Crystallization of a trimeric human T cell leukemia virus type 1 gp21 ectodomain fragment as a chimera with maltose-binding protein

We present a novel protein crystallization strategy, applied to the crystallization of human T cell leukemia virus type 1 (HTLV-1) transmembrane protein gp21 lacking the fusion peptide and the transmembrane domain, as a chimera with the Escherichia coli maltose binding protein (MBP). Crystals could not be obtained with a MBP/gp21 fusion protein in which fusion partners were separated by a flexible linker, but were obtained after connecting the MBP C-terminal alpha-helix to the predicted N-terminal alpha-helical sequence of gp21 via three alanine residues. The gp21 sequences conferred a trimeric structure to the soluble fusion proteins as assessed by sedimentation equilibrium and X-ray diffraction, consistent with the trimeric structures of other retroviral transmembrane proteins. The envelope protein precursor, gp62, is likewise trimeric when expressed in mammalian cells. Our results suggest that MBP may have a general application for the crystallization of proteins containing N-terminal alpha-helical sequences.

Conversion of membrane-bound Fas(CD95) ligand to its soluble form is associated with downregulation of its proapoptotic activity and loss of liver toxicity.

Human Fas ligand (L) (CD95L) and tumor necrosis factor (TNF)-alpha undergo metalloproteinase-mediated proteolytic processing in their extracellular domains resulting in the release of soluble trimeric ligands (soluble [s]FasL, sTNF-alpha) which, in the case of sFasL, is thought to be implicated in diseases such as hepatitis and AIDS. Here we show that the processing of sFasL occurs between Ser126 and Leu127. The apoptotic-inducing capacity of naturally processed sFasL was reduced by >1,000-fold compared with membrane-bound FasL, and injection of high doses of recombinant sFasL in mice did not induce liver failure. However, soluble FasL retained its capacity to interact with Fas, and restoration of its cytotoxic activity was achieved both in vitro and in vivo with the addition of cross-linking antibodies. Similarly, the marginal apoptotic activity of recombinant soluble TNF-related apoptosis-inducing ligand (sTRAIL), another member of the TNF ligand family, was greatly increased upon cross-linking. These results indicate that the mere trimerization of the Fas and TRAIL receptors may not be sufficient to trigger death signals. Thus, the observation that sFasL is less cytotoxic than membrane-bound FasL may explain why in certain types of cancer, systemic tissue damage is not detected, even though the levels of circulating sFasL are high.

The mechanism of the regulation of energy distribution between photosystems 1 and 2 in the cyanobacterium Synechococcus sp. strain PCC 7002 /

Cyanobacteria are able to regulate the distribution of absorbed light energy between photo systems 1 and 2 in response to light conditions. The mechanism of this regulation (the state transition) was investigated in the marine cyanobacterium Synechococcus sp. strain PCC 7002. Three cell types were used: the wild type, psaL mutant (deletion of a photo system 1 subunit thought to be involved in photo system 1 trimerization) and the apcD mutant (a deletion of a phycobilisome subunit thought to be responsible for energy transfer to photo system 1). Evidence from 77K fluorescence emission spectroscopy, room temperature fluorescence and absorption cross-section measurements were used to determine a model of energy distribution from the phycobilisome and chlorophyll antennas in state 1 and state 2. The data confirm that in state 1 the phycobilisome is primarily attached to PS2. In state 2, a portion of the phycobilisome absorbed light energy is redistributed to photo system 1. This energy is directly transferred to photo system 1 by one of the phycobilisome terminal emitters, the product of the apcD gene, rather than via the photo system 2 chlorophyll antenna by spillover (energy transfer between the photo system 2 and photo system 1 chlorophyll antenna). The data also show that energy absorbed by the photo system 2 chlorophyll antenna is redistributed to photo system 1 in state 2. This could occur in one of two ways; by spillover or in a way analogous to higher plants where a segment of the chlorophyll antenna is dissociated from photo system 2 and becomes part of the photo system 1 antenna. The presence of energy transfer between neighbouring photo system 2 antennae was determined at both the phycobilisome and chlorophyll level, in states 1 and 2. Increases in antenna absorption cross-section with increasing reaction center closure showed that there is energy transfer (connectivity) between photosystem 2 antennas. No significant difference was shown in the amount of connectivity under these four conditions.

