The crystal structure of the leptospiral hypothetical protein LIC12922 reveals homology with the periplasmic chaperone SurA

Leptospirosis is a world spread zoonosis caused by members of the genus Leptospira. Although leptospires were identified as the causal agent of leptospirosis almost 100 years ago, little is known about their biology, which hinders the development of new treatment and prevention strategies. One of the several aspects of the leptospiral biology not yet elucidated is the process by which outer membrane proteins (OMPs) traverse the periplasm and are inserted into the outer membrane. The crystal structure determination of the conserved hypothetical protein LIC12922 from Leptospira interrogans revealed a two domain protein homologous to the Escherichia coli periplasmic chaperone SurA. The LIC12922 NC-domain is structurally related to the chaperone modules of E. coli SurA and trigger factor, whereas the parvulin domain is devoid of peptidyl prolyl cis-trans isomerase activity. Phylogenetic analyses suggest a relationship between LIC12922 and the chaperones PrsA, PpiD and SurA. Based on our structural and evolutionary analyses, we postulate that LIC12922 is a periplasmic chaperone involved in OMPs biogenesis in Leptospira spp. Since LIC12922 homologs were identified in all spirochetal genomes sequenced to date, this assumption may have implications for the OMPs biogenesis studies not only in leptospires but in the entire Phylum Spirochaetes. (C) 2010 Elsevier Inc. All rights reserved.

DNA and heparin chaperone the refolding of purified recombinant replication protein A subunit 1 from Leishmania amazonensis

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

Crystal Structures of Xanthomonas Small Heat Shock Protein Provide a Structural Basis for an Active Molecular Chaperone Oligomer

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

Structural and functional characterization of the chaperone Hsp70 from sugarcane. Insights into conformational changes during cycling from cross-linking/mass spectrometry assays

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

Co-expression of monocarboxylate transporter 1 (MCT1) and its chaperone (CD147) is associated with low survival in patients with gastrointestinal stromal tumors (GISTs)

Monocarboxylate transporters (MCTs) have been described to play an important role in cancer, but to date there are no reports on the significance of MCT expression in gastrointestinal stromal tumors (GISTs). The aim of the present work was to assess the value of MCT expression, as well as co-expression with the MCT chaperone CD147 in GISTs and evaluate their clinical-pathological significance. We analyzed the immunohistochemical expression of MCT1, MCT2, MCT4 and CD147 in a series of 64 GISTs molecularly characterized for KIT, PDGFRA and BRAF mutations. MCT1, MCT2 and MCT4 were highly expressed in GISTs. CD147 expression was associated with mutated KIT (p = 0.039), as well as a progressive increase in Fletcher's Risk of Malignancy (p = 0.020). Importantly, co-expression of MCT1 with CD147 was associated with low patient's overall survival (p = 0.037). These findings suggest that co-expression of MCT1 with its chaperone CD147 is involved in GISTs aggressiveness, pointing to a contribution of cancer cell metabolic adaptations in GIST development and/or progression.

ER stress is associated with reduced ABCA-1 protein levels in macrophages treated with advanced glycated albumin - Reversal by a chemical chaperone

ATP-binding cassette transporter A1 mediates the export of excess cholesterol from macrophages, contributing to the prevention of atherosclerosis. Advanced glycated albumin (AGE-alb) is prevalent in diabetes mellitus and is associated with the development of atherosclerosis. Independently of changes in ABCA-1 mRNA levels, AGE-alb induces oxidative stress and reduces ABCA-1 protein levels, which leads to macrophage lipid accumulation. These metabolic conditions are known to elicit endoplasmic reticulum (ER) stress. We sought to determine if AGE-alb induces ER stress and unfolded protein response (UPR) in macrophages and how disturbances to the ER could affect ABCA-1 content and cholesterol efflux in macrophages. AGE-alb induced a time-dependent increase in ER stress and UPR markers. ABCA-1 content and cellular cholesterol efflux were reduced by 33% and 47%, respectively, in macrophages treated with AGE-alb, and both were restored by treatment with 4-phenyl butyric acid (a chemical chaperone that alleviates ER stress), but not MG132 (a proteasome inhibitor). Tunicamycin, a classical ER stress inductor, also impaired ABCA-1 expression and cholesterol efflux (showing a decrease of 61% and 82%, respectively), confirming the deleterious effect of ER stress in macrophage cholesterol accumulation. Glycoxidation induces macrophage ER stress, which relates to the reduction in ABCA-1 and in reverse cholesterol transport, endorsing the adverse effect of macrophage ER stress in atherosclerosis. Thus, chemical chaperones that alleviate ER stress may represent a useful tool for the prevention and treatment of atherosclerosis in diabetes. (C) 2012 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Quantitative correlation between transcriptional levels of ER chaperone, peroximal protein and FVIII productivity in human Hek-293 cell line

