NMR Spectroscopy of Multi-domain Proteins : Immunoglobulin-like Domains of Human Filamin A

Proteins are complex biomacromolecules playing fundamental roles in the physiological processes of all living organisms. They function as structural units, enzymes, transporters, process regulators, and signal transducers. Defects in protein functions often derive from genetic mutations altering the protein structure, and impairment of essential protein functions manifests itself as pathological conditions. Proteins operate through interactions, and all protein functions depend on protein structure. In order to understand biological mechanisms at the molecular level, one has to know the structures of the proteins involved. This thesis covers structural and functional characterization of human filamins. Filamins are actin-binding and -bundling proteins that have numerous interaction partners. In addition to their actin-organizing functions, filamins are also known to have roles in cell adhesion and locomotion, and to participate in the logistics of cell membrane receptors, and in the coordination of intracellular signaling pathways. Filamin mutations in humans induce severe pathological conditions affecting the brain, bones, limbs, and the cardiovascular system. Filamins are large modular proteins composed of an N-terminal actin-binding domain and 24 consecutive immunoglobulin-like domains (IgFLNs). Nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy is a versatile method of gaining insight into protein structure, dynamics and interactions. NMR spectroscopy was employed in this thesis to study the atomic structure and interaction mechanisms of C-terminal IgFLNs, which are known to house the majority of the filamin interaction sites. The structures of IgFLN single-domains 17 and 23 and IgFLN domain pairs 16-17 and 18-19 were determined using NMR spectroscopy. The structures of domain pairs 16 17 and 18 19 both revealed novel domain domain interaction modes of IgFLNs. NMR titrations were employed to characterize the interactions of filamins with glycoprotein Ibα, FilGAP, integrin β7 and dopamine receptors. Domain packing of IgFLN domain sextet 16 21 was further characterized using residual dipolar couplings and NMR relaxation analysis. This thesis demonstrates the versatility and potential of NMR spectroscopy in structural and functional studies of multi-domain proteins.

Identification of two novel human neuronal ceroid lipofuscinosis genes

The neuronal ceroid lipofuscinoses (NCLs) are a group of mostly autosomal recessively inherited neurodegenerative disorders. The aim of this thesis was to characterize the molecular genetic bases of these, previously genetically undetermined, NCL forms. Congenital NCL is the most aggressive form of NCLs. Previously, a mutation in the cathepsin D (CTSD) gene was shown to cause congenital NCL in sheep. Based on the close resemblance of the phenotypes between congenital NCLs in sheep and human, CTSD was considered as a potential candidate gene in humans as well. When screened for mutations by sequencing, a homozygous nucleotide duplication creating a premature stop codon was identified in CTSD in one family with congenital NCL. While in vitro the overexpressed truncated mutant protein was stable although inactive, the absence of CTSD staining in brain tissue samples of patients indicated degradation of the mutant CTSD in vivo. A lack of CTSD staining was detected also in another, unrelated family with congenital NCL. These results imply that CTSD deficiency underlies congenital NCL. While initially Turkish vLINCL was considered a distinct genetic entity (CLN7), mutations in the CLN8 gene were later reported to account for the disease in a subset of Turkish patients with vLINCL. To further dissect the genetic basis of the disease, all known NCL genes were screened for homozygosity by haplotype analysis of microsatellite markers and/or sequenced in 13 mainly consanguineous, Turkish vLINCL families. Two novel, family-specific homozygous mutations were identified in the CLN6 gene. In the remaining families, all known NCL loci were excluded. To identify novel gene(s) underlying vLINCL, a genomewide single nucleotide polymorphism scan, homozygosity mapping, and positional candidate gene sequencing were performed in ten of these families. On chromosome 4q28.1-q28.2, a novel major facilitator superfamily domain containing 8 (MFSD8) gene with six family-specific homozygous mutations in vLINCL patients was identified. MFSD8 transcript was shown to be ubiquitously expressed with a complex pattern of alternative splicing. Our results suggest that MFSD8 is a novel lysosomal integral membrane protein which, as a member of the major facilitator superfamily, is predicted to function as a transporter. Identification of MFSD8 emphasizes the genetic heterogeneity of Turkish vLINCL. In families where no MFSD8 mutations were detected, additional NCL-causing genes remain to be identified. The identification of CTSD and MFSD8 increases the number of known human NCL-causing genes to eight, and is an important step towards the complete understanding of the genetic spectrum underlying NCLs. In addition, it is a starting point for dissecting the molecular mechanisms behind the associated NCLs and contributes to the challenging task of understanding the molecular pathology underlying the group of NCL disorders.

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.