Production of active recombinant eIF5A: reconstitution in E. coli of eukaryotic hypusine modification of eIF5A by its coexpression with modifying enzymes

Eukaryotic translation initiation factor 5A (eIF5A) is the only cellular protein that contains the polyamine-modified lysine, hypusine [Nε-(4-amino-2-hydroxybutyl)lysine]. Hypusine occurs only in eukaryotes and certain archaea, but not in eubacteria. It is formed post-translationally by two consecutive enzymatic reactions catalyzed by deoxyhypusine synthase (DHS) and deoxyhypusine hydroxylase (DOHH). Hypusine modification is essential for the activity of eIF5A and for eukaryotic cell proliferation. eIF5A binds to the ribosome and stimulates translation in a hypusine-dependent manner, but its mode of action in translation is not well understood. Since quantities of highly pure hypusine-modified eIF5A is desired for structural studies as well as for determination of its binding sites on the ribosome, we have used a polycistronic vector, pST39, to express eIF5A alone, or to co-express human eIF5A-1 with DHS or with both DHS and DOHH in Escherichia coli cells, to engineer recombinant proteins, unmodified eIF5A, deoxyhypusine- or hypusine-modified eIF5A. We have accomplished production of three different forms of recombinant eIF5A in high quantity and purity. The recombinant hypusine-modified eIF5A was as active in methionyl-puromycin synthesis as the native, eIF5A (hypusine form) purified from mammalian tissue. The recombinant eIF5A proteins will be useful tools in future structure/function and the mechanism studies in translation.

Estudo do papel da proteína eIF5A na elongação da tradução em S. cerevisiae: análise da relação funcional com o trna de alanina e sua participação na síntese proteica geral da célula

Pós-graduação em Biotecnologia - IQ

Caracterização funcional do fator da tradução eIF5A por meio de interações genéticas

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Estudo das interações de eIF5A com a maquinaria de tradução e com o complexo Ribosome Quality Control, utilizando modelo de Saccharomyces cerevisiae

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

A Unique Modification of the Eukaryotic Initiation Factor 5A Shows the Presence of the Complete Hypusine Pathway in Leishmania donovani

Deoxyhypusine hydroxylase (DOHH) catalyzes the final step in the post-translational synthesis of an unusual amino acid hypusine (N-(sic)-(4-amino-2-hydroxybutyl) lysine), which is present on only one cellular protein, eukaryotic initiation factor 5A (eIF5A). We present here the molecular and structural basis of the function of DOHH from the protozoan parasite, Leishmania donovani, which causes visceral leishmaniasis. The L. donovani DOHH gene is 981 bp and encodes a putative polypeptide of 326 amino acids. DOHH is a HEAT-repeat protein with eight tandem repeats of alpha-helical pairs. Four conserved histidine-glutamate sequences have been identified that may act as metal coordination sites. A similar to 42 kDa recombinant protein with a His-tag was obtained by heterologous expression of DOHH in Escherichia coli. Purified recombinant DOHH effectively catalyzed the hydroxylation of the intermediate, eIF5A-deoxyhypusine (eIF5A-Dhp), in vitro. L. donovani DOHH (LdDOHH) showed similar to 40.6% sequence identity with its human homolog. The alignment of L. donovani DOHH with the human homolog shows that there are two significant insertions in the former, corresponding to the alignment positions 159-162 (four amino acid residues) and 174-183 (ten amino acid residues) which are present in the variable loop connecting the N- and C-terminal halves of the protein, the latter being present near the substrate binding site. Deletion of the ten-amino-acid-long insertion decreased LdDOHH activity to 14% of the wild type recombinant LdDOHH. Metal chelators like ciclopirox olamine (CPX) and mimosine significantly inhibited the growth of L. donovani and DOHH activity in vitro. These inhibitors were more effective against the parasite enzyme than the human enzyme. This report, for the first time, confirms the presence of a complete hypusine pathway in a kinetoplastid unlike eubacteria and archaea. The structural differences between the L. donovani DOHH and the human homolog may be exploited for structure based design of selective inhibitors against the parasite.

