TY  - JOUR
A1  - Mieczkowski, Mateusz
A1  - Steinmetzger, Christian
A1  - Bessi, Irene
A1  - Lenz, Ann-Kathrin
A1  - Schmiedel, Alexander
A1  - Holzapfel, Marco
A1  - Lambert, Christoph
A1  - Pena, Vladimir
A1  - Höbartner, Claudia
T1  - Large Stokes shift fluorescence activation in an RNA aptamer by intermolecular proton transfer to guanine
JF  - Nature Communications
N2  - Fluorogenic RNA aptamers are synthetic functional RNAs that specifically bind and activate conditional fluorophores. The Chili RNA aptamer mimics large Stokes shift fluorescent proteins and exhibits high affinity for 3,5-dimethoxy-4-hydroxybenzylidene imidazolone (DMHBI) derivatives to elicit green or red fluorescence emission. Here, we elucidate the structural and mechanistic basis of fluorescence activation by crystallography and time-resolved optical spectroscopy. Two co-crystal structures of the Chili RNA with positively charged DMHBO+ and DMHBI+ ligands revealed a G-quadruplex and a trans-sugar-sugar edge G:G base pair that immobilize the ligand by π-π stacking. A Watson-Crick G:C base pair in the fluorophore binding site establishes a short hydrogen bond between the N7 of guanine and the phenolic OH of the ligand. Ultrafast excited state proton transfer (ESPT) from the neutral chromophore to the RNA was found with a time constant of 130 fs and revealed the mode of action of the large Stokes shift fluorogenic RNA aptamer.
KW  - Fluorogenic RNA Aptamers
KW  - Synthetic Functional RNAs
KW  - Chili RNA Aptamer
KW  - Co-Crystal Structures of Chili RNA
KW  - RNA
KW  - Optical Spectroscopy
KW  - Structural Biology
KW  - X-ray Crystallography
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-254527
VL  - 12
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Sander, Bodo
A1  - Xu, Wenshan
A1  - Eilers, Martin
A1  - Popov, Nikita
A1  - Lorenz, Sonja
T1  - A conformational switch regulates the ubiquitin ligase HUWE1
JF  - eLife
N2  - The human ubiquitin ligase HUWE1 has key roles in tumorigenesis, yet it is unkown how its activity is regulated. We present the crystal structure of a C-terminal part of HUWE1, including the catalytic domain, and reveal an asymmetric auto-inhibited dimer. We show that HUWE1 dimerizes in solution and self-associates in cells, and that both occurs through the crystallographic dimer interface. We demonstrate that HUWE1 is inhibited in cells and that it can be activated by disruption of the dimer interface. We identify a conserved segment in HUWE1 that counteracts dimer formation by associating with the dimerization region intramolecularly. Our studies reveal, intriguingly, that the tumor suppressor p14ARF binds to this segment and may thus shift the conformational equilibrium of HUWE1 toward the inactive state. We propose a model, in which the activity of HUWE1 underlies conformational control in response to physiological cues—a mechanism that may be exploited for cancer therapy.
KW  - Medicine
KW  - Structural Biology
KW  - Molecular Biophysics
KW  - HUWE1
KW  - HECT Ligase
KW  - Ubiquitin
KW  - P14ARF
KW  - X-Ray Chrystallography
KW  - Enzyme Regulation
Y1  - 2017
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-171862
VL  - 6
ER  - 
TY  - THES
A1  - Schäfer, Christin Marliese
T1  - Approaching antimicrobial resistance –  Structural and functional characterization of the fungal transcription factor Mrr1 from Candida albicans and the bacterial   ß-ketoacyl-CoA thiolase FadA5 from Mycobacterium tuberculosis
T1  - Auf den Spuren der antimikrobiellen Resistenz – Strukturelle und funktionelle Charakterisierung des Transkriptionsfaktors Mrr1 aus Candida albicans und der bakteriellen β-ketoacyl-CoA thiolase FadA5 aus  Mykobakterium tuberculosis
N2  - The number of fungal infections is rising in Germany and worldwide. These infections are mainly caused by the opportunistic fungal pathogen C. albicans, which especially harms immunocompromised people. With increasing numbers of fungal infections, more frequent and longer lasting treatments are necessary and lead to an increase of drug resistances, for example against the clinically applied therapeutic fluconazole. Drug resistance in C. albicans can be mediated by the Multidrug resistance pump 1 (Mdr1), a membrane transporter belonging to the major facilitator family. However, Mdr1-mediated fluconazole drug resistance is caused by the pump’s regulator, the transcription factor Mrr1 (Multidrug resistance regulator 1). It was shown that Mrr1 is hyperactive without stimulation or further activation in resistant strains which is due to so called gain of function mutations in the MRR1 gene. 
