Conservation of complex knotting and slipknotting patterns in proteins.

While analyzing all available protein structures for the presence of knots and slipknots, we detected a strict conservation of complex knotting patterns within and between several protein families despite their large sequence divergence. Because protein folding pathways leading to knotted native protein structures are slower and less efficient than those leading to unknotted proteins with similar size and sequence, the strict conservation of the knotting patterns indicates an important physiological role of knots and slipknots in these proteins. Although little is known about the functional role of knots, recent studies have demonstrated a protein-stabilizing ability of knots and slipknots. Some of the conserved knotting patterns occur in proteins forming transmembrane channels where the slipknot loop seems to strap together the transmembrane helices forming the channel.

Access of extracellular cations to their binding sites in Na,K-ATPase: role of the second extracellular loop of the alpha subunit.

Na,K-ATPase, the main active transport system for monovalent cations in animal cells, is responsible for maintaining Na(+) and K(+) gradients across the plasma membrane. During its transport cycle it binds three cytoplasmic Na(+) ions and releases them on the extracellular side of the membrane, and then binds two extracellular K(+) ions and releases them into the cytoplasm. The fourth, fifth, and sixth transmembrane helices of the alpha subunit of Na,K-ATPase are known to be involved in Na(+) and K(+) binding sites, but the gating mechanisms that control the access of these ions to their binding sites are not yet fully understood. We have focused on the second extracellular loop linking transmembrane segments 3 and 4 and attempted to determine its role in gating. We replaced 13 residues of this loop in the rat alpha1 subunit, from E314 to G326, by cysteine, and then studied the function of these mutants using electrophysiological techniques. We analyzed the results using a structural model obtained by homology with SERCA, and ab initio calculations for the second extracellular loop. Four mutants were markedly modified by the sulfhydryl reagent MTSET, and we investigated them in detail. The substituted cysteines were more readily accessible to MTSET in the E1 conformation for the Y315C, W317C, and I322C mutants. Mutations or derivatization of the substituted cysteines in the second extracellular loop resulted in major increases in the apparent affinity for extracellular K(+), and this was associated with a reduction in the maximum activity. The changes produced by the E314C mutation were reversed by MTSET treatment. In the W317C and I322C mutants, MTSET also induced a moderate shift of the E1/E2 equilibrium towards the E1(Na) conformation under Na/Na exchange conditions. These findings indicate that the second extracellular loop must be functionally linked to the gating mechanism that controls the access of K(+) to its binding site.

The CbrA-CbrB two-component regulatory system controls the utilization of multiple carbon and nitrogen sources in Pseudomonas aeruginosa.

A novel two-component system, CbrA-CbrB, was discovered in Pseudomonas aeruginosa; cbrA and cbrB mutants of strain PAO were found to be unable to use several amino acids (such as arginine, histidine and proline), polyamines and agmatine as sole carbon and nitrogen sources. These mutants were also unable to use, or used poorly, many other carbon sources, including mannitol, glucose, pyruvate and citrate. A 7 kb EcoRI fragment carrying the cbrA and cbrB genes was cloned and sequenced. The cbrA and cbrB genes encode a sensor/histidine kinase (Mr 108 379, 983 residues) and a cognate response regulator (Mr 52 254, 478 residues) respectively. The amino-terminal half (490 residues) of CbrA appears to be a sensor membrane domain, as predicted by 12 possible transmembrane helices, whereas the carboxy-terminal part shares homology with the histidine kinases of the NtrB family. The CbrB response regulator shows similarity to the NtrC family members. Complementation and primer extension experiments indicated that cbrA and cbrB are transcribed from separate promoters. In cbrA or cbrB mutants, as well as in the allelic argR9901 and argR9902 mutants, the aot-argR operon was not induced by arginine, indicating an essential role for this two-component system in the expression of the ArgR-dependent catabolic pathways, including the aruCFGDB operon specifying the major aerobic arginine catabolic pathway. The histidine catabolic enzyme histidase was not expressed in cbrAB mutants, even in the presence of histidine. In contrast, proline dehydrogenase, responsible for proline utilization (Pru), was expressed in a cbrB mutant at a level comparable with that of the wild-type strain. When succinate or other C4-dicarboxylates were added to proline medium at 1 mM, the cbrB mutant was restored to a Pru+ phenotype. Such a succinate-dependent Pru+ property was almost abolished by 20 mM ammonia. In conclusion, the CbrA-CbrB system controls the expression of several catabolic pathways and, perhaps together with the NtrB-NtrC system, appears to ensure the intracellular carbon: nitrogen balance in P. aeruginosa.

