Erforschung biologischer Phänomene in beispiellosem Detail und machte Kryo-EM zu einer der leistungsstärksten (und gefragtesten) Forschungsmethoden in den Biowissenschaften. Meine Forschung konzentrierte sich auf die Verwendung der Elektronen-Kryotomographie, um zwei herausfordernde Ziele zu erreichen. Das erste bestand darin, die Denaturierung von Proteinen an der Luft-Wasser-Grenzfläche zu untersuchen, und das zweite die molekulare Landschaft eines lichtempfindlichen Chloroplastenvorläufers, des Etioplasten, zu beschreiben. Um die Relevanz, Herausforderungen und Auswirkungen meiner Arbeit zu vermitteln, habe ich diese Arbeit in drei Kapitel unterteilt.
Kapitel eins enthält eine Einführung in die Transmission-Elektronenmikroskopie.
Nach einer kurzen Zusammenfassung der historischen Meilensteine in der Disziplin beschreibe ich die wesentlichen Komponenten des TEM und deren Funktionsweise. Hier lege ich besonderen Wert auf die Struktur elektromagnetischer Linsensysteme, wie sie den Weg der Elektronen beim Durchlaufen der Säule beeinflussen und wie Bilder entstehen. Der hardwarebezogene Teil der Einführung wird durch eine vereinfachte Beschreibung der Elektronendetektoren abgeschlossen, in der ich die revolutionären Aspekte der direkten Elektronendetektoren, mit der Struktur und Funktion von CCD-Detektoren (Charge Coupled Device detector) vergleiche. Als nächstes konzentriere ich mich auf die theoretischen Prinzipien der Bilderzeugung. Um die Hauptphänomene im Zusammenhang mit der Bildqualität in TEM hervorzuheben, stelle ich grundlegende Konzepte wie den Einfluss von Elektronenenergie und optischen Aberrationen vor, gefolgt von einer ausführlicheren Beschreibung des Ursprungs von Kontrast und Rauschen. Der Unterabschnitt schließt mit einigen Überlegungen darüber, wie - und vor allem wie effizient - Detektoren kontinuierliche Elektronenwellen in diskrete Bereiche (Pixel) abtasten. Der folgende Unterabschnitt ist der Erfassung und Verarbeitung tomografischer Daten gewidmet. Hier gebe ich eine vereinfachte Beschreibung, wie Kippserien mit dem Mikroskop erfasst werden und wie die Rohdaten zu einer dreidimensionalen Darstellung der Probe verarbeitet werden. Der Einfluss der Neigungsgeometrie und der Dosisverteilung auf die Rekonstruktionsqualität wird ebenfalls diskutiert. Der zweite Teil des Unterabschnitts befasst sich mit der Strukturbestimmung durch Subtomogramm-Mittelung und der Errechnung der Auflösung von Kryo-EM-Rekonstruktion. Zuletzt schließe ich das Kapitel mit einer Beschreibung der Vorbereitung biologischer Proben für die Kryo-EM-Bildgebung mit einigen abschließenden Bemerkungen zur Dynamik und den Grenzen der Vitrifizierung ab.
Kapitel zwei folgt dem Thema der Kryo-Präparation biologischer Proben mit der Untersuchung der Denaturierung von Proteinen an der Luft-Wasser-Grenzfläche.