To understand the mechanism that lays behind this constitutive activity of Mrr1, the transcription factor should be structurally and functionally (in vitro) characterized which could provide a basis for successful drug development to target Mdr1-mediated drug resistance caused by Mrr1. Therefore, the entire 1108 amino acid protein was successfully expressed in Escherichia coli. However, further purification was compromised as the protein tended to form aggregates, unsuitable for crystallization trials or further characterization experiments. Expression trials in the eukaryote Pichia pastoris neither yielded full length nor truncated Mrr1 protein. In order to overcome the aggregation problem, a shortened variant, missing the N-terminal 249 amino acids named Mrr1 ‘250’, was successfully expressed in E. coli and could be purified without aggregation. Similar to the wild type Mrr1 ‘250’, selected gain of function variants were successfully cloned, expressed and purified with varying yields and with varying purity. The Mrr1 `250’ construct contains most of the described regulatory domains of Mrr1. It was used for crystallization and an initial comparative analysis between the wild type protein and the variants. The proposed dimeric form of the transcription factor, necessary for DNA binding, could be verified for both, the wild type and the mutant proteins. Secondary structure analysis by circular dichroism measurements revealed no significant differences in the overall fold of the wild type and variant proteins. In vitro, the gain of function variants seem to be less stable compared to the wild type protein, as they were more prone to degradation. Whether this observation holds true for the full length protein’s stability in vitro and in vivo remains to be determined. The crystallization experiments, performed with the Mrr1 ‘250’ constructs, led to few small needle shaped or cubic crystals, which did not diffract very well and were hardly reproducible. Therefore no structural information of the transcription factor could be gained so far. 
Infections with M. tuberculosis, the causative agent of tuberculosis, are the leading cause of mortality among bacterial diseases. Especially long treatment times, an increasing number of resistant strains and the prevalence of for decades persisting bacteria create the necessity for new drugs against this disease.  The cholesterol import and metabolism pathways were discovered as promising new targets and interestingly they seem to play an important role for the chronic stage of the tuberculosis infection and for persisting bacteria.
In this thesis, the 3-ketoacyl-CoA thiolase FadA5 from M. tuberculosis was characterized and the potential for specifically targeting this enzyme was investigated. FadA5 catalyzes the last step of the β-oxidation reaction in the side-chain degradation pathway of cholesterol. We solved the three dimensional structure of this enzyme by X-ray crystallography and obtained two different apo structures and three structures in complex with acetyl-CoA, CoA and a hydrolyzed steroid-CoA, which is the natural product of FadA5. Analysis of the FadA5 apo structures revealed a typical thiolase fold as it is common for biosynthetic and degradative enzymes of this class for one of the structures. The second apo structure showed deviations from the typical thiolase fold. All obtained structures show the enzyme as a dimer, which is consistent with the observed dimer formation in solution. Thus the dimer is likely to be the catalytically active form of the enzyme. Besides the characteristic structural fold, the catalytic triad, comprising two cysteines and one histidine, as well as the typical coenzyme A binding site of enzymes belonging to the thiolase class could be identified. The two obtained apo structures differed significantly from each other. One apo structure is in agreement with the characteristic thiolase fold and the well-known dimer interface could be identified in our structure. The same characteristics were observed in all complex structures. In contrast, the second apo structure followed the thiolase fold only partially. One subdomain, spanning 30 amino acids, was in a different orientation. This reorientation was caused by the formation of two disulfide bonds, including the active site cysteines, which rendered the enzyme inactive. The disulfide bonds together with the resulting domain swap still permitted dimer formation, yet with a significantly shifted dimer interface. The comparison of the apo structures together with the preliminary activity analysis performed by our collaborator suggest, that FadA5 can be inactivated by oxidation and reactivated by reduction. If this redox switch is of biological importance requires further evaluation, however, this would be the first reported example of a bacterial thiolase employing redox regulation. 