Étude des déterminants moléculaires de la signalisation des récepteurs couplés aux protéines G et développement d'outils pour l'étude de l'effecteur bêta-arrestine.

Les récepteurs couplés aux protéines G (RCPG) constituent la plus grande famille de protéines membranaires du génome humain. Ils transmettent les signaux extracellulaires provenant de plusieurs stimuli comme les odeurs, les ions, les hormones et les neurotransmetteurs, à l'intérieur des cellules. En se liant aux RCPGs, ces molécules contribuent à la stabilisation des changements conformationnels activateurs qui se propagent jusqu'au domaine intracellulaire des récepteurs. Ces derniers engagent ensuite un ou plusieurs effecteurs, comme les protéines G hétérotrimériques et les β-arrestines (βarrs), qui activent une cascade d'événements moléculaires menant à la réponse cellulaire.Récemment, la publication de structures cristallines de RCPGs liant des ligands diffusibles a offert une opportunité de raffiner à une résolution atomique les modèles des mécanismes de transduction des signaux. Dans la première partie de cette thèse, nous avons donc exploré les déterminants de la signalisation du récepteur prototypique β2-adrénergique (β2AR), induite par les β-bloqueurs. En ne tenant compte que de leur efficacités sur le β2AR dans les voies de l'adénylate cyclase (AC) et des protéines kinases activées par les facteurs mitogéniques (MAPK), les β-bloqueurs peuvent être classés en 3 groupes distincts (agoniste inverse AC / agoniste MAPK, antagoniste neutre AC / agoniste MAPK et agoniste inverse AC / agoniste inverse MAPK). Afin de déterminer le lien entre leur efficacité et leur mode de liaison, nous avons réalisé des expériences d'arrimages moléculaires in silico entre des β-bloqueurs de chacun des groupes et la structure cristalline du β2AR liée au carazolol. De manière intéressante, les ligands à l'intérieur d'un groupe partagent un mode de liaison, alors que ceux des ligands entre les groupes divergent, suggérant que le mode de liaison des β-bloqueurs pourrait être utilisé pour prédire leur l'efficacité. En accord avec cette hypothèse, nous avons prédit et confirmé l'efficacité agoniste MAPK du carazolol, un inverse agoniste AC du β2AR se liant au récepteur de manière similaire au groupe inverse agoniste AC / agoniste MAPK. De manière intéressante, le groupement aryl des ligands agonistes inverses agonistes AC / agoniste MAPK, le seul groupement chimique variable de ce groupe, est prédite pour lier la région des 3e et 5e hélices transmembranaires (TM3 et TM5). Nous avons donc émis l'hypothèse que cette région pourrait être un déterminant de l'efficacité de ces ligands. En accord avec cette dernière, la mutation de 2 résidus (T118I, S203A) localisés proches du site de liaison des groupements aryls des β-bloqueurs, prévient l'efficacité agoniste inverse de l'ICI-118551 sur la voie de l'AC sans affecter l'efficacité d'un agoniste, indiquant que cette région est importante pour la transmission de l'effet agoniste inverse, du moins sur la voie de l'AC. Les βarrs sont des protéines d'échafaudage qui coordonnent la formation de complexes avec plusieurs dizaines d'effecteurs de signalisation. Originalement identifiées pour leur rôle dans la désensibilisation et l'internalisation des RCPGs, elles sont aussi d'importants effecteurs de la signalisation des RCPGs indépendante des protéines G hétérotrimériques. Cependant, contrairement aux protéines G hétérotrimériques, il n'existe que peu d'outils pour les étudier. Ainsi, la deuxième partie de la thèse est dédiée au développement d'outils pour l'étude des βarrs. À cette fin, nous avons d'abord tenté de transposer une méthode de mesure de l'interaction entre 2 protéines par la technologie de transfert d'énergie de bioluminescence par résonance (BRET) en microscopie et chez des souris transgéniques afin de mesurer de manière subcellulaire et dans un contexte natif l'engagement de la βarr à des RCPGs. Ainsi, nous avons établi les preuves de principe que le BRET peut être utilisé pour localiser l'interaction entre la βarr et le récepteur de la vasopressine de type 2 (V2R) sur une cellule au microscope et pour détecter l'interaction entre la βarr et le β2AR sur des tissus de souris transgéniques exprimant ces protéines fusionnées avec des partenaires BRET. Finalement, il n'existe aucun inhibiteur pharmacologique ciblant les βarrs. Ainsi, grâce à la combinaison d'approches de criblage virtuel sur un modèle de la structure des βarrs et d'essais de validation cellulaire, nous avons développé un inhibiteur pharmacologique des βarrs. À l'aide de cet outil, nous avons confirmé l'implication des βarrs dans l'activation des MAPK par le V2R, mais aussi montré un nouveau rôle des βarrs dans le recyclage du β2AR. Les connaissances et outils développés dans cette thèse permettront de mieux comprendre les déterminants moléculaires de la signalisation des RCPGs et entre autres, grâce à des nouvelles approches pour étudier le rôle cellulaire et physiologique des βarrs.