Hek-293 cell line presents good production platform for recombinant therapeutic proteins, however little is known about the components that contribute to the cellular control of recombinant protein production. In this study, we generated a Hek-293 producing recombinant factor VIII (FVIII) and we evaluated the immunoglobulin-binding protein (BiP) and phytanoil-CoA α-hydroxylase (PAHX) expression levels which are known for diminishing FVIII production. Our analyses showed that the recombinant cell population expresses 3.1 ± 1.4 fold of BIP mRNA (P = 0.0054) and 97.8 ± 0.5 fold of PAHX mRNA (P = 0.0016) compared to nontransduced cells. The amount of these proteins was inversely correlated to the secreted FVIII. In conclusion, BIP and PAHX expression are augmented in human cells producing FVIII and they antagonize the amount of therapeutic factor VIII in the cell culture.

Structural and biochemical studies of Sporosarcina pasteurii UreE: a nickel-chaperone involved in the urease activation process

Urease is a nickel-dependent enzyme that catalyzes hydrolysis of urea in the last step of organic nitrogen mineralization. Its active site contains a dinuclear center for Ni(II) ions that must be inserted into the apo-enzyme through the action of four accessory proteins (UreD, UreE, UreF, UreG) leading to activation of urease. UreE, acting as a metallo-chaperone, delivers Ni(II) to the preformed complex of apo-urease-UreDFG and has the capability to enhance the GTPase activity of UreG. This study, focused on characterization of UreE from Sporosarcina pasteurii (SpUreE), represents a piece of information on the structure/mobility-function relationships that control nickel binding by SpUreE and its interaction with SpUreG. A calorimetric analysis revealed the occurrence of a binding event between these proteins with positive cooperativity and a stoichiometry consistent with the formation of the (UreE)2-(UreG)2 hetero-oligomer complex. Chemical Shift Perturbations induced by the protein-protein interaction were analyzed using high-resolution NMR spectroscopy, which allowed to characterize the molecular details of the protein surface of SpUreE involved in the complex formation with SpUreG. Moreover, backbone dynamic properties of SpUreE, determined using 15N relaxation analysis, revealed a general mobility in the nanoseconds time-scale, with the fastest motions observed at the C-termini. The latter analysis made it possible for the first time to characterize of the C-terminal portions, known to contain key residues for metal ion binding, that were not observed in the crystal structure of UreE because of disorder. The residues belonging to this portion of SpUreE feature large CSPs upon addition of SpUreG, showing that their chemical environment is directly affected by protein-protein interaction. Metal ion selectivity and affinity of SpUreE for cognate Ni(II) and non cognate Zn(II) metal ions were determined, and the ability of the protein to select Ni(II) over Zn(II), in consistency with the proposed role in Ni(II) cations transport, was established.

Untersuchungen zur Funktion multipler DnaJ-Proteine in dem Cyanobakterium Synechocystis sp. PCC 6803