Our obtained complex structures represent different stages of the thiolase reaction cycle. In some complex structures, FadA5 was found to be acetylated at the catalytic cysteine and it was in complex with acetyl-CoA or CoA. These structures, together with the FadA5 structure in complex with a hydrolyzed steroid-CoA, revealed important insights into enzyme dynamics upon ligand binding and release. The steroid-bound structure is as yet a unique example of a thiolase enzyme interacting with a complex ligand. The characterized enzyme was used as platform for modeling studies and for comparison with human thiolases. These studies permitted initial conclusions regarding the specific targetability of FadA5 as a drug target against M. tuberculosis infection, taking the closely related human enzymes into account. Additional analyses led to the proposal of a specific lead compound based on the steroid and ligand interactions within the active site of FadA5.
N2  - Die Zahl der Pilzinfektionen, welche hauptsächlich durch den opportunistisch-pathogenen Pilz C. albicans verursacht werden, ist nicht nur in Deutschland, sondern weltweit steigend. Die auftretenden Infektionen betreffen vor allem immunsupprimierte Personen. Dieser Anstieg an Pilzinfektionen verursacht häufigere und immer länger andauernde Behandlungen und resultiert auch im vermehrten Auftreten von Resistenzen gegen Antimykotika, unter anderem gegen das klinisch eingesetzte Fluconazol. Eine Möglichkeit der Resistenzbildung in C. albicans ist die Expression der ‚Multidrug resistance pump 1‘ (Mdr1), einer Membranpumpe, die zur Major-Facilitator-Superfamilie zählt. Diese durch Mdr1-vermittelte Fluconazolresistenz wird durch den Mdr1 regulierenden Transkriptionsfaktor Mrr1 (‚Multidrug resistance regulator 1‘) gesteuert. In resistenten C. albicans Stämmen befindet sich Mrr1 ohne weitere Stimulation oder externe Aktivierung bereits in einem hyperaktiven Zustand, der durch Mutationen mit Funktionsgewinn im MRR1 Gen verursacht wird.    
Um die Mechanismen, die sich hinter der konstitutiven Aktivität von Mrr1 verbergen, zu entschlüsseln, sollte dieser Transkriptionsfaktor in vitro strukturell und funktionell charakterisiert werden. Diese Charakterisierung könnte im Anschluss genutzt werden, um Wirkstoffe gegen die von Mrr1 gesteuerte und von Mdr1-vermittelte Resistenz zu entwickeln. Zu diesem Zweck, wurde das gesamte, 1108 Aminosäuren umfassende, Protein in Escherichia coli exprimiert. Die anschließende Proteinreinigung war allerdings durch Aggregatbildung beeinträchtigt, welche Kristallisationsansätze oder eine weitere Charakterisierung dieses Proteinkonstruktes verhinderten. Im Eukaryot Pichia pastoris durchgeführte Expressionsanalysen, waren leider erfolglos und weder die Expression des Volllängen-Mrr1 noch seiner verkürzten Proteinvarianten konnte nachgewiesen werden. Um Proteinaggregation zu umgehen, wurde deshalb ein N-terminal, um 249 Aminosäuren, verkürztes Proteinkonstrukt, Mrr1 ‚250‘, in E. coli exprimiert und erfolgreich, ohne Aggregation, gereinigt. Zusätzlich zum wildtypischen Mrr1 ‚250‘ Protein wurden auch ausgewählte Varianten kloniert, exprimiert und gereinigt, allerdings mit unterschiedlicher Ausbeute und Reinheit. Da das verkürzte Mrr1 ‚250‘ Protein noch immer fast alle in der Literatur beschriebenen Regulierungsdomänen besitzt, wurde es zur Kristallisation und für einen initialen Vergleich zwischen Wildtyp und Varianten genutzt. So konnte zum Beispiel die vermutete Dimerisierung des Transkriptionsfaktors sowohl für das Wildtypprotein als auch für die Varianten gezeigt werden. Eine