B-type cytochromes of the DOMON domain superfamily (Novel redox elements of plant plasma membrane)

The aim of the present study is understanding the properties of a new group of redox proteins having in common a DOMON-type domain with characteristics of cytochromes b. The superfamily of proteins containing a DOMON of this type includes a few protein families. With the aim of better characterizing this new protein family, the present work addresses both a CyDOM protein (a cytochrome b561) and a protein only comprised of DOMON(AIR12), both of plant origin. Apoplastic ascorbate can be regenerated from monodehydroascorbate by a trans-plasma membrane redox system which uses cytosolic ascorbate as a reductant and comprises a high potential cytochrome b. We identified the major plasma membrane (PM) ascorbate-reducible b-type cytochrome of bean (Phaseolus vulgaris) and soybean (Glycine max) hypocotyls as orthologs of Arabidopsis auxin-responsive gene air12. The protein, which is glycosylated and glycosylphosphatidylinositol-anchored to the external side of the PM in vivo, was expressed in Pichia pastoris in a recombinant form, lacking the glycosylphosphatidylinositol-modification signal, and purified from the culture medium. Recombinant AIR12 is a soluble protein predicted to fold into a β-sandwich domain and belonging to the DOMON superfamily. It is shown to be a b-type cytochrome with a symmetrical α-band at 561 nm, to be fully reduced by ascorbate and fully oxidized by monodehydroascorbate. Redox potentiometry suggests that AIR12 binds two high-potential hemes (Em,7 +135 and +236 mV). Phylogenetic analyses reveal that the auxin-responsive genes AIR12 constitute a new family of plasma membrane b-type cytochromes specific to flowering plants. Although AIR12 is one of the few redox proteins of the PM characterized to date, the role of AIR12 in trans-PM electron transfer would imply interaction with other partners which are still to be identified. Another part of the present project was aimed at understanding of a soybean protein comprised of a DOMON fused with a well-defined b561 cytochrome domain (CyDOM). Various bioinformatic approaches show this protein to be composed of an N-terminal DOMON followed by b561 domain. The latter contains five transmembrane helices featuring highly conserved histidines, which might bind haem groups. The CyDOM has been cloned and expressed in the yeast Pichia pastoris, and spectroscopic analyses have been accomplished on solubilized yeast membranes. CyDOM clearly reveal the properties of b-type cytochrome. The results highlight the fact that CyDOM is clearly able to lead an electron flux through the plasmamembrane. Voltage clamp experiments demonstrate that Xenopus laevis oocytes transformed with CyDOM of soybean exhibit negative electrical currents in presence of an external electron acceptor. Analogous investigations were carried out with SDR2, a CyDOM of Drosophila melanogaster which shows an electron transport capacity even higher than plant CyDOM. As quoted above, these data reinforce those obtained in plant CyDOM on the one hand, and on the other hand allow to attribute to SDR2-like proteins the properties assigned to CyDOM. Was expressed in Regenerated tobacco roots, transiently transformed with infected a with chimeral construct GFP: CyDOM (by A. rhizogenes infection) reveals a plasmamembrane localization of CyDOM both in epidermal cells of the elongation zone of roots and in root hairs. In conclusion. Although the data presented here await to be expanded and in part clarified, it is safe to say they open a new perspective about the role of this group of proteins. The biological relevance of the functional and physiological implications of DOMON redox domains seems noteworthy, and it can but increase with future advances in research. Beyond the very finding, however interesting in itself, of DOMON domains as extracellular cytochromes, the present study testifies to the fact that cytochrome proteins containing DOMON domains of the type of “CyDOM” can transfer electrons through membranes and may represent the most important redox component of the plasmamembrane as yet discovered.