Im Einführungsabschnitt skizziere ich die wichtigsten Aspekte dieses Phänomens. Frühe Experimente zum Verhalten von Proteinen in Lösung zeigten ihre Neigung, aus der Lösung zu ihrer Grenzfläche mit der Atmosphäre zu diffundieren. Hier bilden sie meist unlösliche Schichten denaturierter Fibrillen Es wurde vorgeschlagen, dass die Korrelation zwischen Proteindenaturierung und Kontakt mit der Grenzfläche auf einen allmählichen Entfaltungsprozess zurückzuführen ist, bei dem Tausende von Wechselwirkungen pro Sekunde zu einer immer größeren strukturellen Schädigung führen würden. Ein direkter Beweis für diesen Mechanismus wurde jedoch nie dokumentiert. Um einen tieferen Einblick in die Dynamik an der Luft-Wasser-Grenzfläche zu erhalten, sammelte ich Kryotomogramme vitrifizierter Präparate der Fettsäuresynthase (FAS, Fatty Acid Synthase) aus Hefe. Im ersten Unterabschnitt der Ergebnisse beschreibe ich, wie die biochemische und Negativkontrastierung-TEM-Analyse von FAS-Fraktionen zeigte, dass der Komplex während des gesamten Reinigungsverfahrens intakt und katalytisch aktiv blieb. Nach der Vitrifizierung ergab die Einzelpartikelanalyse jedoch, dass 90% aller Komplexe stark beschädigt waren. Die tomographische Rekonstruktion derselben Proben zeigte, dass alle FAS-Komplexe an die Luft-Wasser-Grenzfläche gebunden waren. Die Seite des Moleküls, die der Grenzfläche ausgesetzt war, schien abgeflacht zu sein, während die Seite, in der wässrigen Phase, ihre native Struktur beibehielt. Die Mittelung der Subtomogramme bestätigte, dass eine Seite von fast 90% der Partikel stark beschädigt war. Durch den Vergleich der Ausrichtung dieser beschädigten Seite mit der Position eines Rechenmodells der Luft-Wasser-Grenzfläche konnte ich nachweisen, dass sie perfekt übereinstimmen, was den ersten direkten Beweis dafür liefert, dass die Wechselwirkung mit der Luft-Wasser-Grenzfläche die lokale Denaturierung großer Proteinkomplexe herbeiführt.
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Membrane proteins are a diverse group of proteins that serve a multitude of purposes with one of the most important ones being transport. All kinds of substrates are shuffled over biological membranes with the help of dedicated proteins enabling the transport along and against a concentration gradient. Within the group of actively transporting proteins a diverse set of proteins that rely on an electrochemical gradient to facilitate transport of a substrate against its concentration gradient can be found. Those so-called secondary active
transporters are a group on integral membrane proteins ubiquitous to all cells. They allow the transport of all kinds of substrates like nutrients, ions, other metabolites and drugs over the hydrophobic barrier created by the cellular and organellar membrane. The gradients that provide the main driving force for most of the transporters are either sodium ions or protons, although transporters utilizing other ions or organic compounds are found as well. In case of exchangers two very similar substrates are transported in opposing direction over the membrane, one against its electrochemical gradient driven by the other.
Along with a structural diversity of the transporters concerning overall shape, oligomerization and number of transmembrane elements comes a mechanistic variety though still following the principle of alternating access. In humans the malfunction of secondary active transporters can lead to a physiological disorders such as epilepsy, depression or obesity.
The focus of this thesis was the structural and functional characterization of the secondary active transporter SeCitS from Salmonella enterica, a symporter of the 2-hydroxycarboxylate family. The transport of citrate as a bivalent ion is facilitated by the flux of sodium ions that have an inward-facing gradient over the inner membrane of Salmonella enterica. Transport experiments showed that the transport ratio is two sodium ions per citrate molecule, netting in an electroneutral transport. Compared to other members of the family the specificity of the transporter towards its main substrate is very high.
Structural information on the protein was initially obtained through 2D electron crystallography, which allowed the identification of the oval shaped dimer and a first hint towards a significant conformational change that the protein undergoes during its transport cycle. Using 3D crystallography, the X-ray structure of the transporter was solved. The protein crystalizes as a stable, but conformationally asymmetric dimer. As bound citrate can be readily identified in both protomers they can be assigned into an outward- and an inward-facing conformation, with the main citrate binding site in the outward-facing conformation.
One interesting feature of the crystal structure was the large surface available for multimerization, providing a platform for tight dimerization of the two protomers. On the other hand, SeCitS did not show a true cooperativity of transport. With those two aspects taken into account the question arose if any potential crosstalk between the monomers within the dimer takes place and influences transport (negative cooperativity) or the conformational distribution within the dimer (stabilization of the protein within the membrane).
The functional approach in answering this question was the use of mutated variants of the protein for cross-linking within one monomer. Two residues were chosen respectively to lock one of either conformation to be able to test for transport activity in the remaining protomer. The suitability of the residues was derived from the crystal structure (D112 – R205 to lock the inward-facing conformation and L337 – S412 for the outward-facing conformation). After initial promising results the final variants were not stable enough to be analyzed in transport assays.