weiterführende Untersuchung der Sekundärstruktur mittels zirkular Dichroismus Messungen zeigte keine signifikanten Unterschiede zwischen den Mutanten und dem Wildtypprotein. Allerdings erscheinen die Funktionsgewinn Varianten von Mrr1 in vitro instabiler als das Wildtypprotein, was sich durch stärkeren Abbau der Variantenproteine zeigt. Ob diese Beobachtungen allerdings vom verkürzten Protein auf das Gesamtprotein und dessen in vitro und in vivo Stabilität übertragbar sind, ist derzeit noch unklar. Kristallisationsansätze, die mit den verschiedenen Varianten des Mrr1 ‚250‘ Konstrukts durchgeführt wurden, führten zu sehr wenigen, nadelförmigen oder kubischen Kristallen, die kaum reproduzierbar waren und schlecht diffraktierten. Bisher konnten deshalb keine strukturellen Daten für den untersuchten Transkriptionsfaktor erhalten werden.  
Noch immer sind Infektionen, die durch M. tuberculosis, dem Erreger der Tuberkulose, verursacht werden die Haupttodesursache im Bereich der bakteriellen Infektionen. In diesem Zusammenhang stellen vor allem lange Behandlungszeiten, das vermehrte Auftreten resistenter Stämme und das Vorkommen persistierender Bakterien, die Jahrzehnte in ihrem Wirt überdauern können, nach wie vor große Herausforderungen dar und die Entwicklung neuer Tuberkulosemedikamente ist dringend erforderlich. Sowohl der Cholesterinimport als auch dessen Stoffwechselweg wurden als vielversprechende Wirkstoffziele identifiziert. Nicht zuletzt, da beide Mechanismen eine wichtige Rolle während der chronischen Phase der Tuberkuloseinfektion und für persistierende Bakterien zu spielen scheinen.
Im Laufe dieser Arbeit wurde die 3-ketoacyl-CoA Thiolase FadA5 aus M. tuberculosis strukturell charakterisiert und auf ihre Tauglichkeit als spezifisches Wirkstoffziel hin untersucht. FadA5 katalysiert den letzten Schritt der β-Oxidation im Zuge des Seitenkettenabbaus von Cholesterin. Wir konnten die Proteinstruktur des FadA5 Proteins mittels Röntgenkristallographie ermitteln und erhielten zwei unterschiedliche apo-Strukturen sowie drei Komplexstrukturen. In den Komplexstrukturen waren entweder Acetyl-CoA, CoA oder ein hydrolisiertes Steroid-CoA, welches das natürliche Produkt von FadA5 darstellt, an das Enzym gebunden. Die Strukturanalyse der apo-Strukturen lies für eine der beiden Modelle die typische Thiolasefaltung erkennen, welche für biosynthetische und degradative Enzyme dieser Klasse üblich ist. In der zweiten apo-Struktur konnte diese Faltung nur teilweise identifiziert werden. Das Protein liegt in allen erhaltenen Strukturen als Dimer vor, was auch in Lösung beobachtet werden konnte und darauf hinweist, dass das Dimer die katalytisch aktive Form des Proteins darstellt. Neben der charakteristischen Faltung, wurde das aktive Zentrum, bestehend aus zwei Cysteinen und einem Histidin, sowie die für Thiolasen übliche Coenzym A Bindetasche identifiziert. Die erhaltenen apo-Strukturen unterschieden sich deutlich voneinander. Die zuvor beschriebene typische Dimer-Interaktionsfläche wird auch in den Komplexstrukturen beobachtet. Dahingegen war die Thiolasefaltung in der zweiten Apo-Struktur nur teilweise vorhanden, da beispielsweise eine Domäne, die 30 Aminosäuren umfasst, umorientiert vorlag. Die Bildung zweier Disulfidbrücken, welche beide katalytischen Cysteine involviert, verursachte die beschriebene Umorientierung und damit gepaart eine wahrscheinliche Inaktivität des Enzyms. Trotz der beschriebenen Umorientierung und Disulfidbrückenbildung liegt das Protein noch immer als Dimer vor, allerdings mit einer deutlich verschobenen Interaktionsfläche. Der Vergleich der beiden apo-Strukturen in Kombination mit einer vorläufigen Aktivitätsanalyse, die von unseren Kollaborationspartnern durchgeführt wurde, lassen vermuten, dass FadA5 durch Oxidation inaktiviert und durch Reduktion reaktiviert werden kann. Ob diese Redoxregulierung biologisch relevant ist, muss noch geklärt werden, allerdings wäre dies der erste beschriebene Fall einer redoxregulierten bakteriellen Thiolase.
