The C-4-Dicarboxylate carriers DcuB and DctA of Escherichia coli: function as cosensors and topology

Das fakultativ anaerobe Enterobakterium Escherichia coli nutzt C4-Dicarboxylate sowohl unter aeroben als auch anaeroben Bedingungen als Kohlenstoff- und Energiequelle. Die Aufnahme der C4-Dicarboxylaten und die Energiekonservierung mittels Fumaratatmung wird durch das Zweikomponentensystem DcuSR reguliert. Die Sensorhistidinkinase DcuS und der nachgeschaltete Responseregulator DcuR aktivieren bei Verfügbarkeit von C4-Dicarboxylaten die Expression der Gene für den Succinat Transporter DctA, den anaeroben Fumarat/Succinat Antiporter DcuB, die Fumarase B sowie die Fumaratreduktase FrdABCD. Die Transportproteine DctA und DcuB wiederum regulieren die Expression der DcuSR-abhängigen Gene negativ. Fehlen von DctA oder DcuB resultiert bereits ohne Effektor in einer maximalen Expression von dctA bzw. dcuB. Durch gerichtete und ungerichtete Mutagenese wurde gezeigt, dass die Transportfunktion des Carriers DcuB unabhängig von seiner regulatorischen Funktion ist. DcuB kann daher als Cosensor des DcuSR Systems angesehen werden.rnUnter Verwendung von Reportergenfusionen von C-terminal verkürzten Konstrukten von DcuB mit der Alkalischen Phosphatase und der β-Galactosidase wurde die Topologie des Multitransmembranproteins DcuB bestimmt. Zusätzlich wurde die Zugänglichkeit bestimmter Aminosäurereste durch chemische Modifikation mit membran-durchlässigen und membran-undurchlässigen Thiolreagenzien untersucht. Die erhaltenen Ergebnisse deuten auf die Existenz eines tief in die Membran reichenden, hydrophilen Kanal hin, welcher zum Periplasma hin geöffnet ist. Mit Hilfe der Topologie-Studien, des Hydropathie-Blots und der Sekundärstruktur-Vorhersage wurde ein Modell des Carriers erstellt. DcuB besitzt kurze, periplasmatisch liegende Proteinenden, die durch 12 Transmembranhelices und zwei große hydrophile Schleifen jeweils zwischen TM VII/VIII und TM XI/XII verbunden sind. Die regulatorisch relevanten Reste K353, T396 und D398 befinden sich innerhalb von TM XI sowie auf der angrenzenden cytoplasmatischen Schleife XI-XII. Unter Berücksichtigung der strukturellen und funktionellen Aspekte wurde ein Regulationsmodell erstellt, welches die gemeinsam durch DcuB und DcuS kontrollierte C4-Dicarboxylat-abhängige Genexpression darstellt. rnDer Effekt von DctA und DcuSR auf die Expression einer dctA´-´lacZ Reportergenfusion und auf die aerobe C4-Dicarboxylat-Aufnahme wurde untersucht. In-vivo FRET-Messungen weisen auf eine direkte Wechselwirkung zwischen dem Carrier DctA und dem Sensor DcuS hin. Dieses Ergebnis stützt die Theorie der Regulation von DcuS durch C4-Dicarboxylate und durch die Cosensoren DctA bzw. DcuB mittels direkter Protein-Protein Interaktion.rn

PAS c als signaltransduzierende Domäne des Sensorproteins DcuS von Escherichia coli