Ursachen der unterschiedlichen Oligomerisierung von Lichtsammelproteinen

Die verschiedenen Lichtsammelproteine (Lhc-Proteine) höherer Pflanzen unterscheiden sich im Oligomerisierungsverhalten. Im Photosystem II existieren 6 Lhc-Proteine, die entweder die monomeren Lichtsammelkomplexe (LHC) CP24 (Lhcb6), CP26 (Lhcb5) und CP29 (Lhcb4) oder den trimeren LHCII (Lhcb1, Lhcb2 und Lhcb3) bilden. Im Photosystem I sind laut Kristallstruktur vier Lhc-Proteine lokalisiert, die als Heterodimere organisiert vorliegen. Der schwerpunktmäßig untersuchte LHCI-730 setzt sich aus Lhca1 und Lhca4 zusammen, während der LHCI-680 aus Lhca2 und Lhca3 besteht. Das Ziel der Arbeit bestand in der Identifizierung der für das unterschiedliche Oligomerisierungsverhalten verantwortlichen Proteinbereiche und Aminosäuren. Die für diese Arbeit generierten Consensussequenzalignments verschiedener Lhca- und Lhcb-Proteine vieler Arten unterstützen die Folgerungen aus Strukturdaten und anderen Sequenzalignments, dass den LHCs eine gemeinsame Monomerstruktur zu Grunde liegt. Die Helices 1 und 3 weisen weitgehend sehr hohe Sequenzidentitäten auf, während die N- und C-Termini, die zwei Schleifenregionen und die Helix 2 nur schwach konserviert sind. Falls die Bereiche mit hoher Sequenzübereinstimmung für das Zustandekommen ähnlicher monomerer LHC-Strukturen verantwortlich sind, könnten in den schwach konservierten Domänen die Ursachen für das unterschiedliche Oligomerisierungsverhalten lokalisiert sein. Aufgrund dessen wurden die schwach konservierten Domänen des monomerisierenden Lhcb4, des mit dem Lhca1 dimerisierenden Lhca4 und des Trimere bildenden Lhcb1 gegen die entsprechenden Domänen der anderen Proteine ausgetauscht und bezüglich ihres Oligomerisierungsverhaltens untersucht. Im Lhca4 konnten mit der Helix 2 und der stromalen Schleife zwei für eine Heterodimerisierung essentielle Domänen gefunden werden. Im Lhcb1 waren neben dem N-Terminus auch die 2. Helix und die stromale Schleifendomäne unentbehrlich für eine Trimerisierung. Zusätzlich waren Dimerisierung und Trimerisierung bei Austausch der luminalen Schleife beeinträchtigt. Ein geringer Beitrag zur Lhcb1-Trimerisierung konnte auch für den C-Terminus belegt werden. Ein zusätzliches Ziel der Arbeit sollte der Transfer der Oligomerisierungseigenschaften durch umfangreichen Domänentausch von einem auf ein anderes Protein sein. Der Transfer der Fähigkeit zur Dimerbildung durch Substitution gegen essentielle Lhca4-Domänen (50% luminale Schleife, 100% Helix 2 und 100% stromale Schleife) gelang beim