Biochemie und Chemie
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The mfl-riboswitch is a transcriptional off-switch, which down-regulates expression of subunit ß of ribonucleotide reductase in Mesoplasma florum upon 2´-deoxyguanosine binding. We characterized binding of 2´-deoxyguanosine to the mfl-aptamer domain (WT aptamer) and a sequence-stabilized aptamer (MT aptamer) under in vitro and ‘in-cell-like’ conditions by isothermal titration calorimetry (ITC) and nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy. ‘In-celllike’ environment was simulated by Bacillus subtilis cell extract, in which both aptamers remained sufficiently stable to detect the resonances of structural elements and ligand binding in 2D NMR experiments. Under ‘in-cell-like’-environment, (i) the WT aptamer bound the endogenous metabolite guanosine and (ii) 2´-deoxyguanosine efficiently displaced guanosine from the WT aptamer. In contrast, MT aptamer exhibited moderate binding to 2´-deoxyguanosine and weak binding to guanosine. NMR experiments indicated that binding of guanosine was not limited to the aptamer domain of the riboswitch but also the full-length mfl-riboswitch bound guanosine, impacting on the regulation efficiency of the riboswitch and hinting that, in addition to 2´-deoxyguanosine, guanosine plays a role in riboswitch function in vivo. Reporter gene assays in B. subtilis demonstrated the regulation capacity of the WT aptamer, whereas the MT aptamer with lower affinity to 2´ -deoxyguanosine was not able to regulate gene expression.
The three-dimensional structure determination of RNAs by NMR spectroscopy relies on chemical shift assignment, which still constitutes a bottleneck. In order to develop more efficient assignment strategies, we analysed relationships between sequence and 1H and 13C chemical shifts. Statistics of resonances from regularly Watson– Crick base-paired RNA revealed highly characteristic chemical shift clusters. We developed two approaches using these statistics for chemical shift assignment of double-stranded RNA (dsRNA): a manual approach that yields starting points for resonance assignment and simplifies decision trees and an automated approach based on the recently introduced automated resonance assignment algorithm FLYA. Both strategies require only unlabeled RNAs and three 2D spectra for assigning the H2/C2, H5/C5, H6/C6, H8/C8 and H10/C10 chemical shifts. The manual approach proved to be efficient and robust when applied to the experimental data of RNAs with a size between 20 nt and 42 nt. The more advanced automated assignment approach was successfully applied to four stemloop RNAs and a 42 nt siRNA, assigning 92–100% of the resonances from dsRNA regions correctly. This is the first automated approach for chemical shift assignment of non-exchangeable protons of RNA and their corresponding 13C resonances, which provides an important step toward automated structure determination of RNAs.
The spliceosomal protein SF3b49, a component of the splicing factor 3b (SF3b) protein complex in the U2 small nuclear ribonucleoprotein, contains two RNA recognition motif (RRM) domains. In yeast, the first RRM domain (RRM1) of Hsh49 protein (yeast orthologue of human SF3b49) reportedly interacts with another component, Cus1 protein (orthologue of human SF3b145). Here, we solved the solution structure of the RRM1 of human SF3b49 and examined its mode of interaction with a fragment of human SF3b145 using NMR methods. Chemical shift mapping showed that the SF3b145 fragment spanning residues 598-631 interacts with SF3b49 RRM1, which adopts a canonical RRM fold with a topology of β1-α1-β2-β3-α2-β4. Furthermore, a docking model based on NOESY measurements suggests that residues 607-616 of the SF3b145 fragment adopt a helical structure that binds to RRM1 predominantly via α1, consequently exhibiting a helix-helix interaction in almost antiparallel. This mode of interaction was confirmed by a mutational analysis using GST pull-down assays. Comparison with structures of all RRM domains when complexed with a peptide found that this helix-helix interaction is unique to SF3b49 RRM1. Additionally, all amino acid residues involved in the interaction are well conserved among eukaryotes, suggesting evolutionary conservation of this interaction mode between SF3b49 RRM1 and SF3b145.
