Novel insights on functions of myotilin/palladin family members

Poikkijuovaisen luuranko- ja sydänlihaksen supistumisyksikkö, sarkomeeri, koostuu tarkoin järjestyneistä aktiini- ja myosiinisäikeistä. Rakenne eroaa muista solutyypeistä, joissa aktiinisäikeistö muovautuu jatkuvasti ja sen järjestyminen säätelee solun muotoa, solujakautumista, soluliikettä ja solunsisäisten organellien kuljetusta. Myotilin, palladin ja myopalladin kuuluvat proteiiniperheeseen, jonka yhteispiirteenä ovat immunoglobuliinin kaltaiset (Igl) domeenit. Proteiinit liittyvät aktiinitukirankaan ja niiden arvellaan toimivan solutukirangan rakenne-elementteinä ja säätelijöinä. Myotilinia ja myopalladinia ilmennetään poikkijuovaisessa lihaksessa. Sen sijaan palladinin eri silmukointimuotoja tavataan monissa kudostyypeissä kuten hermostossa, ja eri muodoilla saattaa olla solutyypistä riippuvia tehtäviä. Poikkijuovaisessa lihaksessa kaikki perheen jäsenet sijaitsevat aktiinisäikeitä yhdistävässä Z-levyssä ja ne sitovat Z-levyn rakenneproteiinia, -aktiniinia. Myotilingeenin pistemutaatiot johtavat periytyviin lihastauteihin, kun taas palladinin mutaatioiden on kuvattu liittyvän periytyvään haimasyöpään ja lisääntyneeseen sydäninfarktin riskiin. Tässä tutkimuksessa selvitettin myotilinin ja pallainin toimintaa. Kokeissa löydettiin uusia palladinin 90-92kDa alatyyppiin sitoutuvia proteiineja. Yksi niistä on aktiinidynamiikkaa säätelevä profilin. Profilinilla on kahdenlaisia tehtäviä; se edesauttaa aktiinisäikeiden muodostumista, mutta se voi myös eristää yksittäisiä aktiinimolekyylejä ja edistää säikeiden hajoamista. Solutasolla palladinin ja profilinin sijainti on yhtenevä runsaasti aktiinia sisältävillä solujen reuna-alueilla. Palladinin ja profilinin sidos on heikko ja hyvin dynaaminen, joka sopii palladinin tehtävään aktiinisäideiden muodostumisen koordinoijana. Toinen palladinin sitoutumiskumppani on aktiinisäikeitä yhteensitova -aktiniini. -Aktiniini liittää solutukirangan solukalvon proteiineihin ja ankkuroi solunsisäisiä viestintämolekyylejä. Sitoutumista välittävä alue on hyvin samankaltainen palladinissa ja myotilinissa. Luurankolihaksen liiallinen toistuva venytys muuttaa Z-levyjen rakennetta ja muotoa. Prosessin aikana syntyy uusia aktiinifilamenttejä sisältäviä tiivistymiä ja lopulta uusia sarkomeereja. Löydöstemme perusteella myotilinin uudelleenjärjestyminen noudattaa aktiinin muutoksia. Tämä viittaa siihen, että myotilin liittää yhteen uudismuodostuvia aktiinisäikeitä ja vakauttaa niitä. Myotilin saattaa myös ankkuroida viesti- tai rakennemolekyylejä, joiden tehtävänä on edesauttaa Z-levyjen uudismuodostusta. Tulostemme perusteella arvelemme, että myotilin toimii Z-levyjen rakenteen vakaajana ja aktiinisäikeiden säätelijänä. Palladinin puute johtaa sikiöaikaiseen kuolemaan hiirillä, mutta myotilinin puutoksella ei ole samanlaisia vaikutuksia. Tuotettujen myotilin poistogeenisten hiirten todetiin syntyvän ja kehittyvän normaalisti eikä niillä esiintynyt rakenteellisia tai toiminnallisia häiriöitä. Toisaalta aiemmissa kokeissa, joissa hiirille on siirretty ihmisen lihastautia aikaansaava myotilingeeni, nähdään samankaltaisia kuin sairailla ihmisillä. Näin ollen muuntunut myotilin näyttä olevan lihaksen toiminnalle haitallisempi kuin myotilinin puute. Myotilinin ja palladinin yhteisvaikutusta selvittääksemme risteytimme myotilin poistegeenisen hiiren ja hiirilinjan, joka ilmentää puutteellisesti palladinin 200 kDa muotoa. Puutteellisesti 200 kDa palladinia ilmentävien hiirten sydänlihaksessa todettiin vähäisiä hienorakenteen muutoksia, mutta risteytetyillä hiirillä tavattiin rakenteellisia ja toiminnallisia muutoksia myös luurankolihaksessa. Tulosten perusteella voidaan todeta, että palladinin 200 kDa muoto säätelee sydänlihassolujen rakennetta. Luurankolihaksessa sen sijaan myotilinilla ja palladinilla näyttäisi olevan päällekkäisiä tehtäviä.

Enzymes with radical tendencies: the PFL family

The first glycyl radical in an enzyme was described 20 years ago and since then the family of glycyl radical enzymes (GREs) has expanded to include enzymes catalysing five chemically distinct reactions. The type enzymes of the family, anaerobic ribonucleotide reductase (RNRIII) and pyruvate formate lyase (PFL) had been studied long before it was known that they are GREs. Spectroscopic measurements on the radical and an observation that exposure to oxygen irreversibly inactivates the enzymes by cleavage of the protein proved that the radical is located on a particular glycine residue, close to the C-terminus of the protein. Both anaerobic RNRIII and PFL, are important for many anaerobic and facultative anaerobic bacteria as RNRIII is responsible for the synthesis of DNA precursors and PFL catalyses a key metabolic reaction in glycolysis. The crystal structures of both were solved in 1999 and they revealed that, although the enzymes do not share significant sequence identity, they share a similar structure - the radical site and residues necessary for catalysis are buried inside a ten stranded $\ualpha $/$\ubeta $-barrel. GREs are synthesised in an inactive form and are post-translationally activated by an activating enzyme which uses S-adenosyl methionine and an iron-sulphur cluster to generate the radical. One of the goals of this thesis work was to crystallise the activating enzyme of PFL. This task is challenging as, like GREs, the activating component is inactivated by oxygen. The experiments were therefore carried out in an oxygen free atmosphere. This is the first report of a crystalline GRE activating enzyme. Recently several new GREs have been characterised, all sharing sequence similarity to PFL but not to RNRIII. Also, the genome sequencing projects have identified many PFL-like GREs of unknown function, usually annotated as PFLs. In the present thesis I describe the grouping of these PFL family enzymes based on the sequence similarity and analyse the conservation patterns when compared to the structure of E. coli PFL. Based on this information an activation route is proposed. I also report a crystal structure of one of the PFL-like enzymes with unknown function, PFL2 from Archaeoglobus fulgidus. As A. fulgidus is a hyperthermophilic organism, possible mechanisms stabilising the structure are discussed. The organisation of an active site of PFL2 suggests that the enzyme may be a dehydratase. Keywords: glycyl radical, enzyme, pyruvate formate lyase, x-ray crystallography, bioinformatics