Bakterien besitzen membranintegrierte Sensoren für die Reaktion auf verändernde Umweltbedingungen.rnViele der Sensoren sind Zweikomponenten-Systeme bestehend aus einer Sensorhistidinkinase und einem Responseregulator der die zellulare Antwort auslöst. DcuS, der C4-Dicarboxylat-Sensor von DcuS ist eine membranintegrierte Histidin-Kinase. DcuS ist ein Multidomänen-Protein mit einer sensorischen periplasmatischen PASP (Per-Arnt-Sim) Domäne, zwei Transmembranhelices, eine cytoplasmatische PASC-Domäne und eine C-terminale Kinase-Domäne. PAS-Domänen sind ubiquitäre Signalmodule die in allen Reichen des Lebens zu finden sind. PAS-Domänen detektieren eine Vielfalt von Reizen wie Licht, Sauerstoff, Redoxpotential und verschiedene kleine Moleküle so wie die Modulation von Protein-Protein Interaktionen. PAS-Domänen sind strukturell homolog und besitzen eine charakteristische α/β-Faltung. Eine große Anzahl der sensorischen PAS-Domänen wurden identifiziert, aber viele der PAS-Domänen besitzen keinen apparenten Cofaktor und die Funktion ist unbekannt.rnEine Kombination aus gerichteter und ungerichteter Mutagenese, Protein-Protein-Interaktionsstudien und Festkörper-NMR (ssNMR) Experimente mit strukturellem Modelling wurde zur Untersuchung der Struktur und Funktion der cytoplasmatischen PAS-Domäne des membranintegrierten Sensors DcuS verwendet. Die Experimente zeigen, dass PASC eine wichtige Rolle in die Signaltransduktion von PASP zur C-terminalen Histidin-Kinase von DcuS spielt.rn

Funktion der C 4-Dicarboxylat-Transporter DctA und DcuB als Co-Sensoren von DcuS in Escherichia coli

Escherichia coli kann C4-Dicarboxylate sowohl unter aeroben als auch unter anaeroben Bedingungen zur Energiekonservierung nutzen. Die Synthese der beteiligten Transporter und Enzyme wird auf der Transkriptionsebene durch das Zweikomponentensystem DcuSR reguliert. DcuS ist der Sensor für C4-Dicarboxylate. Der Antwortregulator DcuR wird von DcuS aktiviert und induziert die Expression des C4-Dicarboxylat-Transporters DctA unter aeroben Verhältnissen. Anaerob verstärkt DcuSR die Expression des Fumarat/Succinat-Antiporters DcuB, der Fumarase B und der Fumaratreduktase FrdABCD. DctA und DcuB agieren als Co-Sensoren von DcuS und üben einen negativen Effekt auf die Genexpression von dctA bzw. dcuB aus.rnIn dieser Arbeit wurde die Funktion von DctA und DcuB als Co-Sensoren von DcuS untersucht. Sowohl für DcuB als auch für DctA wurde eine direkte Protein-Protein-Interaktion mit DcuS über ein bakterielles Two-Hybrid System nachgewiesen. DcuS bildete ein Transporter-Sensor-Cluster mit DctA und DcuB. C-terminale Verkürzung und die Mutagenese einzelner Aminosäuren der C-terminalen Helix 8b von DctA führten zu einem Verlust der Interaktion mit DcuS. Mit dieser Interaktion gingen sowohl die regulatorische Funktion als auch die Transportfunktion der Punktmutante DctA-L414A verloren. Ein Verlust der Interaktion wurde ebenfalls zwischen einer konstitutiv aktiven DcuS-Mutante und wildtypischem DctA beobachtet. Ebenso zeigte sich eine partielle Reduktion der Interaktion von DcuS mit DctA, wenn DcuS nach der zweiten Transmembranhelix verkürzt wurde. Die Interaktion zwischen DcuS und DctA wurde durch den Effektor Fumarat modifiziert, ging aber nicht komplett verloren.rnDctA konnte in verschiedenen Plasmidsystemen überproduziert werden und bildete Homotrimere. Die Topologie von DctA wurde mit experimentellen und in silico Methoden aufgeklärt. DctA ähnelt der Struktur und Topologie des Aminosäuretransporters Glt aus Pyrococcus horikoshii. DctA besitzt acht Transmembranhelices mit einem cytosolischen N- und C-Terminus sowie zwei Haarnadelschleifen. Die Substratbindung findet höchstwahrscheinlich in den Haarnadelschleifen statt und der Transport erfolgt nach dem „alternating access“ Modell.rnAußerdem wurde die Funktion des Transporters YfcC untersucht. Das Gen yfcC wurde mit Schlüsselgenen des Acetatstoffwechsels co-transkribiert. In yfcC-Deletionsstämmen zeigte sich ein stammspezifischer Defekt bei Wachstum mit Acetat und Transport von Acetat.