Megasynthases are large multienzyme proteins that produce a plethora of important natural compounds by catalyzing the successive condensation and modification of precursor units. Within the class of megasynthases, polyketide synthases (PKS) are responsible for the production of a large spectrum of bioactive polyketides (PK), which have frequently found their way into therapeutic applications. Rational engineering approaches have been performed during the last 25 years that seek to employ the "assembly-line synthetic concept" of megasynthases in order to deliver new bioactive compounds. Here, we highlight PKS engineering strategies in the light of the newly emerging structural information on megasynthases, and argue that fatty acid synthases (FAS) are and will be valuable objects for further developing this field.
Molecular dynamics has been employed to study the effect of ion treatment on the stability of 14-nucleotide RNA hairpin of Coxsackievirus B3. Three AMBER force fields were used: AMBER94, AMBER98, and AMBER99, which showed no significant structural difference of the hairpin. Thereafter, we applied two different long-range electrostatic treatments that were reaction field and PME methods, and calculated the distribution of ions around the hairpin. Although the structural stabilities of the MD simulations using both methods were similar in 0.14 M Na+, ion environment around the hairpin was notably different. In particular, structural stabilition of the hairpin with increasing ion concentration and with ion Mg2+ cannot be accommodated by simulations using reaction field method. Furthermore, the MD simulations using PME method suggested the strong similarity in structural and dynamical properties of the hairpin with 0.14 M Na+, 0.50 M Na+, 1,03 M Na+, and 0.08 M Mg2+ concentrations. However, the simulations revealed different ion occupations of Na+ and Mg2+.
Abstract
Indoor air pollution with harmful particulate matter (PM) is mainly caused by cigarette smoke. Super-Slim-Size-Cigarettes (SSL) are considered a less harmful alternative to King-Size-Cigarettes (KSC) due to longer filters and relatively low contents. We ask if “Combined Mainstream and Sidestream Smoke” (CMSS)-associated PM levels of SSL are lower than of KSC and thus are potentially less harmful. PM concentrations in CMSS (PM10, PM2.5, and PM1) are measured from four cigarette types of the brand Vogue, using an “automatic-environmental-tobacco-smoke-emitter” (AETSE) and laser aerosol spectrometry: SSL-BLEUE, -MENTHE, -LILAS and KSC-La Cigarette and -3R4F reference. This analysis shows that SSL MENTHE emitted the highest amount of PM, and KSC-La Cigarette the lowest. 3R4F reference emitted PM in the middle range, exceeding SSL BLEUE and falling slightly below SSL LILAS. It emerged that PM1 constituted the biggest proportion of PM emission. The outcome shows significant type-specific differences for emitted PM concentrations. Our results indicate that SSL are potentially more harmful for passive smokers than the respective KSC. However, this study cannot give precise statements about the general influence of the size of a cigarette on PM. Alarming is that PM1 is responsible for the biggest proportion of PM pollution, since smaller particles cause more harmful effects.
Na+/H+ exchange is essential for survival of all organisms, having a role in the regulation of the intracellular Na+ concentration, pH and cell volume. Furthermore, Na+/H+ exchangers were shown to be involved in the virulence of the bacterium Yersinia pestis, indicating they might be potential targets for novel antibiotic treatments. The model system for Na+/H+ exchangers is the NhaA transporter from Escherichia coli, EcNhaA. Therefore, the general transport mechanism of NhaA exchangers is currently well characterized. However, much less is known about NhaB exchangers, with only a limited number of studies available. The pathogen Klebsiella pneumoniae, which is a major source of nosocomial infection, possesses three electrogenic Na+/H+ exchangers, KpNhaA1, KpNhaA2 and KpNhaB, none of which have been previously investigated. Our aim in this study was to functionally characterize KpNhaB using solid supported membrane-based electrophysiology as the main investigation technique, and thus provide the first electrophysiological investigation of an NhaB Na+/H+ exchanger. We found that NhaB can be described by the same competition-based mechanism that was shown to be valid for electrogenic NhaA and NapA, and for electroneutral NhaP Na+/H+ exchangers. For comparison we also characterized the activity of KpNhaA1 and KpNhaA2 and found that the three exchangers have complementary activity profiles, which is likely a survival advantage for K. pneumoniae when faced with environments of different salinity and pH. This underlines their importance as potential antibiotic drug targets.