Lhcb4, nicht aber beim Lhcb1. Der Transfer der Trimerisierungsfähigkeit auf Lhca4 und Lhcb4 scheiterte. Eine Lhca1-Mutante mit allen für eine Dimerisierung essentiellen Lhca4-Domänen, die durch Interaktion einzelner Moleküle untereinander multimere LHCs bilden sollte, war bereits in ihrer Monomerbildung beeinträchtigt. Eine Übertragung der Oligomerisierungsfähigkeit auf andere Proteine durch massiven Domänentransfer gestaltete sich somit schwierig, da vermutlich im mutierten Protein immer noch ursprüngliche Tertiärstrukturanteile enthalten waren, die nicht mit den transferierten Proteinbestandteilen kompatibel sind. Bei zukünftigen Experimenten zur Klärung der Transferierbarkeit der Oligomerisierungseigenschaft sollten deswegen neben dem unberücksichtigten 1. Teil der luminalen Schleife auch wenig konservierte Aminosäuren in der 1. und 3. Helix Beachtung finden. Ein weiteres Ziel dieser Arbeit war es, die LHCI-730-Dimerisierung im Detail zu untersuchen. Mutationsanalysen bestätigten den von früheren Untersuchungen bekannten Einfluss des Isoleucins 103 und Histidins 99. Letzteres geht möglicherweise durch sein gebundenes Chlorophyll eine Interaktion mit dem Lhca1 ein. Das Phenylalanin 95 stellte sich ebenfalls als ein wichtiger Interaktionspartner heraus und könnte in Wechselwirkung mit einem zwischen Lhca1 und Lhca4 lokalisierten Phosphatidylglycerin treten. Das ebenfalls an der Dimerbildung beteiligte Serin 88 des Lhca4 könnte auf Grund der räumlichen Nähe bei Modellierungen direkt mit dem am C-Terminus des Lhca1 lokalisierten Glycin 190 interagieren. Darüber hinaus wurde ein in der luminalen Lhca4-Schleife lokalisiertes Phenylalanin 84 als Interaktionspartner des Tryptophans 185 im C-Terminus von Lhca1 identifiziert. Der simultane Austausch des Isoleucins 109 und Lysins 110 in der stromalen Schleife des Lhca4, konnte deren Einfluss auf die Dimerisierung belegen. Nachdem bislang an der Dimerbildung beteiligte Aminosäuren am N- und C-Terminus des Lhca1 und Lhca4 identifiziert werden konnten, wurden in dieser Arbeit viele an einer Dimerbildung beteiligten Proteinbereiche und Aminosäuren in der Helix 2 und den Schleifenregionen des Lhca4 identifiziert. Um alle an der Lhca1-Lhca4-Interaktion beteiligten Aminosäuren aufzuklären, müssten durch Mutationsanalysen die in der stromalen Lhca4-Schleife vermuteten Interaktionspartner des für die Dimerisierung wichtigen Tryptophans 4 am N-Terminus von Lhca1 identifiziert, und die in der Helix 3 des Lhca1 vermuteten Interaktionspartner der Helix 2 des Lhca4 ermittelt werden.