Die Isolierung und Aufreinigung der Metalloendopeptidase LysN und die Evaluierung der Spezifität der LysN E157D-Mutante und ihr Einsatz in der Proteomik und die Mechanismen der Bildung von “dendritic cell aggresome- like induced structures“ (DALIS)

Der proteolytische Verdau von Proteinen in Peptide ist ein wichtiger Schritt in der Tandem-Massenspektrometrie. Dabei werden Peptide fragmentiert und die sich ergebenden Fragmentionen geben Aufschluss über die Aminosäuresequenz des zu untersuchenden Proteins. Dabei sind für die Fragmentierung sowohl Länge und Sequenz, als auch der Ladungszustand des Peptids ungemein wichtig. Diese Parameter bedingen sich durch Endoproteasen, die für den proteolytischen Verdau eingesetzt werden. Eine Voraussetzung hierfür ist die Spezifität der Protease. Trypsin ist bei weitem die gebräuchlichste Protease zur massenspektrometrischen Probenvorbereitung. Allerdings bietet Trypsin keine Komplettlösung. Je nach Fragestellung und Applikation müssen weitere Proteasen eingesetzt werden, um eine komplette Sequenzabdeckung zu gewährleisten und möglichst alle posttranslationalen Modifikationen nachzuweisen, oder bestimmte Proteomklassen (z.B Phosphoproteom

Prozessierung des humanen GARP–Rezeptors und die physiologischen Auswirkungen

GARP (Glycoprotein A Repetitions Predominant) ist ein Oberflächenrezeptor auf regulatorischen T–Zellen (TRegs), der den latenten TGF–β (Transforming Growth Factor–β) bindet. Ein Funktionsverlust von T Regs hat gravierende Autoimmunerkrankungen wie das Immunodysregulation Polyendocrinopathy Enteropathy X–linked Syndrome (IPEX), Multiple Sklerose (MS) oder Rheumatoide Arthritis (RA) zur Folge. GARP stellt über eine Erhöhung der Aktivierbarkeit von TGF–β den regulatorischen Phänotyp von TRegs sicher und inhibiert die Ausbreitung von autoreaktiven TH17 Zellen.rn In dieser Arbeit stand die Regulation von GARP selbst im Mittelpunkt. Es konnte gezeigt werden, dass es sich innerhalb der kiefertragenden Vertebraten um ein strikt konserviertes Protein handelt. Datenbankanalysen machten deutlich, dass es zuerst in basalen Knochenfischen zusammen mit anderen Komponenten der adaptiven Immunantwort auftritt. Ein 3D–Modell, welches über Homologiemodellierung erstellt wurde, gab Aufschluss über die Struktur des Rezeptors und mögliche intramolekulare Disulfidbrücken. Für in vitro Versuche wurde eine lösliche Variante von GARP durch einen Austausch der Transmembrandomäne durch C–terminale Meprin α Domänen konstruiert. Diese Variante wurde in der eukaryotischen Zellkultur zuverlässig in den Überstand sezerniert und konnte chromatografisch gereinigt werden. Mit diesem rekombinanten GARP wurden Prozessierungsversuche mit Autoimmunpathogenese assoziierten Proteasen durchgeführt. Dabei zeigte sich, dass die Serinproteasen Trypsin, Neutrophile Elastase und Plasmin, sowie die Metalloprotease MMP2 in der Lage sind, GARP vollständig zu degradieren. In TGF–β sensitiven Proliferationsuntersuchungen stellte sich heraus, dass die entstandenen Fragmente immer noch in der Lage waren die Aktivierbarkeit von TGF–β zu erhöhen. Neben der Degradierung durch die oben genannten Proteasen konnte ebenfalls beobachtet werden, dass MMP9 und Ovastacin in der Lage sind GARP spezifisch zu schneiden. Ovastacin mRNA wurde in dieser Arbeit das erste Mal außerhalb der Oocyte, in T–Zellen beschrieben. Mit GARP wurde zudem das zweite Proteinsubstrat, neben dem Zona Pellucida Protein 2 identifiziert. Das durch MMP9 erzeugte N–terminale Fragment besitzt zwar die Eigenschaft, an TGF–β zu binden, kann aber die Aktivierbarkeit von TGF–β nicht mehr wie das intakte GARP erleichtern. rnDiese Arbeit zeigte, dass GARP durch Proteolyse reguliert wird, wobei die entstehenden Fragmente unterschiedlichen Einfluss auf die Aktivierbarkeit von TGF–β haben. Dieses Wissen bildet die Grundlage für weitere Untersuchungen im translationalen Forschungsbereich, um die gewonnenen Erkenntnisse zur Immunmodulation in der Therapie verschiedener Krankheiten einsetzen zu können.rn