Die Komplexstrukturen stellen verschiedene Stufen der Thiolasereaktion dar. In einigen dieser Strukturen lag FadA5 am katalytischen Cystein acetyliert vor und befand sich im Komplex mit acetyl-CoA oder CoA. Durch eine weitere Struktur, in der FadA5 im Komplex mit einem hydrolisierten Steroid-CoA vorlag, konnten wichtige Einblicke in die Enzymdynamik während der Ligandenbindung und Freisetzung gewonnen werden. Die Steroid gebundene Struktur stellt derzeit ein einzigartiges Beispiel einer Thiolase im Komplex mit einem großen, mehrere Ringsysteme umfassenden Liganden dar. Das charakterisierte Enzym diente als Ausgangspunkt für Modellierungsversuche und Vergleiche mit humanen Thiolasen. Diese Analysen erlaubten initiale Schlussfolgerungen bezüglich einer Verwendung von FadA5 als spezifisches Wirkstoffziel gegen Tuberkuloseinfektionen, im Kontext verwandter humaner Enzyme. Zusätzliche Untersuchungen ermöglichten die Ausarbeitung einer spezifischen Leitsubstanz, die auf den analysierten Interaktionen zwischen dem aktiven Zentrum von FadA5 und den gebundenen Liganden basiert.
KW  - Multidrug-Resistenz
KW  - Candida albicans
KW  - Tuberkulose
KW  - Röntgenkristallographie
KW  - Cholesterinstoffwechsel
KW  - Structural Biology
KW  - Transcription factor
KW  - Thiolase
Y1  - 2014
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-108400
ER  - 
TY  - THES
A1  - Sander, Bodo
T1  - Structural and biochemical characterization of gephyrin and various gephyrin-ligand complexes
T1  - Strukturelle und biochemische Charakterisierung von Gephyrin und verschiedenen Gephyrin-Liganden-Komplexen
N2  - Efficient synaptic neurotransmission requires the exact apposition of presynaptic terminals and matching neurotransmitter receptor clusters on the postsynaptic side. The receptors are embedded in the postsynaptic density, which also contains scaffolding and regulatory proteins that ensure high local receptor concentrations. At inhibitory synapses the cytosolic scaffolding protein gephyrin assumes an essential organizing role within the postsynaptic density by the formation of self-oligomers which provide a high density of binding sites for certain -amino butyric acid type A (GABAA) and the large majority of glycine receptors (GlyR). Gephyrin contains two oligomerization domains: In isolation, the 20 kDa N-terminal G domain (GephG) and the 46 kDa E domain (GephE) trimerize and dimerize, respectively. In the full-length protein the domains are interconnected by a central ~150 amino acid linker, and only GephG trimerization is utilized, whereas GephE dimerization is prevented, thus suggesting the need for a trigger to release GephE autoinhibition, which would pave the way for the formation of higher oligomers and for efficient receptor clustering. The structural basis for this GephE autoinhibition has remained elusive so far, but the linker was reported to be sufficient for autoinhibition. This work dealt with the biochemical and structural characterization of apo-gephyrin and gephyrin in complexes with ligands which are known to promote the formation of synaptic gephyrin clusters (collybistin and neuroligin 2) and reorganize them (dynein light chain 1).