Proteinen die ExHepatitis C ist eine entzündliche Erkrankung der Leber, die durch das Hepatitis-C-Virus (HCV) verursacht wird. Trotz vieler Bemühungen ist heutzutage immer noch keine prophylaktische Vakzinierung verfügbar. Neuartige Therapien versprechen eine hohe Heilungsrate, sind aber mit hohen Kosten verbunden. HCV induziert oxidativen Stress, welcher für das Auftreten und die Progression der Pathogenese eine zentrale Rolle spielt. Um zellulären Stress (z.B. durch ROS) entgegenzuwirken, haben Zellen cytoprotective und detoxifizierende Mechanismen entwickelt, die die zelluläre Homöostase aufrechterhalten. Dabei kontrolliert der redoxsensitive Transkriptionsfaktor Nrf2 als Heterodimer zusammen mit sMaf- pression von cytoprotective und ROS-detoxifizierenden Genen. Vorherige Studien haben gezeigt, dass HCV den Nrf2/ARE-Signalweg beeinträchtigt. Dabei induziert HCV eine Translokation der sMaf-Proteine aus dem Zellkern in das Cytoplasma, wo diese das virale Protein NS3 binden. Im Cytoplasma lokalisierte sMaf-Proteine verhindern dadurch eine Translokation von Nrf2 in den Zellkern. Folglich ist die Expression von Nrf2/ARE-abhängigen cytoprotective Genen inhibiert und intrazelluläre ROS-Spiegel dauerhaft erhöht. Ein weiterer zentraler cytoprotective Mechanismus ist die Autophagie. Sie dient der Aufrechterhaltung der zellulären Homöostase durch den Abbau von defekten Proteinen und Organellen. Des Weiteren ist bekannt, dass Autophagie nicht nur im Laufe von Nährstoffmangel induziert wird, sondern auch durch erhöhte Mengen an ROS. In sämtlichen Studien konnte beobachtet werden, dass Autophagie für die Aufrechterhaltung des viralen Lebenszyklus eine wesentliche Rolle spielt, da sie mit der Ausbildung des membranous web, der Translation, der Replikation und der Freisetzung des Virus interferiert. Ausgehend davon sollte in dieser Arbeit zunächst die Relevanz von HCV-induziertem oxidativen Stress, resultierend aus der Nrf2/ARE-Signalweginhibition, als möglicher Aktivator der Autophagie untersucht werden. Dabei wurde in HCV-positiven Zellen eine Akkumulation von LC3-II beobachtet, was auf eine Induktion der Autophagie schließen lässt. In Übereinstimmung damit wurde eine erhöhte Expression von Autophagie-Markerproteinen in HCV-infizierten PHHs detektiert. Im Laufe der Autophagie wird p62 abgebaut. Somit sollte eine Induktion der Autophagie in einer Verminderung der Menge an p62 resultieren. Nichtsdestotrotz ist eine Akkumulation von p62 in HCV-positiven Zellen nachzuweisen. Dies erscheint zunächst widersprüchlich. Aufgrund der Tatsache, dass die Expression der katalytischen Untereinheit des Proteasoms (PSMB5) Nrf2-abhängig ist, führt die beeinträchtigte Nrf2-Aktivität in HCV-positiven Zellen jedoch zu einer verringerten Aktivität des konstitutiven Proteasoms. Dieser Befund kann auch die erhöhte Halbwertzeit von p62 in HCV-positiven Zellen erklären. Kürzlich wurde ein Zusammenspiel des Nrf2/ARE-Signalwegs und der Autophagie beobachtet. Dabei kann Nrf2 nicht nur über den kanonischen Signalweg aktiviert werden, sondern auch durch eine direkte Interaktion des phosphorylierten Autophagie-Adaptorproteins p62 (pS[349] p62) mit Keap1. In HCV-positiven Zellen können nicht nur eine Zunahme der Gesamtmenge von p62 beobachtet werden, sondern auch erhöhte Mengen an pS[349] p62. Die Berechnung des Quotienten aus pS[349] p62 und p62 zeigt in etwa eine Verdopplung der Menge an pS[349] p62 , was auf eine vermehrte Phosphorylierung von p62 in HCV-positiven Zellen rückschließen lässt. Des Weiteren konnte beobachtet werden, dass erhöhte Mengen an ROS, wie sie auch in HCV-positiven Zellen vorkommen, Autophagie induzieren können, die durch eine Akkumulation von LC3-II und die Zunahme von LC3 Puncta charakterisiert ist. Auch eine Zunahme von pS[349] p62 konnte beobachtet werden. Ferner resultierte die Überexpression der phosphomimetischen Mutante (p62 [S351E]) in einer Akkumulation von LC3-II, was auf die Fähigkeit von pS[349] p62 rückschließen