To analyze the distribution of relative conformations within the dimer the protein was reconstituted into native-like lipid environment such as nanodiscs or saposin nanoparticles to be analyzed by cryo-electron microscopy. The first images were recorded and did yield promising 2D classes where the general features of the transporter were identified. Yet, an improved preparation is required to obtain a high resolution structure.
The key functional aspects of a transporter are its ability to bind and transport its substrates. In a set of experiments those features were investigated by a radioligand transport assay and by isothermal titration calorimetry (ITC). The transport properties of the protein were assessed in a filter assay using a radioactively labeled citrate as a read-out. The protein was reconstituted into proteoliposomes and subjected to different substrate conditions. Different ions were tested in its ability to drive or inhibit transport, but only sodium ions were able to drive transport and also not hindered by the presence of other ions...
The universal biological energy currency adenosine triphosphate (ATP) is synthesized by the F1Fo-ATP synthase in most living organisms. The overall structure and function of F-type ATPases is conserved in the different organisms. The F1Fo-ATP synthase consist of two domains; the soluble F1 complex has the subunit stoichiometry α3β3γδε and the membrane embedded Fo complex consists of subunits ab2c10-15 in its simplest form found in bacteria. F1 and Fo both function as reversible rotary motors that are connected by a central stalk (γε) and a peripheral stalk (b2δ).
For ATP synthesis, the electrochemical energy formed by a proton or sodium ion gradient is required. The ion translocation across the Fo subcomplex induces torque in the motor part of the enzyme (cnγε), which causes conformational changes in the α3β3 domain leading to ATP synthesis from ADP and inorganic phosphate (Pi) catalyzed in the β-subunits. ATP hydrolysis causes a reverse torque in the Fo subcomplex triggering uphill ion translocation from cytoplasm to periplasm, and the enzyme functions as an ion pump.
The ATP synthesis mechanism is well understood, since several high-resolution structures of F1 are available. In contrast, the ion translocation mechanism across the membrane, mediated by the Fo subcomplex, is not understood in its structural detail.
Subunit a and the c-ring form an ion pathway, but subunit b is needed to form an active ion translocation pathway in both H+- and Na+-dependent systems. Several high-resolution structures of c-rings have provided insights in the ion translocation mechanism. The different ion translocation models based on biochemical, biophysical and structural analysis are in agreement in the fact that ions are translocated through a periplasmic ion access pathway in subunit a to the middle of the membrane and there to the binding site of a c-subunit. After almost a whole rotation of the c-ring the ion returns into the a-c interface, where it can be released to the cytoplasm. In the different models the cytoplasmic access pathway has been proposed to be located in subunit a, at the a-c interface or within the c-ring. The driving force of torque generation has been proposed to be the pH gradient or membrane potential. Several biochemical studies show that a conserved arginine in helix four of subunit a (R226 in Ilyobacter tartaricus or R210 in Escherichia coli)plays a critical role in the ion translocation. The arginine has been proposed to function as an electrostatic separator between the cytoplasmic and periplasmic pathways and as a mediator of the ion exchange into the c-ring ion-binding site.
Structural data of a related enzyme (V1Vo-ATPase from Thermus thermophilus) has provided insight into the helical arrangement of the ion translocating subunits I and Lring (related to subunit a and the c-ring). These structures indicated a small interface between subunit I and the L-ring, and two four-helix bundles in the N-terminal domain of subunit I were proposed to build the periplasmic and cytoplasmic ion pathways. To comprehend the ion-translocation and torque generation mechanism in F1Fo-ATP synthase, structural data of an intact a-c complex is needed.
The goal of this work was to obtain structural data of subunit a, most preferably in a complex with the c-ring or additionally with subunit b. Therefore, a new purification procedure for the I. tartaricus Fo-subcomplex, heterologously expressed in E. coli cells, was established. The purified Fo was characterized biochemically and by Laserinduced liquid bead ion desorption mass spectrometry (LILBID-MS). These analyses showed that pure and completely assembled Fo containing all its subunits in the correct stoichiometry (ab2c11) was obtained. The purified Fo complex was stable at 4°C for several months and at room temperature in the presence of lipids for several weeks. A lipid analysis was performed by thin-layer chromatography (TLC) to investigate the qualitative lipid composition of I. tartaricus whole lipid extract and various I. tartaricus F1Fo isolates. The whole lipid extract contained PC, PG and PE lipids and probably cardiolipin. PC, PG and PE lipids were bound to wild type I. tartaricus F1Fo, whereas recombinant I. tartaricus F1Fo did not have any bound lipids, but was able to bind the synthetic lipids POPC and POPG if they were provided during the purification.
