3D-electron microscopy of different conformations of cephalopod hemocyanins

Die Hämocyanine der Cephalopoden Nautilus pompilius und Sepia officinalis sorgen für den Sauerstofftransport zwischen den Kiemen und den Geweben. Sie bestehen aus einem zylindrischen Dekamer mit interner Kragenstruktur. Während eine Untereinheit (also eine Polypeptidkette) bei NpH aus sieben paralogen funktionellen Domänen (FU-a bis FU-g) besteht, führte ein Genduplikationsereignis der FU-d zu acht FUs in SoH (a, b, c, d, d´, e, f, g). In allen Mollusken Hämocyaninen bilden sechs dieser FUs den äußeren Ring und die restlichen die interne Kragenstruktur. rnrnIn dieser Arbeit wurde ein dreidimensionales Modell des Hämocyanins von Sepia officinalis (SoH) erstellt. Die Rekonstruktion, mit einer Auflösung von 8,8Å (FSC=0,5), erlaubt das Einpassen von Homolologiemodellen und somit das Erstellen eines molekularen Modells mit pseudo atomarer Auflösung. Des Weiteren wurden zwei Rekonstruktionen des Hämocyanins von Nautilus pompilius (NpH) in verschiedenen Oxygenierungszuständen erstellt. Die auf 10 und 8,1Å aufgelösten Modelle zeigen zwei verschiedene Konformationen des Proteins. Daraus ließ sich eine Modellvorstellung über die allosterische Funktionsweise ableiten. Die hier erreichte Auflösung von 8Å ist die momentan höchste eines Molluskenhämocyanins. rnAuf Grundlage des molekularen Modells von SoH konnte die Topologie des Proteins aufgeklärt werden. Es wurde gezeigt, dass die zusätzliche FU-d´ in den Kragen integriert ist und somit die prinzipielle Wandarchitektur aller Mollusken Hämocyanine identisch ist. Wie die Analyse des erstellten molekularen Modells zeigt werden sind die beiden Isoformen (SoH1 und SoH2) in den Bereichen der Interfaces nahezu identisch; auch der Vergleich mit NpH zeigt grosse Übereinstimmungen. Des weiteren konnte eine Fülle von Informationen bezüglich der allosterischen Signalübertragung innerhalb des Moleküls gewonnen werden. rnDer Versuch, NpH in verschiedenen Oxygenierungszuständen zu zeigen, war erfolgreich. Die Datensätze, die unter zwei atmosphärischen Bedingungen präpariert wurden, führten reproduzierbar zu zwei unterschiedlichen Rekonstruktionen. Dies zeigt, daß der hier entwickelte experimentelle Ansatz funktioniert. Er kann nun routinemäßig auf andere Proteine angewandt werden. Wie der strukturelle Vergleich zeigte, verändert sich die Orientierung der FUs durch die Oxygenierung leicht. Dies wiederum beeinflusst die Anordnung innerhalb der Interfaces sowie die Abstände zwischen den beteiligten Aminosäuren. Aus dieser Analyse konnte eine Modellvorstellung zum allosterischen Signaltransfer innerhalb des Moleküls abgeleitet werden, die auf einer Umordnung von Salzbrücken basiert.

The hemocyanins of the cephalopods Nautilus pompilius and Sepia officinalis facilitate the oxygen transport between the gills and the consuming tissues of these marine predators. They appear as cylindrical decamers with internal arc structure. While one subunit (ie one polypeptide chain) inhabits seven paralogous functional units (FUs) in NpH (termed FU-a to FU-g), a gene duplication event of FU-d led to eight FUs in SoH (termed FU-a, b, c, d, d’, e, f, g). In all molluscan hemocyanins six of these FUs form the external wall, while the remaining constitute an internal arc structure. rnThe here presented 3D-reconstruction of Sepia officinalis hemocyanin (SoH) enlarges the understanding of structural molluscan hemocyanin assembly. The 8.8Å map (FSC=0.5) allowed to obtain a molecular model with pseudo atomic resolution by homology modeling and rigid body fitting. Furthermore the two reconstructions of Nautilus pompilius hemocyanin (NpH) under different states of oxygenation gave insight into conformational changes caused by oxygen binding. With 10 and 8.1Å (FSC=0.5) they provide the currently highest resolution of a molluscan hemocyanin decamer and their analysis allowed to propose a model for allosteric signaling occurring during oxygenation. rnThe molecular model of SoH revealed the topology of the eight FUs, showing that FU-d’ is integrated in the arc and that the principal wall architecture is common to all different types of molluscan hemocyanins. Furthermore the model shows that the molecular interface architecture, of both isoforms of SoH, is almost indistinguishable. The analysis of the molecular model revealed high similarities compared with NpH. Additionally, the molecular model allowed to withdraw a lot of information concerning signal transfer and function within this molecule.rnThe pioneering structure-to-function approach applied to NpH oxy- and deoxy conformation shows that the experimental setup of preparing the specimen under two different atmospheric conditions is successful and can now be routinely applied on other proteins. The high quality of the data gained allowed the interpretation of the two conformations on basis of their molecular models. The comparison of the 3D-densities showed that the FUs slightly change their respective spatial orientation upon oxygenation. Thus, affecting interface architecture and distance especially between opposing amino acids. These findings led to a model, of how allosterism can be transferred between adjacent FUs and subunits, based mainly on salt bridge rearrangement, due to changes of spatial orientation.rn