lässt, Autophagie zu induzieren. Eine Modulation der Autophagie mittels der Inhibitoren 3-Methyladenin und Bafilomycin führte zu einer inhibierten Freisetzung von infektiösen viralen Partikeln und unterstreicht damit, dass der Autophagie eine essentielle Bedeutung bei der Freisetzung viraler Partikel zukommt. Eine HCV-Infektion wird sowohl von erhöhten Mengen an ROS als auch von einer Induktion der Autophagie begleitet. Dementsprechend führte eine Verminderung des intrazellulären Radikalspiegels durch eine Inkubation mit den Radikalfängern PDTC und NAC zu geringeren Mengen an LC3-II und pS[349] p62. Dabei konnte auch eine Abnahme der freigesetzten infektiösen viralen Partikel beobachtet werden, was ein Zusammenspiel zwischen erhöhten Mengen an ROS, Induktion der Autophagie und Virusfreisetzung nahelegt. Vorschlag: Erhöhte Mengen an ROS werden durch eine Aktivierung des Nrf2/ARE-Signalwegs detoxifiziert und würden somit den zuvor beschriebenen viralen Mechanismus verhindern. HCV die Aktivierung Nrf2/ARE-regulierter Gene beeinträchtigt, wurde die Hypothese aufgestellt, dass in HCV-positiven Zellen dieser komplexe Mechanismus dazu dient, die Translokation des pS[349] p62-abhängig freigesetzte Nrf2 in den Zellkern zu verhindern. Das wiederum hat eine eingeschränkte Expression von Nrf2/ARE-abhängigen Genen und Detoxifizierung von ROS zur Folge. Um diese Hypothese experimentell zu untersuchen, wurden HCV-positive und negative Zellen cotransfiziert mit dem p62 Wildtyp (p62 [wt]), der p62 phosphomimetischen Mutante (p62 [S351E]) oder einem Kontrollplasmid in Kombination mit einem Reporterkonstrukt, welches die Nrf2-Aktivierung darstellt (OKD48). Während in HCV-negativen Zellen im Vergleich zum p62 [wt] eine Transfektion mit p62 [S351E] zu einer signifikanten Aktivierung des Nrf2-abhängigen Reportergens führt konnte dies in HCV-positiven Zellen nicht beobachtet werden. Zusammengenommen beschreiben diese Ergebnisse einen neuartigen Mechanismus wie HCV das Zusammenspiel zwischen dem Nrf2/ARE-Signalweg, erhöhten Mengen an ROS und Autophagie beeinflusst. Dabei übt HCV einen negativen Effekt auf den Nrf2/ARE-Signalweg aus, um dem pS[349] p62-abhängig freigesetzten Nrf2 zu entkommen. Folglich werden erhöhte Mengen an ROS aufrechterhalten, die eine Induktion der Autophagie ermöglichen, welche für die Freisetzung viraler Partikel essentiell ist.
Mistakes in translation of messenger RNA into protein are clearly a detriment to the recombinant production of pure proteins for biophysical study or the biopharmaceutical market. However, they may also provide insight into mechanistic details of the translation process. Mistakes often involve the substitution of an amino acid having an abundant codon for one having a rare codon, differing by substitution of a G base by an A base, as in the case of substitution of a lysine (AAA) for arginine (AGA). In these cases one expects the substitution frequency to depend on the relative abundances of the respective tRNAs, and thus, one might expect frequencies to be similar for all sites having the same rare codon. Here we demonstrate that, for the ADP-ribosylation factor from yeast expressed in E. coli, lysine for arginine substitutions frequencies are not the same at the 9 sites containing a rare arginine codon; mis-incorporation frequencies instead vary from less than 1 to 16%. We suggest that the context in which the codons occur (clustering of rare sites) may be responsible for the variation. The method employed to determine the frequency of mis-incorporation involves a novel mass spectrometric analysis of the products from the parallel expression of wild type and codon-optimized genes in 15N and 14N enriched media, respectively. The high sensitivity and low material requirements of the method make this a promising technology for the collection of data relevant to other mis-incorporations. The additional data could be of value in refining models for the ribosomal translation elongation process.