For subsequent structural studies the purified Fo was subjected to two-dimensional (2D) crystallization trials. Vesicles and sheets tightly packed with protein and crystals with a rare plane group for I. tartaricus c11 (p121) were obtained. The c-ring was visible in the CCD images, and immunogold-labeling revealed the presence of the His-tagged a-subunit in the reconstituted vesicles. Furthermore, atomic force microscopy (AFM) imaging showed protein densities next to the c-rings, which protruded less from the membrane (0.4±0.1 nm) than the c-ring (0.7±0.1 nm). These protein densities presumably belonged to subunit a.
Cryo-electronmicroscopy (cryo-EM) was used to collect data of the p121 crystals and a merged projection density map was calculated to 7.0 Å resolution. The unit cell of the crystals (81 × 252 Å) contained two asymmetric units with three c-rings in each and next to the c11-rings new prominent densities were visible. In each extra density up to 7 transmembrane helices were visible, belonging to the stator subunit a and/or subunit b. To elucidate whether there are conserved elements in the three extra densities non-crystallographic averaging was applied using a single-particle approach.
Six possible arrangements for the c-rings and the extra densities were identified and used for the averaging. The extra densities were enhanced only in one of the possible arrangements. The average showed a four-helix bundle and a fifth helix in close proximity to the c-ring. Two more helices were present in each position but their position was ambivalent. The data obtained in this work provides the first insight in the helical arrangement in the a-c interface of F1Fo-ATP synthase.
During my thesis, I worked on two different membrane proteins. One is a bacterial secondary transporter and the second is a human mitochondrial calcium channel.
The first part of my thesis involves the structural and biochemical characterization of an L-carnitine/ γ-butyrobetaine antiporter from bacteria called CaiT. The aim of the project was to understand the Na+ independence of CaiT and to determine the crystal structures of CaiT in different conformations to expand the mechanistic understanding of substrate/ product antiport in CaiT.
The study revealed how a positively charged amino acid side chain (arginine 262) in CaiT could structurally and functionally mimic a sodium ion. Additionally, various crystal structures of CaiT obtained in this study demonstrate that the central substrate-binding site is highly dynamic and can accommodate the substrate in various orientations.
In the second part of my thesis, I was able to optimize the expression and purification conditions for the human mitochondrial calcium uniporter or the MCU. Understanding how this channel functions can help us unravel the mechanism of calcium uptake by mitochondria. Secondary structure prediction analysis in combination with mass spectrometry of degraded MCU products obtained during the purification of the full-length protein led to the identification of a stable MCU construct. This study resulted in the successful purification of milligram quantities of stable MCU protein for the first time. Further optimization may be required to obtain more homogenous protein that is amenable for crystallization.
Die membranintegrierten, rotierenden F-Typ ATP-Synthasen zählen zu den essentiellen Komponenten der bakteriellen Energieversorgung. Ihre Rolle im zellulären Energiehaushalt bestehtin der Synthese von ATP unter Nutzung des transmembranen, elektrischen Ionengradienten (Mitchell 1961, Duncan et al. 1995, Noji et al. 1997, Kinosita et al. 1998). Die rotierenden ATP-Synthasen werden entsprechend der Kationenselektivität, die sie unter physiologischen Bedingungen zeigen, in zwei verschiedene Klassen eingeteilt, die H+-selektiven, sowiedie Na+-selektiven ATP-Synthasen. Hierbei bildet die Selektivität beider Klassen für einwertige Kationen (H+ oder Na+) eine essenzielle Grundlage für ihre Rolle im Energiehaushalt der bakteriellen Zellen. Jedoch gibt es nur eine begrenzte Anzahl von anaeroben Eubakterien und Archaeen, die noch einen auf Na+- Ionen basierenden Energiehaushalt besitzen. Gut charakterisierte Beispiele für Na+-selektive ATP-Synthasen bilden die F-Typ-Synthasen von I. tartaricus, P. modestum, sowie die V/A-Typ-Enzyme von E. hirae und A. woodii. Trotz der Unterschiede in der Kationenselektivitätder unterschiedlichen F-Typ ATP-Synthasen sind sie jedoch sowohl inihre Organisation, als auch hinsichtlich ihre Wirkungsweisen ähnlich. Das Ziel, der im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Forschung, bestand in der Identifizierung der Faktoren, die sowohl die hohen Selektivität, als auch die Affinität des in der Membran-eingebetteten Rotor-C-Rings der ATP-Synthasezu Protonen (H+) und Na+- Ionen beeinflussen. Die Untersuchungen wurden hierbei andem c11-Ring der F-Typ-ATP-Synthase aus dem anaeroben Bakterium Ilyobacter tartaricus durchgeführt, das hierbei als Modellsystem diente. Der untersuchte Ring zeigt unter physiologischen Bedingungen eine hohe Bindungsselektivität für Na+ Ionen, kann jedoch unter nicht-physiologischen Bedingungen auch Li+ und H+ Ionen binden und zur ATP-Synthese verwenden (Neumann et al. 1998).