Cholesterin-Interaktion mit G-Protein-gekoppelten Rezeptoren und intrazelluläre Verteilung

ZusammenfassungIn dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass neben dem Oxytocinrezeptor auch die anderen Rezeptoren der Familie der Neurohypophysenhormone, die Vasopressinrezeptoren, in der gleichen Weise in ihren Bindungseigenschaften von Cholesterin beeinflusst werden. Im Gegensatz dazu zeigt der Cholecystokininrezeptor Typ B keine direkte Wechselwirkung mit Cholesterin. Durch Austausch der Transmembranhelices 6 und 7 des Oxytocinrezeptors mit entsprechenden Bereichen des Cholecystokininrezeptors wurde ein Rezeptor erzeugt, der bezüglich Bindungsverhalten und Cholesterinabhängigkeit keine Unterschiede zu dem Wildtyp-Oxytocinrezeptor zeigte. Durch den Einsatz von computergestütztem 'Modeling' wurde für die Interaktion des Oxytocinrezeptors mit Cholesterin eine Stelle zwischen den Transmembranhelices 5 und 6 vorgeschlagen. Um die Verteilung des Cholesterins in der Zelle zu untersuchen, wurde ein selbst synthetisiertes, fluoreszierendes Cholesterinderivat (Fluochol) eingesetzt. Die Komplexierung in Cyclodextrinen ermöglichte die Einlagerung von Fluochol in die Plasmamembran von Zellen. Der Einstrom des Fluochol in das ER erfolgte innerhalb von Minuten und war energieunabhängig. Schließlich wurde Fluochol in Lipidtröpfchen transportiert, die in fast allen Zellen für die Speicherung überschüssiger intrazellulärer Lipide dienen. Die Tröpfchen werden aus dem endoplasmatischen Retikulum gebildet und enthalten neben Phospholipiden auch Cholesterin, das durch das Enzym ACAT mit langkettigen Fettsäuren verestert wird.

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.

Signalerkennung und Signaltransduktion im DctA,DcuS-Sensor-Regulatorkomplex von Escherichia coli.