Sowohl in Synechocystis sp. PCC 6803 als auch in anderen Cyanobakterien konnten multiple DnaJ-Proteine nachgewiesen werden, deren Funktion jedoch noch weitestgehend unverstanden ist. Im Rahmen dieser Arbeit wurden die Funktionen der multiplen DnaJ-Proteine von Synechocystis sp. charakterisiert. Das DnaJ-Protein, Sll0897 gehört aufgrund seiner Domänenstruktur zu den Typ I-Proteinen, Slr0093 und Sll1933 zu den Typ II-Proteinen und Sll0909, Sll1011, Sll1384 und Sll1666 zu den Typ III DnaJ-Proteinen. Durch Komplementationsstudien des E. coli ΔdnaJ-Stammes OD259 konnte eine Komplementation des Wachstumsdefekts bei höheren Temperaturen durch die Proteine Slr0093 und Sll0897 gezeigt werden. In Synechocystis war eine komplette Disruption von sll1933 nicht möglich, weshalb das Protein Sll1933 unter normalen Wachstumsbedingungen essentiell ist. Doppelte Insertionmutationen waren lediglich bei der Kombination der Gene sll0909 und sll1384 möglich. Untersuchungen des Wachstumsverhaltens der dnaJ-Disruptions-stämme unter Hitze- und Kältestressbedingungen zeigten, dass das Protein Sll0897 eine wichtige Funktion bei der Stressantwort in Synechocystis besitzt und unter Hitzestressbedingungen essentiell ist. Eine vollständige Deletion des Gens sll0897 war Synechocystis sp. bereits unter normalen Wachstumsbedingungen nicht möglich. Bei den für ein Wachstum mindestens notwendigen Domänen des Sll0897 handelt es sich um die charakteristische J-Domäne und die Glycin-Phenylalanin-reiche Domäne. Unter Hitzestressbedingungen ist das Volllängen-Protein Sll0897 für ein Wachstum essentiell. rnNeben den in vivo Wachstumsexperimenten wurde eine Methode zur heterologen Expression der sieben DnaJ-Proteine in E. coli und einer nativen Reinigung von Slr0093, Sll0897, Sll0909 und Sll1666 etabliert. Untersuchungen zur Thermostabilität der gereinigten Proteine zeigten für das Slr0093 und Sll1666 einen reversiblen Prozess, wodurch sie auch nach dem Hitzestress noch als Faltungshelfer fungieren können. Bei den Proteinen Sll0897 und Sll0909 ist der Prozess jedoch nicht reversibel, so dass sie nach Hitzestresseinwirkung neu synthetisiert oder durch Chaperoneinwirkung korrekt gefaltet werden müssen. Die Affinitäts-„Pull-Down“ Analysen lieferten keine klaren Hinweise auf die DnaK-Interaktionspartner der Proteine Slr0093, Sll0897, Sll0909 und Sll1666, weshalb weitere Untersuchungen notwendig sind. Mit Hilfe der Gelfiltrationsanalysen konnten die errechneten molaren Massen der Proteine Slr0093 und Sll1666 bestätigt und beide Proteine in einer monomeren Form nachgewiesen werden. Die DnaJ-Proteine Sll0897 und Sll0909 konnten in zwei oligomeren Zuständen detektiert werden. Analysen der ATPase-Aktivität des DnaK2-Proteins alleine und des DnaK2-Proteins zusammen mit den DnaJ-Proteinen Slr0093, Sll0897, Sll0909 und Sll1666 zeigten eine Steigerung der ATP-Hydrolyserate bei der Interaktion von DnaK und DnaJ, wobei Sll0897 die größte Steigerung der ATPase-Aktivität des DnaK2 induzierte.

Einfluss der Phosphorylierung durch die Casein Kinase II auf den HSP90-Chaperone-Zyklus in humanen Zellen

