Structural insights into the allosteric activation mechanism of cGMP-dependent protein kinase I

Cyclic GMP-dependent protein kinase (PKG) is a key transducer in the NO-cGMP signaling pathway. In this line, PKG has been considered an important drug target for treating hypertensive cardiovascular and pulmonary diseases. However, the investigation of PKG’s allosteric activation mechanism has been hampered by a lack of structural information. One of the fundamental questions on the cGMP-dependent activation of PKG is how the enzyme can distinguish cGMP over cAMP and selectively respond to cGMP. To ensure proper signaling, PKG must have developed unique features to ensure its activation upon the right activation signal. In this thesis, the cGMP-selective activation mechanism of PKG was studied through determining crystal structures of three truncated constructs of the regulatory domain [CNB-A (92-227), CNB-B (271-369), and CNB-A/B (92-351)] of PKG Iβ in the absence or presence of cyclic nucleotides. Herein, two individual CNB domain structures with biochemical data revealed that the C-terminal CNB domain (CNB-B) is responsible for cGMP selectivity, while the N-terminal CNB-domain (CNB-A) has a higher binding affinity for both cGMP and cAMP without showing any selectivity. Based on these crystal structures, mutagenesis studies were performed in which the critical residues for cyclic nucleotide selectivity and activation were identified. Furthermore, we discovered that the conformational changes of the C-terminal helix of the CNB-B that bridges between the regulatory and catalytic domains including the hydrophobic capping interaction are crucial for PKG activation. In addition, to observe the global conformation of the activated R-domain, I solved a co-crystal structure of the CNB-A/B with cGMP. Although a monomeric construct was crystallized, the structure displays a dimer. Strikingly, the CNB-A domain and its bound cGMP provide a key interface for this dimeric interaction. Using small angle X-ray scattering (SAXS), the existence of the cGMP-mediated dimeric interface within the CNB domains was confirmed. Furthermore, measuring cGMP-binding affinities (EC50) of the dimeric interface mutants as well as determining activation constants (Ka) revealed that the interface formation is important for PKG activation. To conclude, this thesis study provides a new mechanistic insight in PKG activation along with a newly found interface that can be targeted for designing PKG-specific activity modulators.

Analyse von Protein-Ligand Interaktionen zur Charakterisierung zyklonukleotidbindender Proteine

Hyperpolarisations-aktivierte zyklonukleotid-gesteuerte (HCN) Kanäle übernehmen wichtige Funktionen in der Regulation der Herz- und Neuronalaktivität und können über einen dualen Mechanismus aus Membranhyperpolarisation und der Bindung von zyklischen Nukleotiden aktiviert werden. Ein großes Ziel der aktuellen Forschung ist die Entwicklung neuartiger Inhibitoren, die einer Fehlregulation der Kanäle entgegenwirken. In der vorliegenden Arbeit wurde die Regulation von HCN Kanälen durch zyklische Nukleotide im Detail analysiert, indem erstmals ein umfassender Screen mit 48 unterschiedlichen Zyklonukleotid-Analoga am C-terminalen Bereich (bestehend aus C-Linker und Zyklonukleotid-Bindedomäne) der drei Isoformen HCN1, HCN2 und HCN4 durchgeführt wurde. Mit Hilfe eines Fluoreszenzpolarisations-Assays wurde der Einfluss von Modifikationen in der Base, der Ribose und dem zyklischen Phosphat auf die Bindungsaffinitäten innerhalb der Zyklonukleotid-Bindedomäne untersucht. Zyklonukleotid-Analoga mit Modifikationen an der Position 7 und 8 der Base verschoben die apparenten Affinitäten im Vergleich zu den beiden natürlich vorkommenden Zyklonukleotiden cAMP und cGMP vom mikromolaren in den nanomolaren Bereich. Selektiv für die HCN4 Isoform erwiesen sich Zyklonukleotid-Analoga mit Modifikationen an der Position 6 der Base, während Modifikationen an der Position 8 der Base zu einer höheren Affinität für die HCN2 Isoform führten. Im Gegensatz zu HCN2 und HCN4 zeigte die HCN1 Isoform besonders hohe Affinitäten für Zyklonukleotid-Analoga mit Modifikationen an der Position 8 von cGMP. Eine Substitution der 2’-Hydroxylgruppe erlaubte keine Bindung an die HCN Kanäle. Mit 7-CH-cAMP konnte ein hochaffines Bindemolekül für HCN Kanäle identifiziert werden, denn der Austausch eines Stickstoffs gegen eine CH-Einheit an Position 7 der Base führte zu einer 100-fachen Steigerung der Affinität im Vergleich zu cAMP. In Übereinstimmung mit der hochaffinen Bindung konnte in kinetischen Analysen eine langsamere Dissoziationsrate für 7-CH-cAMP gemessen werden. Anhand thermodynamischer Messungen konnte ein entropisch favorisierter Bindungsmodus für 7-CH-cAMP im Vergleich zu cAMP identifiziert werden. Basierend auf einer Kristallstruktur des HCN4 CNBD:7-CH-cAMP Komplexes (2,5 Å) lässt sich erklären, dass 7-CH-cAMP durch seine höhere Lipohilie im Vergleich zu cAMP eine stärkere Präferenz für das hydrophobe Netzwerk zwischen Protein und Base besitzt. In detaillierten, vergleichenden Analysen mit den zyklonukleotidbindenden Proteinen PKA Typ I und II, hPKGIβ und Epac 1 und 2 konnte gezeigt werden, dass 7-CH-cAMP die höchsten Affinitäten für die drei Isoformen der HCN Kanäle aufwies. Somit könnte sich 7-CH-cAMP als vielversprechender Kandidat für die selektive Regulation von HCN Kanälen in vitro und in lebenden Zellen eignen und möglicherweise einen wichtigen Beitrag als krankheitsrelevanter Effektor leisten.