E. coli ist in der Lage unter aeroben sowie anaeroben Bedingungen C4-Dicarbonsäuren zur Energiekonservierung zu nutzen. Das DcuS/DcuR-Zweikomponentensystem detektiert diese und reguliert die Gene für den C4-Dicarboxylat-Transport und Metabolismus. Dabei hängt die Sensitivität der Sensorkinase DcuS für C4-Dicarbonsäuren von der Anwesenheit des aeroben Symporters DctA oder des anaeroben Antiporters DcuB ab. Diese bifunktionalen Transporter bilden mit DcuS über direkte Protein-Protein-Wechselwirkungen Sensoreinheiten. In dieser Arbeit wurden die Funktionen von DctA und DcuS im DctA/DcuS-Sensorkomplex analysiert. Mit DctA(S380D) wurde eine Variante des Transporters identifiziert, in der die regulatorische Eigenschaft von der katalytischen Funktion entkoppelt ist. Stämme von E. coli, die den DctA(S380D)/DcuS-Sensorkomplex enthielten, waren in der Lage C4-Dicarbonsäuren wahrzunehmen, obwohl die Transportfunktion von DctA inaktiviert war. Zudem wurden Unterschiede in den Substratspektren von DctA und DcuS festgestellt. Citrat, ein guter Effektor des DctA/DcuS-Sensorkomplexes, wurde durch DctA nicht gebunden oder transportiert. Anhand von Titrationsexperimenten mit variierenden DctA-Mengen wurde außerdem nachgewiesen, dass die Sensitivität von DcuS für seine Effektoren von der DctA-Konzentration abhängig ist. Es konnte gezeigt werden, dass DctA im DctA/DcuS-Sensorkomplex nicht an der Erkennung von C4-Dicarbonsäuren beteiligt ist. DcuS stellt die Signaleingangsstelle des Komplexes dar, während DctA durch seine Anwesenheit die Sensorkinase in eine funktionsbereite oder sensitive Form überführt, die auf Effektoren reagieren kann. Darüber hinaus wurde die Rolle der Transmembranhelices TM1 und TM2 von DcuS für die Funktion und Dimerisierung der Sensorkinase untersucht. Durch Sequenzanalysen wurden „SmallxxxSmall“-Motive, deren Relevanz als Dimerisierungsschnittstellen bereits in Transmembranhelices anderer Proteine nachgewiesen wurde, in TM1 sowie TM2 identifiziert. Die Homodimerisierung beider Transmembrandomänen wurde im GALLEX Two-Hybrid System nachgewiesen, wobei die TM2-TM2-Interaktion stärker war. Die Substitution G190A/G194A im SxxxGxxxG-Tandemmotiv von TM2 rief zudem einen deutlichen Funktionsverlust der Sensorkinase hervor. Dieser Aktivitätsverlust korrelierte mit Störungen der Homodimerisierung von TM2(G190A/G194A) sowie DcuS(G190A/G194A) bei bakteriellen Two-Hybrid Messungen im GALLEX- bzw. BACTH-System. Demzufolge agiert Transmembranhelix 2 mit seinem SxxxGxxxG-Sequenzmotiv als wesentliche Homodimerisierungsstelle in DcuS. Die Dimerisierung von DcuS ist essentiell für die Funktion der Histidinkinase. Zusätzlich wurde bei fluoreszenzmikroskopischen Studien durch Koexpression von DcuS bzw. DctA die zelluläre Kolokalisierung von DctA und DcuR mit DcuS sowie DauA mit DctA nachgewiesen. Die DctA/DcuS-Sensoreinheit kann demnach zum DauA/DctA/DcuS/DcuR-Komplex erweitert werden.

Signaltransduktion in der membranständigen Sensor-Histidinkinase DcuS von Escherichia coli

Escherichia coli kann unter aeroben und anaeroben Bedingungen mit C4-Dicarboxylaten wachsen, die Regulation des Stoffwechsels erfolgt durch das Zwei-Komponenten-System DcuSR. Die C4-Dicarboxylattransporter DctA (aerob) bzw. DcuB (anaerob) agieren als Co-Regulatoren und bilden gemeinsam mit der Sensor-Histidinkinase DcuS einen Sensorkomplex, in dem DcuS den Sensor darstellt und DctA bzw. DcuB diesen in seine rezeptive Form überführen. DcuS ist membranständig und verknüpft die Bindung von C4-Dicarboxylaten im Periplasma mit der Autophosphorylierung seiner Kinasedomäne im Cytoplasma. Dies stellt den Beginn einer Signalkaskade vom extrazellulären Reiz zum cytoplasmatischen Responseregulator DcuR dar.rnIn dieser Arbeit wurde die intramolekulare Signaltransduktion in DcuS und über die Membran untersucht. Der Fokus lag auf der Funktion der beiden Transmembranhelices TM1 und TM2 und der cytoplasmatischen PAS-Domäne, die die sensorische PASp- mit der effektorischen Kinasedomäne verbinden. Konformationsänderungen dieser Signalweiterleitung wurden durch Cysteinzugänglichkeitsstudien, oxidatives Cystein-Crosslinking und Mutageneseexperimente analysiert. rnTM2 wurde als der Überträger eines transmembranen Signals identifiziert, während TM1 als Membrananker fungiert. Der aktive Signalzustand von TM2 wird unabhängig von der Art der DcuS-Aktivierung (Effektorbindung, Deletion des Co-Regulators DctA oder PASc-ON-Mutationen) eingenommen. Der Signaltransduktion liegt eine Verschiebung von TM2 entlang ihrer Längsachse (Kolbenhub) in Richtung Periplasma zu Grunde. Cystein-Crosslinking offenbarte eine durchgehende Helix aus PASp-α6 und TM2, die im Dimer parallel mit ihrem Pendant verschoben wird. Die Amplitude des Kolbenhubs wurde anhand von Zugänglichkeitsveränderungen, der Lage verankernder Tryptophanreste, Strukturvergleichen und energetischen Berechnungen auf max. 4 - 6 Å festgelegt. Sie ist von der Effektorstärke abhängig und koppelt so die metabolische Bevorzugung einzelner Substrate an das Ausmaß des Kolbenhubs und der Genexpression. Für die cytoplasmatische PAS-Domäne wurde ein Zusammenhang zwischen lokaler Dimerisierung und Kontrolle der Sensorfunktion nachgewiesen. Schwächung der Dimerisierung führt zu einer Aktivierung der Sensorkinase. Es wurde eine hydrophobe Region identifiziert, deren strukturelle Integrität für diese Dimerisierung essentiell ist. Mit N248 wurde ein funktionell bedeutender Rest beschrieben, der auf Grund seiner Lage und seiner Eigenschaft mehrere Sekundärstrukturelemente zu verknüpfen, als Scharnier innerhalb der Domäne an der Umsetzung des Kolbenhubs in eine veränderte Quartärstruktur von PASc beteiligt sein könnte.