In der vorliegenden Arbeit wurde eine Analysenmethode auf Basis der Massenbestimmung über Elektrospray-Ionisation qualifiziert, mit der es möglich ist, den Gehalt beider in humanen Zellen vorliegenden isoformen Chaperone HSP90-alpha und HSP90-beta sowie deren Phosphorylierungsstatus in der sog. „charged linker“-Region (CLR) getrennt voneinander zu bestimmen. Die Quantifizierung dieser posttranslationalen Modifikation von HSP90 in der noch wenig untersuchten Region des Chaperons stellte eine besondere Herausforderung an das analytische Messsystem dar, da diese sich fast ausschließlich aus geladenen Aminosäuren zusammensetzt und eine hohe Sequenzhomologie der beiden Isoformen in humanen Zellen vorliegt. Mit dieser Methode ist es gelungen, sowohl die stärkere Expression beider Isoformen in Tumor-Zelllinien im Vergleich zu Nicht-Tumor-Zelllinien als auch signifikant höhere Level beider phosphorylierten Varianten in den Tumor-Zelllinien nachzuweisen. Des Weiteren konnte durch gezielte Arretierung der Tumor-Zelllinie HCT116 in der G0/G1-Phase des Zellzyklus der Nachweis erbracht werden, dass nur HSP90-alpha in diesem Ruhestadium der Zellteilung in der phosphorylierten Form vorliegt. rnDa die Phosphorylierung der CLR von HSP90 als ein Marker für die Substrataktivierung herangezogen werden kann, besteht jetzt die Möglichkeit, Auswirkungen von z. B. HSP90-Inhibitoren auf beide HSP90-Isoformen hinsichtlich ihrer Expression und Phosphorylierung durch die Casein Kinase II (CK II) im zellulären Umfeld zu testen.rnIn-vitro konnte die Phosphorylierung der CLR von HSP90-alpha und -beta mit der CK II an den rekombinant hergestellten Proteinen nachgestellt werden. Dieses typische Phosphorylierungs-Motiv (S-X-X-E/D) findet man bei sehr vielen Co-Chaperonen wie auch bei der Prostaglandin E Synthase p23, das ebenfalls durch eine in-vitro Kinase-Reaktion mit der CK II an drei Positionen phosphoryliert wurde. Durch ein Binde-Assay zeigte sich, dass p23 nur in dieser modifizierten Form an HSP90-alpha bindet. Das Bindeverhalten von p23 an die beta-Isoform wird durch diese Phosphorylierung jedoch nicht beeinflusst. Diese Erkenntnisse erweitern das Verständnis des bis dato beschriebenen Chaperon-Zyklus von HSP90 und zeigen deutliche Unterschiede in den Aktivierungszyklen beider Isoformen auf. Da die Casein Kinase II hier entscheidend in den durch HSP90 vermittelten Aktivierungsprozess eingreift, eröffnet sich ein weites Feld an Möglichkeiten, diese Prozesse an weiteren Co-Chaperonen und Substratproteinen zu studieren.rn

Chaperone BiP: Master regulator of the unfolded protein response (UPR) and its role in regulation of angiogenesis

Verschiedene Krankheiten gehen mit einer fehlerhaften Vaskularisierung einher. Allerdings ist der Erfolg der derzeitig vorhandenen Therapieansätze, die sich z.B. auf VEGF fokussieren, beschränkt. Aus diesem Grund ist es wichtig, neue Strategien zur Regulation der Angiogenese zu entwickeln. Hierbei stehen neue Signaltransduktions-wege im Fokus, die sich als vielversprechend erweisen, um Angiogenese zu fördern oder zu inhibieren. Die Blutgefäßneubildung ist ein hochregulierter Prozess, der mit einer hohen Proteinsyntheserate verknüpft ist. Die Angiogenese wurde bereits mit dem ER-Stress Signaltransduktionsweg, der Unfolded Protein Response (UPR), in Verbindung gebracht (Zeng et al., 2013; Bouvier et al., 2012). Eine im Rahmen der vorliegenden Studie durchgeführte histologische Untersuchung konnte eine Fehlregulierung der Expression von UPR beteiligten Proteinen in vivo unter pathologischen Bedingungen gezeigt werden. Bemerkenswerter Weise war BiP, der Hauptsensor der UPR, in Endothelzellen von Angiosarkomen sehr stark exprimiert. In in vitro Experimenten wurde gezeigt, dass das Herunterregulieren von BiP mittels RNAi Einfluss auf die inflammatorische Antwort und die Bildung angiogener Strukturen in Endothelzellen nimmt. Das Herunterregulieren des Proteins BiP verstärkte die inflammatorische Antwort von HUVEC, was sich in einer gesteigerten Bildung von IL-8 und ICAM-1 äußerte und wurde auf die Aktivierung der UPR durch die verringerte Menge an BiP zurückgeführt. Der Phänotyp BiP-herunterregulierter Zellen entsprach dem untransfizierter Zellen, welcher durch das Cytoskelett und die Expression des endothelspezifischen Markers CD31 charakterisiert wurde. Im Gegensatz dazu änderte sich der Grad der Glykosylierung in transfizierten Zellen. Im Hinblick auf die Blutgefäßbildung, zeigten sich eine gehemmte Migration und eine inhibierte Bildung Gefäß-ähnlicher Strukturen in BiP-herunterregulierten Zellen. In diesen Zellen war die Expression von KDR auffallend stark inhibiert, wohingegen die Flt-1 Expression sich als gleichbleibend herausstellte, was ebenfalls auf die Aktivierung der UPR zurückgeführt werden konnte. Alternativ wäre der reduzierte Level des Proteins BiP im Hinblick auf die Funktion als Helferenzym in der Proteinfaltung eine mögliche Erklärung für die gehemmte Expression von KDR. Die Ergebnisse dieser Studie deuten darauf hin, dass stabile Spiegel von BiP die Regulierung der Angiogenese durch die Kontrolle der UPR in physiologischen Prozessen unterstützen könnte. Eine Fehlregulierung von BiP durch Unterdrückung der UPR, wie z.B. in malignen Tumoren, könnte Tumorzellen und beteiligten Endothelzellen einen Vorteil verschaffen und zu einer gestörten Vaskularisierung führen. Somit stellt das Stresssensorprotein BiP und die UPR einen potentiellen Angriffspunkt für die Regulation der Angiogenese dar.