Lichtsammler hinter Glas : Stabilisierung und Funktionalisierung des pflanzlichen Hauptlichtsammelkomplexes (LHCII) durch biomineralische Einbettung in Nanopartikel

Der Haupt-Lichtsammelkomplex des Fotosystems II (LHCII) setzt sich aus einem Proteinanteil und nicht-kovalent gebundenen Pigmenten – 8 Chlorophyll a, 6 Chlorophyll b und 4 Carotinoide - zusammen. Er assembliert in vivo zu einem Trimer, in dem die Monomereinheiten ebenfalls nicht-kovalent miteinander wechselwirken. Die ausgesprochen hohe Farbstoffdichte und die Tatsache, dass der Komplex rekombinant hergestellt werden kann, machen den LHCII zu einem interessanten Kandidaten für technische Anwendungen wie einer Farbstoffsolarzelle. Allerdings muss hierzu seine thermische Stabilität drastisch erhöht werden.rnDer Einschluss von Proteinen/Enzymen in Silikat erhöht deren Stabilität gegenüber Hitze signifikant. LHCII sollte als erster rekombinanter Membranproteinkomplex mittels kovalent verbundener, polykationischen Sequenzen in Silikat eingeschlossen werden. Hierzu wurde der Komplex auf zwei Weisen polykationisch modifiziert: Auf Genebene wurde die Sequenz des R5-Peptids in den N-terminalen Bereich des LHCP-Gens eingeführt und ein Protokoll zur Überexpression, Rekonstitution und Trimerisierung etabliert. Außerdem wurde eine kovalente Modifikation des trimeren LHCII mit dem Arginin-reichen Protamin über heterobifunktionelle Crosslinker entwickelt. Beide resultierenden LHCII-Derivate waren in der Lage, Silikat autogen zu fällen. Die Stabilisierung der so in Silikat präzipitierten Komplexe war jedoch deutlich geringer als bei nicht-modifizierten Komplexen, die durch eine Spermin-induzierte Copräzipitation eingeschlossenen wurden. Dabei zeigte sich, dass für den Anteil der eingebauten Komplexe und das Ausmaß an Stabilisierung die Größe und klare partikuläre Struktur des Silikats entscheidend ist. Kleine Partikel mit einem Durchmesser von etwa 20 nm führten zu einem Einbau von rund 75 % der Komplexe, und mehr als 80 % des Energietransfers innerhalb des Komplexes blieben erhalten, wenn für 24 Stunden bei 50°C inkubiert wurde. Nicht in Silikat eingeschlossene Komplexe verloren bei 50°C ihren Komplex-internen Energietransfer binnen weniger Minuten. Es war dabei unerheblich, ob die Partikelgröße durch die Wahl des Puffers und des entsprechenden pH-Wertes, oder aber durch Variation des Spermin-zu-Kieselsäure-Verhältnisses erreicht wurde. Wurden die polykationisch veränderten Komplexe in solchen Copräzipitationen verwendet, so erhöhte sich der Anteil an eingebauten Komplexen auf über 90 %, jedoch wurde nur bei der R5-modifizierten Variante vergleichbare Ausmaße an Stabilisierung erreicht. Ein noch höherer Anteil an Komplexen wurde in das Silikatpellet eingebaut, wenn LHCII kovalent mit Silanolgruppen modifiziert wurde (95 %); jedoch war das Ausmaß der Stabilisierung wiederum geringer als bei einer Copräzipitation. Die analysierten Fällungssysteme waren außerdem in der Lage, Titandioxid zu fällen, wobei der Komplex in dieses eingebaut wurde. Allerdings muss das Stabilisierungspotential hier noch untersucht werden. Innerhalb eines Silikatpräzipitats aggregierten die Komplexe nicht, zeigten aber einen inter-trimeren Energietransfer, der sehr wahrscheinlich auf einem Förster Resonanz Mechanismus basiert. rnDies und das hohe Maß an Stabilisierung eröffnen neue Möglichkeiten, rekombinanten LHCII in technischen Applikationen als Lichtsammelkomponente zu verwenden.rn

Characterization of Molecular Determinants of the Conformational Stability of Macrophage Migration Inhibitory Factor: Leucine 46 Hydrophobic Pocket

Macrophage Migration Inhibitory Factor (MIF) is a key mediator of inflammatory responses and innate immunity and has been implicated in the pathogenesis of several inflammatory and autoimmune diseases. The oligomerization of MIF, more specifically trimer formation, is essential for its keto-enol tautomerase activity and probably mediates several of its interactions and biological activities, including its binding to its receptor CD74 and activation of certain signaling pathways. Therefore, understanding the molecular factors governing the oligomerization of MIF and the role of quaternary structure in modulating its structural stability and multifunctional properties is crucial for understanding the function of MIF in health and disease. Herein, we describe highly conserved intersubunit interactions involving the hydrophobic packing of the side chain of Leu46 onto the β-strand β3 of one monomer within a hydrophobic pocket from the adjacent monomer constituted by residues Arg11, Val14, Phe18, Leu19, Val39, His40, Val41, Val42, and Pro43. To elucidate the structural significance of these intersubunit interactions and their relative contribution to MIF’s trimerization, structural stability and catalytic activity, we generated three point mutations where Leu46 was replaced by glycine (L46G), alanine (L46A) and phenylalanine (L46F), and their structural properties, stability, oligomerization state, and catalytic activity were characterized using a battery of biophysical methods and X-ray crystallography. Our findings provide new insights into the role of the Leu46 hydrophobic pocket in stabilizing the conformational state of MIF in solution. Disrupting the Leu46 hydrophobic interaction perturbs the secondary and tertiary structure of the protein but has no effect on its oligomerization state.