Faltung, Assemblierung und Stabilisierung des Transmembranproteins Cytochrom b 6

In dieser Arbeit wurde der Beitrag der interhelikalen Loops zur Faltung, Assemblierung und Stabilität des kofaktortragenden Transmembranproteins Cytochrom b6 in vitro untersucht. Cytochrom b6 ist aus vier Transmembranhelices aufgebaut, die über drei Loops miteinander verbunden sind. Die beiden nicht-kovalent gebundenen Kofaktoren werden spontan in der Häm-Bindespalte zwischen den zwei Cytochrom b6-Hälften gebunden. Die Ergebnisse zeigen, dass die Verlängerung oder Eliminierung des Loops, der die beiden Hälften verbindet, nicht die Faltung und Assemblierung des Proteins beeinflusst. Der Loop ist für eine räumliche Positionierung und Orientierung der Hälften während der Assemblierung nicht essentiell. Weiterhin scheint keiner der drei interhelikalen Loops für die Bindung der Kofaktoren notwendig zu sein. Die Cytochrom b6-Hälfte, bestehend aus den Helices A und B, besitzt eine Konformation, die stabil genug ist um Häm alleine zu binden. Ebenso zeigt Helix B alleine eine α-helikale Struktur und bindet ebenfalls Häm. In vivo wurden bislang keine Faktoren beschrieben, die an der Assemblierung beteiligt sind. Im Rahmen dieser Arbeit wurden strukturelle Merkmale des Häms identifiziert, welche die Spezifität der Häm-Bindung, wenigstens in vitro, ausmachen. Von großer Bedeutung ist dabei das zentrale Eisen-Ion, dessen Eliminierung oder Austausch die Häm-Bindung verhindert. Die Substituenten des Porphyrinrings scheinen hingegen für die Stabilität der Bindung notwendig zu sein.

Eigenschaften heterotypisch interagierender Transmembranhelices ermittelt durch den Einsatz einer kombinatorischen DNS-Bibliothek