The stress response protein Gls24 is induced by copper and interacts with the CopZ copper chaperone of Enterococcus hirae

Intracellular copper routing in Enterococcus hirae is accomplished by the CopZ copper chaperone. Under copper stress, CopZ donates Cu(+) to the CopY repressor, thereby releasing its bound zinc and abolishing repressor-DNA interaction. This in turn induces the expression of the cop operon, which encodes CopY and CopZ, in addition to two copper ATPases, CopA and CopB. To gain further insight into the function of CopZ, the yeast two-hybrid system was used to screen for proteins interacting with the copper chaperone. This led to the identification of Gls24, a member of a family of stress response proteins. Gls24 is part of an operon containing eight genes. The operon was induced by a range of stress conditions, but most notably by copper. Gls24 was overexpressed and purified, and was shown by surface plasmon resonance analysis to also interact with CopZ in vitro. Circular dichroism measurements revealed that Gls24 is partially unstructured. The current findings establish a novel link between Gls24 and copper homeostasis.

Synthesis, maturation, and trafficking of human Na+-dicarboxylate cotransporter NaDC1 requires the chaperone activity of cyclophilin B

Renal excretion of citrate, an inhibitor of calcium stone formation, is controlled mainly by reabsorption via the apical Na(+)-dicarboxylate cotransporter NaDC1 (SLC13A2) in the proximal tubule. Recently, it has been shown that the protein phosphatase calcineurin inhibitors cyclosporin A (CsA) and FK-506 induce hypocitraturia, a risk factor for nephrolithiasis in kidney transplant patients, but apparently through urine acidification. This suggests that these agents up-regulate NaDC1 activity. Using the Xenopus lævis oocyte and HEK293 cell expression systems, we examined first the effect of both anti-calcineurins on NaDC1 activity and expression. While FK-506 had no effect, CsA reduced NaDC1-mediated citrate transport by lowering heterologous carrier expression (as well as endogenous carrier expression in HEK293 cells), indicating that calcineurin is not involved. Given that CsA also binds specifically to cyclophilins, we determined next whether such proteins could account for the observed changes by examining the effect of selected cyclophilin wild types and mutants on NaDC1 activity and cyclophilin-specific siRNA. Interestingly, our data show that the cyclophilin isoform B is likely responsible for down-regulation of carrier expression by CsA and that it does so via its chaperone activity on NaDC1 (by direct interaction) rather than its rotamase activity. We have thus identified for the first time a regulatory partner for NaDC1, and have gained novel mechanistic insight into the effect of CsA on renal citrate transport and kidney stone disease, as well as into the regulation of membrane transporters in general.

Activation of DegP chaperone-protease via formation of large cage-like oligomers upon binding to substrate proteins.

Cells use molecular chaperones and proteases to implement the essential quality control mechanism of proteins. The DegP (HtrA) protein, essential for the survival of Escherichia coli cells at elevated temperatures with homologues found in almost all organisms uniquely has both functions. Here we report a mechanism for DegP to activate both functions via formation of large cage-like 12- and 24-mers after binding to substrate proteins. Cryo-electron microscopic and biochemical studies revealed that both oligomers are consistently assembled by blocks of DegP trimers, via pairwise PDZ1-PDZ2 interactions between neighboring trimers. Such interactions simultaneously eliminate the inhibitory effects of the PDZ2 domain. Additionally, both DegP oligomers were also observed in extracts of E. coli cells, strongly implicating their physiological importance.