Das Ziel, der im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Forschung, bestand in der Identifizierung der Faktoren, die sowohl die hohen Selektivität, als auch die Affinität des in der Membran-eingebetteten Rotor-C-Rings der ATP-Synthasezu Protonen (H+) und Na+- Ionen beeinflussen. Die Untersuchungen wurden hierbei andem c11-Ring der F-Typ-ATP-Synthase aus dem anaeroben Bakterium Ilyobacter tartaricus durchgeführt, das hierbei als Modellsystem diente. Der untersuchte Ring zeigt unter physiologischen Bedingungen eine hohe Bindungsselektivität für Na+ Ionen, kann jedoch unter nicht-physiologischen Bedingungen auch Li+ und H+ Ionen binden und zur ATP-Synthese verwenden (Neumann et al. 1998). Die Kd- und KM-Werte wurden verwendet, um die Na+ -Bindungsaffinität der C-Ringe bzw. ATP-Synthasen zu quantifizieren. Über die Selektivität wurdebeschrieben, welche Kationen an die C-Ringe und ATP-Synthasen binden können (z. B. H+/Na+/Li+, H+/Na+ - oder nur H+ Ionen).Das Verhältnis der absoluten Bindungsaffinitäten zwischen zwei Kationen (z. B. Kd (Na+)/Kd (H+)) wurde verwendet, um die Präferenz des Enzyms für eines der Ionen zu quantifizieren. Die Faktoren, dieder Kationenselektivität und der Affinität des I. tartaricus c-Rings zugrunde liegen, wurden mit Hilfe von Mutageneseexperimenten der Aminosäuren in der Ionenbindungsstelle untersucht. Im I. tartaricus-c-Ring erfolgt die Na+ Bindung an der Grenzfläche von zwei benachbarten c-Untereinheiten des c-Rings. An der Bindung der Na+-Ionen sind sowohl Aminosäuren aus Helix 1 (Gln32), sowie von Helix 2 (Val63, Ser66, Thr67 und Tyr70) beteiligt, die in der Nähe, des für den Mechanismusessentiellen Glu65 liegen. Insgesamt wurden 19 verschiedene, spezifische Einzel- und Doppelmutationen in die Sequenz des atpE-Gens eingeführt, die für die I. tarticus-ATP-Synthase-c-Untereinheit kodiert. Bei den Experimenten mit dem I. tartaricus c-Ring (Ser66, Thr67 und Tyr70) wurden drei polare Reste der Ionenbindungsstelle durch die polaren Reste (Ser67, Ile67 oder Leu67) oder hydrophobe Reste (Ala66, Gln67 und Phe70) ersetzt, während das geladene Glu65 durch die kürzere, aber immer noch geladene Seitenkette Asp65 ausgetauscht wurde. Zur Charakterisierung der monovalenten Kationenbindung durch die Wildtyp, sowie die mutierten C-Ringe von I.-tartaricus, wurde ein Ansatz verwendet, der biochemische (DCCD-Ionen-Kompetitionsassay) und biophysikalische (ITC) Methoden kombiniert.