Structural modeling and mutational analysis of yeast eukaryotic translation initiation factor 5A reveal new critical residues and reinforce its involvement in protein synthesis

Eukaryotic translation initiation factor 5A (eIF5A) is a protein that is highly conserved and essential for cell viability. This factor is the only protein known to contain the unique and essential amino acid residue hypusine. This work focused on the structural and functional characterization of Saccharomyces cerevisiae eIF5A. The tertiary structure of yeast eIF5A was modeled based on the structure of its Leishmania mexicana homologue and this model was used to predict the structural localization of new site-directed and randomly generated mutations. Most of the 40 new mutants exhibited phenotypes that resulted from eIF-5A protein-folding defects. Our data provided evidence that the C-terminal alpha-helix present in yeast eIF5A is an essential structural element, whereas the eIF5A N-terminal 10 amino acid extension not present in archaeal eIF5A homologs, is not. Moreover, the mutants containing substitutions at or in the vicinity of the hypusine modification site displayed nonviable or temperature-sensitive phenotypes and were defective in hypusine modification. Interestingly, two of the temperature-sensitive strains produced stable mutant eIF5A proteins - eIF5A(K56A) and eIF5A(Q22H,L93F)- and showed defects in protein synthesis at the restrictive temperature. Our data revealed important structural features of eIF5A that are required for its vital role in cell viability and underscored an essential function of eIF5A in the translation step of gene expression.

Evidence for conformational changes in the yeast deoxyhypusine hydroxylase Lia1 upon iron displacement from its active site

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Structural modeling and mutational analysis of yeast eukaryotic translation initiation factor 5A reveal new critical residues and reinforce its involvement in protein synthesis

Eukaryotic translation initiation factor 5A (eIF5A) is a protein that is highly conserved and essential for cell viability. This factor is the only protein known to contain the unique and essential amino acid residue hypusine. This work focused on the structural and functional characterization of Saccharomyces cerevisiae eIF5A. The tertiary structure of yeast eIF5A was modeled based on the structure of its Leishmania mexicana homologue and this model was used to predict the structural localization of new site-directed and randomly generated mutations. Most of the 40 new mutants exhibited phenotypes that resulted from eIF-5A protein-folding defects. Our data provided evidence that the C-terminal alpha-helix present in yeast eIF5A is an essential structural element, whereas the eIF5A N-terminal 10 amino acid extension not present in archaeal eIF5A homologs, is not. Moreover, the mutants containing substitutions at or in the vicinity of the hypusine modification site displayed nonviable or temperature-sensitive phenotypes and were defective in hypusine modification. Interestingly, two of the temperature-sensitive strains produced stable mutant eIF5A proteins - eIF5A(K56A) and eIF5A(Q22H,L93F)- and showed defects in protein synthesis at the restrictive temperature. Our data revealed important structural features of eIF5A that are required for its vital role in cell viability and underscored an essential function of eIF5A in the translation step of gene expression.

Use of a synthetic lethal screen to identify genes related to TIF51A in Saccharomyces cerevisiae

The putative eukaryotic translation initiation factor 5A (eIF5A) is an essential protein for cell viability and the only cellular protein known to contain the unusual amino acid residue hypusine. eIF5A has been implicated in translation initiation, cell proliferation, nucleocytoplasmic transport, mRNA decay, and actin polarization, but the precise biological function of this protein is not clear. However, eIF5A was recently shown to be directly involved with the translational machinery. A screen for synthetic lethal mutations was carried out with one of the temperature-sensitive alleles of TIF51A (tif51A-3) to identify factors that functionally interact with eIF5A and revealed the essential gene YPT1. This gene encodes a small GTPase, a member of the rab family involved with secretion, acting in the vesicular trafficking between endoplasmatic reticulum and the Golgi. Thus, the synthetic lethality between TIF51A and YPT1 may reveal the connection between translation and the polarized distribution of membrane components, suggesting that these proteins work together in the cell to guarantee proper protein synthesis and secretion necessary for correct bud formation during G1/ S transition. Future studies will investigate the functional interaction between eIF5A and Ypt1 in order to clarify this involvement of eIF5A with vesicular trafficking. ©FUNPEC-RP.

Caracterização de mutantes condicionais do gene da desoxi-hipusina sintase em Saccharomyces cerevisiae

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Análise de interação funcional de elF5A com a tradução, repressão da tradução e degradação de mRNA em Saccharomyces cerevisiae

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Identificação de fatores celulares que interagem fisicamente com Lia1 por meio do rastreamento de duplo-híbrido