Analysis of second messengers in peripheral and central circadian pacemakers

In früheren Experimenten konnte gezeigt werden, dass die sekundären Botenstoffe cAMP, cGMP und IP3 in der olfaktorischen Signaltransduktionskaskade bei Manduca sexta involviert sind. Während cGMP Perfusionen in die Antenne die Pheromonwahrnehmung tageszeitabhängig adaptierten, führten cAMP Perfusionen zu einer tageszeitabhängigen Sensitisierung, ähnlicher der von Octopamin (OA). Daher wurde hypothetisiert, dass eine tageszeitabhängige Oszillation antennaler OA Level sowie der intrazelluläre Kalziumkonzentration in einer Schwankung von sekundären Botenstoffen resultieren könnte. Diese Hypothese wurde mittels biochemischen Nachweißverfahren in der Antenne von M. sexta und Rhyparobia maderae überprüft. Tatsächlich konnten in der Antenne des Tabakschwärmers tageszeitabhängige Unterschiede in der OA-, cAMP- und IP3-, aber nicht in der cGMP Konzentration, nachgewiesen werden. Während die cAMP- und OA Oszillationen einander sehr ähnelten und die Maxima in der Paarungsphase aufzeigten, korrelierte der IP3 Verlauf sehr stark mit dem Flug- bzw. Fressverhalten. Diese Korrelationen konnten auch in der Madeira Schabe beobachtet werden, in der darüber hinaus gezeigt werden konnte, dass antennale cAMP- und IP3 Level von dem circadianen Uhrwerk gesteuert werden. Zudem wurde herausgefunden, dass OA die cAMP- und teilweise auch die IP3- Spiegel reguliert. Demgegenüber beeinflusste Kalzium die Konzentration aller untersuchten sekundären Botenstoffe. Daher wird angenommen, dass die intrazelluläre Kalziumkonzentration aber auch der antennale OA Level kritische Faktoren bei der Regelung der olfaktorischen Sensitivität sind. Da Oszillationen von sekundären Botenstoffen in mutmaßlichen, peripheren Schrittmacher nachgewiesen wurden, wurde untersucht, ob sie auch im circadianen Schrittmacher der Madeira Schabe oszillieren und ob das Neuropeptid pigment-dispersing factor (PDF), ein entscheidender Kopplungsfaktor des Uhrwerks in Insekten, diese Rhythmen generieren könnte. Es konnte gezeigt werden, dass PDF die cAMP Synthese steigert. Darüber hinaus wurden bimodale cAMP Oszillationen unter licht-dunkel Bedingungen beobachtet, welche unter konstanten Umweltbedingungen verblieben. Daher wird angenommen, dass PDF Freisetzung zelluläres cAMP erhöht über das das circadiane Uhrwerk synchronisiert wird.