Membranproteine sind für Medizin und Forschung von großer Bedeutung. Allerdings gestaltet sich die Forschung an diesen Proteinen oft umständlich und schwierig. Da Membranproteine nur in geringem Maße wasserlöslich sind, können konventionelle biochemische Methoden zur Proteinanalyse nur begrenzt Anwendung finden. Im Rahmen dieser Dissertation wurde ein Reportersystem entwickelt, das zur Analyse von transmembranen Proteinen eingesetzt werden kann. Das System ermöglicht die Untersuchung von Interaktionstendenzen transmembraner, helicaler Proteinelemente in der biologischen Membran des Bakteriums Escherichia coli. Interaktionen transmembraner α-Helices sind bei der Signalweiterleitung über die zelluläre Membran von Bedeutung. So spielt beispielsweise bei vielen membranständigen Rezeptoren die Zusammenlagerung von einzelnen Einheiten zu Oligomeren für den Informationsfluss eine wichtige Rolle. Auch für die Faltung von Membranproteinen sind Interaktionen transmembraner α-Helices relevant. rnEine Validierung des Reportersystems wurde durch gezielte Untersuchungen an dem bakteriellen Aquaglyceroporin GlpF vorgenommen. Bereits vorliegende Strukturdaten für GlpF ließen eine Interaktion der Helices 1 und 2 sowie 1 und 4 des Kanals vermuten, was mit Hilfe des entwickelten Reportersystems bestätigt werden konnte. Eine moderate Interaktionstendenz konnte für beide Helix-Helix-Paarungen festgestellt werden. In der weiterführenden Anwendung des Systems wurden die Eigenschaften der Helix-Helix-Kontaktfläche von heterotypisch interagierenden Transmembranhelices in Bezug auf deren Aminosäurekomposition betrachtet. Dazu wurde zunächst eine auf Plasmiden basierende, kombinatorische DNS-Bibliothek angelegt, die für transmembrane Helices mit zufällig auftretenden Aminosäureresten codierte. Die Anordnung der variablen Seitenketten erfolgte so, dass in Verbindung mit dem Reportersystem eine Helix-Helix-Kontaktfläche randomisierter Aminosäurereste generiert wurde. Um Paare interagierender Helices zu erhalten, wurde ein Selektionsdruck auf E. coli-Zellen erzeugt, in denen die Expression der Transmembranhelices erfolgte. Nur in Zellen mit interagierenden Helices kam es zu einer Aktivierung von Stoffwechselgenen, die das Wachstum in einem Minimalmedium gestattete. Infolge konnten Aminosäurereste und Interaktionsmotive identifiziert werden, die für heterotypische Interaktionen von α-Helices in Membranen eine bedeutende Rolle spielen. Den höchsten Grad an Überrepräsentation an der Helix-Helix-Kontaktfläche zeigten Glycinseitenketten. Weiterhin überrepräsentiert waren Phenylalanin-, Cystein- und Alaninreste. Auch zeigte sich sowohl die Bedeutung des aus dem humanen Glycophorin A (GpA) bekannten Aminosäure-Sequenzmotivs GxxxG, als auch die des Interaktionsmotivs [klein]xxx[klein], in dem Glycin-, Alanin- oder Serinreste in Positionen getrennt durch drei unbestimmte Seitenketten enthalten sind. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass bei der Ausbildung eines Helix-Helix-Dimers bestimmte Seitenketten häufiger als andere helixübergreifend in geringer Distanz zueinander auftraten. Hierbei hob sich in besonderem Maße die Paarung Glycin/Glycin hervor. Auch konnten die Paarungen Glycin/Cystein und Phenylalanin/Phenylalanin häufig vorgefunden werden. Darüber hinaus weist das häufige Auftreten von Glycinresten in geringer Distanz auf ein neuartiges Interaktionsmotiv hin. Anders als beim GxxxG-Motiv sind hierbei zwei Glycinreste nicht innerhalb einer Helix, sondern in zwei verschiedenen, interagierenden Transmembranhelices in geringem Abstand zueinander lokalisiert. Die Anwesenheit dieser kurzen Seitenketten in bestimmten Positionen könnte, ähnlich wie das GxxxG-Motiv, den Abstand zweier Helices zueinander verringern und so interhelicale Wechselwirkungen anderer Seitenketten begünstigen.