Die Daten der in dieser Arbeit durchgeführten Experimente, zeigen, dass c-Ringe selektiv für H+ sind, solange in der Ionenbindungsstelle des c-Rings ein ionisierbarer Glu/Asp-Rest vorhanden ist. Die H+-Bindungsaffinität des c-Rings hängt von der Hydrophobizität der Reste ab, aus der die Ionenbindungsstelle aufgebaut ist.Jedoch ist die Zahl der Faktoren, die die Na+-Selektivität des C-Rings bestimmen, weitaus größer. Von den in dieser Arbeit untersuchten Faktoren war die Zahl der polaren Reste, die Wasserstoffbrücken zu Na+ bilden, die Co-Koordination von Na+ durch strukturell vorhandene Wassermoleküle und die Anwesenheit von negativ geladenen Resten besonders wichtig für die Bindung der Na+-Ionen an den Ring. Die hohe Bindungsaffinität des c-Rings für Na+-Ionen, wird sowohl durch Wechselwirkungen begünstigt die das gebundene Na+-Ion stabilisieren, als auch den gesamten atomaren Aufbau der Ionenbindestelle, der die enthalpiegetriebene Na+-Bindungan den c-Ring begünstigen. Im Rahmen dieser eingehenden Studien konnten zum ersten Mal die thermodynamischen Eigenschaften aufgeklärt werden, die der hohen Na+-Bindungsaffinität des c-Rings zugrunde liegen, sowie der Einfluss von Mutationen auf diese Parameter ermittelt werden. Durch zahlreiche Experimente mit ATP-Synthasen, die mit mutierten c-Ringen zusammengesetzt wurden, sollte eine Verbindung zwischen Veränderungen der H+- und der Na+-Bindungsaffinitäten und Unterschiede im Betrieb der ATP-Synthase aufgeklärt werden. Die wichtigste Schlussfolgerung, die sich aus dieser Arbeit ableiten lässt, ist, besteht darin, dass sich Na+/H+-selektiven ATP-Synthasen durch den Austausch von 1-2 Aminosäureresten innerhalb der rotierenden c-Ring-Ionenbindungsstelle in ausschließlich H+-selektive, vollfunktionelle ATP-Synthasen umwandeln lassen.
TeaABC from the halophilic bacterium Halomonas elongata belongs to the family of tripartite ATP-independent periplasmic (TRAP) transporters. It facilitates the uptake of the compatible solutes ectoine and hydroxyectoine which protect the cell from dehydration by accumulating in the cytoplasm during hyperosmotic stress. It is the only known TRAP transporter activated by osmotic stress. Ectoine and hydroxyectoine accumulation in H. elongata is regulated by the cytoplasmic universal stress protein TeaD. The gene encoding TeaD is located in the same operon as the TeaABC gene. TeaD regulates the cellular homeostasis of ectoine possibly by interacting directly or indirectly with TeaABC. All subunits of TeaABC and TeaD were expressed in E. coli and purified. With TeaD and the solute binding protein (SBP) TeaA high levels of expression suitable for crystallization could be obtained and their 3D structures solved. The small transmembrane protein TeaB and the transporter TeaC showed only moderate and low levels of expression respectively. Functional analysis on TeaA was performed using Isothermal Titration Calorimetry. The measurements demonstrate that TeaA is a high affinity ectoine-binding protein (Kd = 0.19 _M) that also has a significant affinity for hydroxyectoine (Kd = 3.8 _M). The structure of TeaA was solved using ab initio phase determination by MAD (multiple anomalous dispersion). TeaA structures were determined in three conformations: TeaA alone, TeaA in complex with ectoine and TeaA in complex with hydroxyectoine. The resolutions of the structures were 2.2, 1.55 and 1.80 Å, respectively. These represent the first structures of an osmolyte SBP associated to a TRAP transporter. The structures reveal similar ligand binding compared to osmolyte SBPs of ABC transporter pointing to coevolution of the ligand binding modes. Moreover, unique features such as the solvent-mediated specific binding of the ligands ectoine and hydroxyectoine could be observed for TeaA. The structure of TeaD in complex with its cofactor ATP was solved by molecular replacement at a resolution of 1.9 Å. Comparison with other structures of universal stress proteins shows striking oligomerization and ATP binding in TeaD. In conclusion, this work presents the first detailed analysis of the molecular mechanisms underlying ligand recognition of an osmoregulated transporter from the TRAP-transporter family.