Specific processing of tenascin-C by the metalloprotease meprinbeta neutralizes its inhibition of cell spreading

The metalloprotease meprin has been implicated in tissue remodelling due to its capability to degrade extracellular matrix components. Here, we investigated the susceptibility of tenascin-C to cleavage by meprinbeta and the functional properties of its proteolytic fragments. A set of monoclonal antibodies against chicken and human tenascin-C allowed the mapping of proteolytic fragments generated by meprinbeta. In chicken tenascin-C, meprinbeta processed all three major splicing variants by removal of 10kDa N-terminal and 38kDa C-terminal peptides, leaving a large central part of subunits intact. A similar cleavage pattern was found for large human tenascin-C variant where two N-terminal peptides (10 or 15kDa) and two C-terminal fragments (40 and 55kDa) were removed from the intact subunit. N-terminal sequencing revealed the exact amino acid positions of cleavage sites. In both chicken and human tenascin-C N-terminal cleavages occurred just before and/or after the heptad repeats involved in subunit oligomerization. In the human protein, an additional cleavage site was identified in the alternative fibronectin type III repeat D. Whereas all these sites are known to be attacked by several other proteases, a unique cleavage by meprinbeta was located to the 7th constant fibronectin type III repeat in both chicken and human tenascin-C, thereby removing the C-terminal domain involved in its anti-adhesive activity. In cell adhesion assays meprinbeta-digested human tenascin-C was not able to interfere with fibronectin-mediated cell spreading, confirming cleavage in the anti-adhesive domain. Whereas the expression of meprinbeta and tenascin-C does not overlap in normal colon tissue, inflamed lesions of the mucosa from patients with Crohn's disease exhibited many meprinbeta-positive leukocytes in regions where tenascin-C was strongly induced. Our data indicate that, at least under pathological conditions, meprinbeta might attack specific functional sites in tenascin-C that are important for its oligomerization and anti-adhesive activity.

Fic domain-catalyzed adenylylation: insight provided by the structural analysis of the type IV secretion system effector BepA

Numerous bacterial pathogens subvert cellular functions of eukaryotic host cells by the injection of effector proteins via dedicated secretion systems. The type IV secretion system (T4SS) effector protein BepA from Bartonella henselae is composed of an N-terminal Fic domain and a C-terminal Bartonella intracellular delivery domain, the latter being responsible for T4SS-mediated translocation into host cells. A proteolysis resistant fragment (residues 10-302) that includes the Fic domain shows autoadenylylation activity and adenylyl transfer onto Hela cell extract proteins as demonstrated by autoradiography on incubation with α-[(32)P]-ATP. Its crystal structure, determined to 2.9-Å resolution by the SeMet-SAD method, exhibits the canonical Fic fold including the HPFxxGNGRxxR signature motif with several elaborations in loop regions and an additional β-rich domain at the C-terminus. On crystal soaking with ATP/Mg(2+), additional electron density indicated the presence of a PP(i) /Mg(2+) moiety, the side product of the adenylylation reaction, in the anion binding nest of the signature motif. On the basis of this information and that of the recent structure of IbpA(Fic2) in complex with the eukaryotic target protein Cdc42, we present a detailed model for the ternary complex of Fic with the two substrates, ATP/Mg(2+) and target tyrosine. The model is consistent with an in-line nucleophilic attack of the deprotonated side-chain hydroxyl group onto the α-phosphorus of the nucleotide to accomplish AMP transfer. Furthermore, a general, sequence-independent mechanism of target positioning through antiparallel β-strand interactions between enzyme and target is suggested.

Collision-Induced Dissociation Of Dipeptides In Negative Ion Electrospray Ionization Tandem Mass Spectrometry

This purpose of this project was to investigate the collision-induced dissociation of dipeptides in negative ion electrospray ionization tandem mass spectrometry, with a focus on the mechanism of the production of imidazole-type fragments not previously reported from the fragmentation of the dipeptides being studied. The majority of the dipeptides studied were alanine N-terminal or serine C-terminal dipeptides. All dipeptides were dissolved in 50:50 methanol:water, 3 mM ammonium formate. Collision-induced dissociation in the collision cell of a triple quadrupole mass spectrometer was used to fragment [M-H]- precursor ions. Accurate mass measurements confirmed the molecular formula of the imidazole-type fragments. Further MS/MS studies were performed to provide information about the fragmentation mechanism for the formation of the imidazole-type fragments. The m/z values of intermediate ions in the formation of the imidazole-type fragments were confirmed through second-generation product ion scans and precursor ion scans. More sophisticated instrumentation will be required to further probe the structure of the intermediate ions.