A síntese de hipusina é uma modificação pós-traducional única e essencial que ocorre somente no provável fator de início de tradução de eucariotos 5A (eIF5A). Enquanto que a enzima desoxi-hipusina sintase catalisa a formação de desoxi-hipusina no precursor de eIF5A, posterior hidroxilação deste intermediário pela enzima desoxi-hipusina hidroxilase gera a forma madura hipusinada. Apesar da essencialidade de eIF5A e hipusina no crescimento celular, a função biológica desempenhada por este fator intrigante permaneceu obscura por décadas. Recentemente, novas evidências fortaleceram o envolvimento de eIF5A na tradução, mas o seu mecanismo de ação ainda precisa ser elucidado. Com o objetivo de identificar proteínas que interagem com eIF5A que pudessem contribuir para a elucidação de sua função, foi realizado um rastreamento de duplo-híbrido através do qual um novo parceiro físico foi revelado, a proteína codificada pelo gene YJR070C, denominado LIA1 (Ligante de eIF5A) pelo nosso laboratório. Entretanto, este dado não contribuiu para a determinação do papel de eIF5A dentro da célula, pois a função exercida por Lia1 era naquele momento desconhecida. Em 2006, a clonagem de LIA1 como o gene codificador da enzima desoxi-hipusina hidroxilase culminou na completa identificação das enzimas da via de síntese de hipusina no precursor de eIF5A. No entanto, o mecanismo pelo qual eIF5A contendo desoxi-hipusina é hidroxilado não é completamente conhecido. Como o rastreamento por duplo-híbrido tem-se revelado de grande importância para a compreensão dos processos biológicos que ocorrem em uma célula, pois vem sendo amplamente empregado na elucidação da função de diferentes fatores celulares através da análise de interações proteína-proteína, o presente trabalho visou à busca de ligantes físicos de Lia1 através do emprego desta técnica... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo)

Análise da supressão do fenótipo de sensibilidade a temperatura do mutante tif51A Q22H/L93F em Saccharomyces cerevisiae

O fator de início da tradução de eucariotos eIF5A é uma proteína essencial para a viabilidade celular, altamente conservada em arqueas e em eucariotos e apresenta uma modificação pós-traducional única em que um resíduo específico de lisina é modificado para o aminoácido hipusina. O processo de hipusinação é essencial para a função de eIF5A e consequentemente para a viabilidade celular. eIF5A foi descrita inicialmente como um fator de início da tradução, pois estimula a síntese de metionil-puromicina in vitro, porém, dados recentes de nosso e de outros grupos mostraram um papel para eIF5A na etapa de elongação da tradução. eIF5A é um homólogo estrutural do fator de elongação da tradução P (EF-P) de bactérias. EF-P também estimula a síntese de metionil-puromicina, sendo essencial para viabilidade celular em bactérias, além disso EF-P também apresenta uma modificação pós-traducional semelhante à hipusinação. Recentemente, em nosso laboratório, foi isolado o RNA transportador de alanina (tRNAAla) como supressor do fenótipo de sensibilidade a temperatura do mutante tif51AQ22H/L93F de eIF5A, sugerindo uma possível correlação funcional entre estes fatores. Tendo em vista a homologia estrutural entre eIF5A e EF-P e a possível homologia funcional entre estes fatores, pretende-se entender a relação de eIF5A com o tRNA de alanina e com isso contribuir para a caracterização do papel específico desta proteína na elongação da tradução. Portanto, foram clonados diferentes genes que codificam para diversos tRNA´s (glicina, leucina, prolina, metionina e fenilalanina) para averiguar se a supressão observada para o tRNA de alanina também pode ser vista com estes outros tRNA’s ou se é específica. Considerando-se que eIF5A foi descrita a mais de trinta anos sem que sua função específica fosse caracterizada, este estudo pode contribuir... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo)

Análise da supressão do fenótipo de sensibilidade à temperatura do mutante tif51AK56A em Saccharomyces cerevisiae

O fator de início da tradução de eucariotos 5A (eIF5A) é uma proteína essencial para a viabilidade celular, altamente conservada em arqueas e eucariotos e apresenta uma modificação pós-traducional única em que um resíduo específico de lisina é modificado para o aminoácido hipusina. O processo de hipusinação é essencial para a função de eIF5A e consequentemente para viabilidade celular. eIF5A foi descrita inicialmente como um fator de início da tradução pois estimula a síntese de metionil-puromicina in vitro, porém, dados de nosso e de outro laboratório mostraram um papel para eIF5A na etapa de elongação da tradução. eIF5A é um homólogo estrutural do fator de elongação da tradução P (EF-P) de bactérias. EF-P também estimula a síntese de metionil-puromicina, sendo essencial para viabilidade celular em algumas espécies de bactérias. Dados recentes mostram que EF-P, bem como eIF5A participam na etapa de elongação da tradução facilitando a tradução de sequências de parada, “stalling motifs”. Foi isolado, em nosso laboratório, o gene que codifica para o tRNA de alanina como supressor do fenótipo de sensibilidade a temperatura do mutante tif51AK56A, sugerindo uma possível correlação funcional entre estes genes. Para compreender o mecanismo de supressão e estudar a relação com outros tRNAs este estudo foi proposto e realizado.

Estudo da especificidade e toxicidade do inibidor de hipusinação GC7 utilizando o modelo de Saccharomyces cerevisiae

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)