The wing in yeast heat shock transcription factor (HSF) DNA-binding domain is required for full activity

The yeast heat shock transcription factor (HSF) belongs to the winged helix family of proteins. HSF binds DNA as a trimer, and additional trimers can bind DNA co-operatively. Unlike other winged helix–turn–helix proteins, HSF’s wing does not appear to contact DNA, as based on a previously solved crystal structure. Instead, the structure implies that the wing is involved in protein–protein interactions, possibly within a trimer or between adjacent trimers. To understand the function of the wing in the HSF DNA-binding domain, a Saccharomyces cerevisiae strain was created that expresses a wingless HSF protein. This strain grows normally at 30°C, but shows a decrease in reporter gene expression during constitutive and heat-shocked conditions. Removal of the wing does not affect the stability or trimeric nature of a protein fragment containing the DNA-binding and trimerization domains. Removal of the wing does result in a decrease in DNA-binding affinity. This defect was mainly observed in the ability to form the first trimer-bound complex, as the formation of larger complexes is unaffected by the deletion. Our results suggest that the wing is not involved in the highly co-operative nature of HSF binding, but may be important in stabilizing the first trimer bound to DNA.

Cloning of Nicotianamine Synthase Genes, Novel Genes Involved in the Biosynthesis of Phytosiderophores

Nicotianamine synthase (NAS), the key enzyme in the biosynthetic pathway for the mugineic acid family of phytosiderophores, catalyzes the trimerization of S-adenosylmethionine to form one molecule of nicotianamine. We purified NAS protein and isolated the genes nas1, nas2, nas3, nas4, nas5-1, nas5-2, and nas6, which encode NAS and NAS-like proteins from Fe-deficient barley (Hordeum vulgare L. cv Ehimehadaka no. 1) roots. Escherichia coli expressing nas1 showed NAS activity, confirming that this gene encodes a functional NAS. Expression of nas genes as determined by northern-blot analysis was induced by Fe deficiency and was root specific. The NAS genes form a multigene family in the barley and rice genomes.

Crystal structures of the trimeric human immunodeficiency virus type 1 matrix protein: implications for membrane association and assembly.

The human immunodeficiency virus type 1 (HIV-1) matrix protein forms a structural shell associated with the inner viral membrane and performs other essential functions throughout the viral life cycle. The crystal structure of the HIV-1 matrix protein, determined at 2.3 angstrom resolution, reveals that individual matrix molecules are composed of five major helices capped by a three-stranded mixed beta-sheet. Unexpectedly, the protein assembles into a trimer in three different crystal lattices, burying 1880 angstrom2 of accessible surface area at the trimer interfaces. Trimerization appears to create a large, bipartite membrane binding surface in which exposed basic residues could cooperate with the N-terminal myristoyl groups to anchor the protein on the acidic inner membrane of the virus.

Chimeric tumor necrosis factor receptors with constitutive signaling activity.

Many hormone and cytokine receptors are crosslinked by their specific ligands, and multimerization is an essential step leading to the generation of a signal. In the case of the tumor necrosis factor (TNF) receptors (TNF-Rs), antibody-induced crosslinking is sufficient to trigger a cytolytic effect. However, the quaternary structural requirements for signaling--i.e., the formation of dimers, trimers, or higher-order multimers--have remained obscure. Moreover, it has not been clear whether the 55-kDa or 75-kDa TNF-R is responsible for initiation of cytolysis. We reasoned that an obligate receptor dimer, targeted to the plasma membrane, might continuously signal the presence of TNF despite the actual absence of the ligand. Such a molecule, inserted into an appropriate vector, could be used to project receptor-specific "TNF-like" activity to specific cells and tissues in vivo. Accordingly, we constructed sequences encoding chimeric receptors in which the extracellular domain of the mouse erythropoietin receptor (Epo-R) was fused to the "stem," transmembrane domain, and cytoplasmic domain of the two mouse TNF-Rs. Thus, the Epo-R group was used to drive dimerization of the TNF-R cytoplasmic domain. These chimeric proteins were well expressed in a variety of cell lines and bound erythropoietin at the cell surface. Both the 55-kDa and the 75-kDa Epo/TNF-R chimeras exerted a constitutive cytotoxic effect detected by cotransfection or clonogenic assay. Thus, despite the lack of structural homology between the cytoplasmic domains of the two TNF-Rs, a similar signaling endpoint was observed. Moreover, dimerization (rather than trimerization or higher-order multimerization) was sufficient for elicitation of a biological response.