Crystal structure of the platelet glycoprotein Ib(alpha) N-terminal domain reveals an unmasking mechanism for receptor activation

Glycoprotein Ib (GPIb) is a platelet receptor with a critical role in mediating the arrest of platelets at sites of vascular damage. GPIb binds to the A1 domain of von Willebrand factor (vWF-A1) at high blood shear, initiating platelet adhesion and contributing to the formation of a thrombus. To investigate the molecular basis of GPIb regulation and ligand binding, we have determined the structure of the N-terminal domain of the GPIb(alpha) chain (residues 1-279). This structure is the first determined from the cell adhesion/signaling class of leucine-rich repeat (LRR) proteins and reveals the topology of the characteristic disulfide-bonded flanking regions. The fold consists of an N-terminal beta-hairpin, eight leucine-rich repeats, a disulfide-bonded loop, and a C-terminal anionic region. The structure also demonstrates a novel LRR motif in the form of an M-shaped arrangement of three tandem beta-turns. Negatively charged binding surfaces on the LRR concave face and anionic region indicate two-step binding kinetics to vWF-A1, which can be regulated by an unmasking mechanism involving conformational change of a key loop. Using molecular docking of the GPIb and vWF-A1 crystal structures, we were also able to model the GPIb.vWF-A1 complex.

The platelet collagen receptor glycoprotein VI is a member of the immunoglobulin superfamily closely related to FcalphaR and the natural killer receptors

We have cloned the platelet collagen receptor glycoprotein (GP) VI from a human bone marrow cDNA library using rapid amplification of cDNA ends with platelet mRNA to complete the 5' end sequence. GPVI was isolated from platelets using affinity chromatography on the snake C-type lectin, convulxin, as a critical step. Internal peptide sequences were obtained, and degenerate primers were designed to amplify a fragment of the GPVI cDNA, which was then used as a probe to screen the library. Purified GPVI, as well as Fab fragments of polyclonal antibodies made against the receptor, inhibited collagen-induced platelet aggregation. The GPVI receptor cDNA has an open reading frame of 1017 base pairs coding for a protein of 339 amino acids including a putative 23-amino acid signal sequence and a 19-amino acid transmembrane domain between residues 247 and 265. GPVI belongs to the immunoglobulin superfamily, and its sequence is closely related to FcalphaR and to the natural killer receptors. Its extracellular chain has two Ig-C2-like domains formed by disulfide bridges. An arginine residue is found in position 3 of the transmembrane portion, which should permit association with Fcgamma and its immunoreceptor tyrosine-based activation motif via a salt bridge. With 51 amino acids, the cytoplasmic tail is relatively long and shows little homology to the C-terminal part of the other family members. The ability of the cloned GPVI cDNA to code for a functional platelet collagen receptor was demonstrated in the megakaryocytic cell line Dami. Dami cells transfected with GPVI cDNA mobilized intracellular Ca(2+) in response to collagen, unlike the nontransfected or mock transfected Dami cells, which do not respond to collagen.

Alternative vaccination against equine botulism (BoNT/C)