Role of transducer proteins in photoaxis signaling of Halobacterium salinarum

In Halobacterium salinarum phototaxis is mediated by the visual pigment-like photoreceptors sensory rhodopsin I (SRI) and II (SRII). SRI is a receptor for attractant orange and repellent UV-blue light, and SRII is a receptor for repellent blue-green light, and transmit signals through the membrane-bound transducer proteins HtrI and HtrII, respectively. ^ The primary sequences of HtrI and HtrII predict 2 transmembrane helices (TM1 and TM2) followed by a hydrophilic cytoplasmic domain. HtrII shows an additional large periplasmic domain for chemotactic ligand binding. The cytoplasmic regions are homologous to the adaptation and signaling domains of eubacterial chemotaxis receptors and, like their eubacterial homologs, modulate the transfer of phosphate groups from the histidine protein kinase CheA to the response regulator CheY that in turn controls flagellar motor rotation and the cell's swimming behavior. HtrII and Htrl are dimeric proteins which were predicted to contain carboxylmethylation sites in a 4-helix bundle in their cytoplasmic regions, like eubacterial chemotaxis receptors. ^ The phototaxis transducers of H. salinarum have provided a model for studying receptor/tranducer interaction, adaptation in sensory systems, and the role of membrane molecular complexes in signal transduction. ^ Interaction between the transducer HtrI and the photoreceptor SRI was explored by creating six deletion constructs of HtrI, with progressively shorter cytoplasmic domains. This study confirmed a putative chaperone-like function of HtrI, facilitating membrane insertion or stability of the SRI protein, a phenomenon previously observed in the laboratory, and identified the smallest HtrI fragment containing interaction sites for both the chaperone-like function and SRI photocycle control. The active fragment consisted of the N-terminal 147 residues of the 536-residue HtrI protein, a portion of the molecule predicted to contain the two transmembrane helices and the first ∼20% of the cytoplasmic portion of the protein. ^ Phototaxis and chemotaxis sensory systems adapt to stimuli, thereby signaling only in response to changes in environmental conditions. Observations made in our and in other laboratories and homologies between the halobacterial transducers with the chemoreceptors of enteric bacteria anticipated a role for methylation in adaptation to chemo- and photostimuli. By site directed mutagenesis we identified the methylation sites to be the glutamate pairs E265–E266 in HtrI and E513–E514 in HtrII. Cells containing the unmethylatable transducers are still able to perform phototaxis and adapt to light stimuli. By pulse-chase analysis we found that methanol production from carboxylmethyl group hydrolysis occurs upon specific photo stimulation of unmethylatable HtrI and HtrII and is due to turnover of methyl groups on other transducers. We demonstrated that the turnover in wild-type H. salinarum cells that follows a positive stimulus is CheY-dependent. The CheY-feedback pathway does not require the stimulated transducer to be methylatable and operates globally on other transducers present in the cell. ^ Assembly of signaling molecules into architecturally defined complexes is considered essential in transmission of the signals. The spectroscopic characteristics of SRI were exploited to study the stoichiometric composition in the phototaxis complex SRI-HtrI. A molar ratio of 2.1 HtrI: 1 SRI was obtained, suggesting that only 1 SRI binding site is occupied on the HtrI homodimer. We used gold-immunoelectron microscopy and light fluorescence microscopy to investigate the structural organization and the distribution of other halobacterial transducers. We detected clusters of transducers, usually near the cell's poles, providing a ultrastructural basis for the global effects and intertransducer communication we observe. ^

Membrane-bound state of the colicin E1 channel domain as an extended two-dimensional helical array

Atomic level structures have been determined for the soluble forms of several colicins and toxins, but the structural changes that occur after membrane binding have not been well characterized. Changes occurring in the transition from the soluble to membrane-bound state of the C-terminal 190-residue channel polypeptide of colicin E1 (P190) bound to anionic membranes are described. In the membrane-bound state, the α-helical content increases from 60–64% to 80–90%, with a concomitant increase in the average length of the helical segments from 12 to 16 or 17 residues, close to the length required to span the membrane bilayer in the open channel state. The average distance between helical segments is increased and interhelix interactions are weakened, as shown by a major loss of tertiary structure interactions, decreased efficiency of fluorescence resonance energy transfer from an energy donor on helix V of P190 to an acceptor on helix IX, and decreased resonance energy transfer at higher temperatures, not observed in soluble P190, implying freedom of motion of helical segments. Weaker interactions are also shown by a calorimetric thermal transition of low cooperativity, and the extended nature of the helical array is shown by a 3- to 4-fold increase in the average area subtended per molecule to 4,200 Å2 on the membrane surface. The latter, with analysis of the heat capacity changes, implies the absence of a developed hydrophobic core in the membrane-bound P190. The membrane interfacial layer thus serves to promote formation of a highly helical extended two-dimensional flexible net. The properties of the membrane-bound state of the colicin channel domain (i.e., hydrophobic anchor, lengthened and loosely coupled α-helices, and close association with the membrane interfacial layer) are plausible structural features for the state that is a prerequisite for voltage gating, formation of transmembrane helices, and channel opening.