REASON FOR PERFORMING STUDY: In Europe the incidence of botulism in horses has increased in the last decade due to the growing popularity of haylage feeding. Recombinant vaccines are safer and less expensive to produce and are generally better tolerated than toxoids. OBJECTIVES: To investigate whether the recombinant C-terminal half of the heavy chain of the botulinum neurotoxin C (Hc BoNT/C) in combination with an immunstimulatory adjuvant is an appropriate vaccine candidate for horses by testing its efficacy to induce neutralising antibodies and by comparing its immunogenic properties and adverse reactions to a commercial toxoid vaccine. Formation of oedema and local pain reactions were assessed. ELISA and Western blot assay against Hc BoNT/C and testing of neutralising antibody induction in a mouse protection assay were used to evaluate the immune response. RESULTS: With the recombinant vaccine, only minor local swelling with full recovery after 5 days was noted after brisket injections. The toxoid vaccine produced local, painful reactions with longer recovery periods of up to 2 weeks. Horses vaccinated with either vaccine induced neutralising antibodies after the second booster vaccination, while seroconversion on ELISA and Western blot to Hc BoNT/C was apparent after the first recombinant vaccination, and at various time points in the vaccination schedule in horses that received commercial toxoid vaccine. CONCLUSION: The recombinant vaccine showed fewer adverse reactions compared to the only commercially available vaccine but induced similar concentrations of neutralising antibodies. There was no correlation between the serological response to Hc BoNT/C and the neutralising capacity of serum. POTENTIAL RELEVANCE: Recombinant Hc BoNT/C is an appropriate vaccine candidate to stimulate production of neutralising antibodies against botulinum neurotoxin C in horses and creates only minor local reactions at the injection site.

Human intestinal maltase-glucoamylase: crystal structure of the N-terminal catalytic subunit and basis of inhibition and substrate specificity

Human maltase-glucoamylase (MGAM) is one of the two enzymes responsible for catalyzing the last glucose-releasing step in starch digestion. MGAM is anchored to the small-intestinal brush-border epithelial cells and contains two homologous glycosyl hydrolase family 31 catalytic subunits: an N-terminal subunit (NtMGAM) found near the membrane-bound end and a C-terminal luminal subunit (CtMGAM). In this study, we report the crystal structure of the human NtMGAM subunit in its apo form (to 2.0 A) and in complex with acarbose (to 1.9 A). Structural analysis of the NtMGAM-acarbose complex reveals that acarbose is bound to the NtMGAM active site primarily through side-chain interactions with its acarvosine unit, and almost no interactions are made with its glycone rings. These observations, along with results from kinetic studies, suggest that the NtMGAM active site contains two primary sugar subsites and that NtMGAM and CtMGAM differ in their substrate specificities despite their structural relationship. Additional sequence analysis of the CtMGAM subunit suggests several features that could explain the higher affinity of the CtMGAM subunit for longer maltose oligosaccharides. The results provide a structural basis for the complementary roles of these glycosyl hydrolase family 31 subunits in the bioprocessing of complex starch structures into glucose.

Highly potent 4-amino-indolo[2,3-c]azepin-3-one-containing somatostatin mimetics with a range of sst receptor selectivities

The synthesis, biological evaluation, and conformational analysis of 4-amino-indolo[2,3-c]azepin-3-one (Aia)-containing SRIF mimetics are reported. Different subtype selectivities are observed depending on the N- and C-terminal substituents of the D-Aia-Lys dipeptide mimetic. An sst(5)-selective analogue with subnanomolar binding affinity was obtained that is the most potent agonist reported to date. A nonselective mimetic with high potency was also identified. This study allows a better definition of the bioactive conformation of the essential D-Trp side chain in the somatostatin pharmacophore.

The platelet protein kinase C substrate pleckstrin binds directly to SDPR protein

Pleckstrin is a modular platelet protein consisting of N- and C-terminal pleckstrin homology (PH) domains, a central dishevelled egl10 and pleckstrin (DEP) domain and a phosphorylation region. Following agonist-induced platelet stimulation, dimeric pleckstrin translocates to the plasma membrane, is phosphorylated and then monomerizes. A recent study found that pleckstrin null platelets from a knockout mouse have a defect in granule secretion, actin polymerization and aggregation. However, the mechanism of pleckstrin signaling for this function is unknown. Our recent studies have led to the identification of a novel pleckstrin-binding protein, serum deprivation response protein (SDPR), by co-immunoprecipitation, GST-pulldowns and nanospray quadruple time of flight mass spectrometry. We show that this interaction occurs directly through N-terminal sequences of pleckstrin. Both pleckstrin and SDPR are phosphorylated by protein kinase C (PKC), but the interaction between pleckstrin and SDPR was shown to be independent of PKC inhibition or activation. These results suggest that SDPR may facilitate the translocation of nonphosphorylated pleckstrin to the plasma membrane in conjunction with phosphoinositides that bind to the C-terminal PH domain. After binding of pleckstrin to the plasma membrane, its phosphorylation by PKC exerts downstream effects on platelet aggregation/secretion.