For full-length gephyrin no structural information has been available so far. Atomic force microscopy (AFM) and small-angle X-ray scattering (SAXS) analyses described in this thesis disclosed that the gephyrin trimer forms a highly flexible assembly, which, due to the long linker, can switch between compact and extended conformational states in solution, with a preference for compact states. This partial compaction and potentially GephE autoinhibition are achieved by interactions of parts of the linker with the G and E domains, as suggested by circular dichroism spectroscopy. However, the linker on its own cannot account for GephE blockage, as size exclusion chromatography experiments coupled with multi angle light scattering detection (SEC-MALS) and SAXS analyses revealed that a gephyrin variant only encompassing the linker and GephE (GephLE) forms dimers and not monomers as suggested by an earlier study. The oligomeric state of GephLE and the observation that several gephyrin variants, in which linker segments of varying length were deleted, predominantly formed trimers, suggested the presence of a linker independent mechanism of GephE dimerization blockade. Taken together, the data indicated that linker-dependent and linker-independent mechanisms mediate gephyrin autoinhibition.
In the second project gephyrin’s interaction with DYNLL1 (Dynein LC8 Light Chain 1) was characterized. DYNLL1 is a 25 kDa dimer incorporated into the dynein motor and provides two binding sites, each of which can accommodate an octapeptide derived from gephyrin’s linker region (referred to as GephDB). Originally, DYNLL1 was regarded as a cargo adaptor, linking gephyrin-GlyR complexes to the dynein motor, thus driving their retrograde transport and leading to  a decrease of synaptic gephyrin-GlyR complexes.
Building on these studies, this thesis assessed the cargo hypothesis as well as the so far unclear stoichiometry of the gephyrin-DYNLL1 complex. The cargo scenario would require ternary complex formation between gephyrin, DYNLL1 and the dynein intermediate chain (DIC) of the dynein motor. However, such a complex could not be detected by analytical size exclusion chromatography (aSEC) experiments – presumably because gephyrin and DIC competed for a common binding site in DYNLL1. This finding was consistent with a single DYNLL1 dimer capturing two linker segments of a single gephyrin trimer as suggested by a 26 kDa mass increase of the gephyrin species in the presence of DYNLL1 in SEC-MALS experiments. aSEC experiments at even higher concentrations (~20 µM gephyrin and ~80 µM DYNLL1) indicated that the affinity of GephDB was significantly impaired in the context of full-length gephyrin but also in a variant that bears only GephG and the first 39 residues of the linker (GephGL220). Presumably due to avidity effects two linkers stably associated with a single DYNLL1 dimer, whereas the third DYNLL1 binding motif remained predominantly unoccupied unless high concentrations of GephGL220 (50 µM) and DYNLL1 (200 µM) were used. These findings indicate that an interplay between GephG and the N-terminal linker segment mediates the attenuation of GephDB affinity towards DYNLL1 and that preventing DYNLL1 from the induction of higher gephyrin oligomers is either advantageous for DYNLL1-mediated reorganization of gephyrin-GlyR clusters or that DYNLL1 exerts possibly two (concentration-dependent) actions on gephyrin.
The gephyrin-collybistin-neuroligin 2 complex was the subject of the third project. Previously, collybistin and gephyrin were observed to mutually trigger their translocation to the postsynaptic membrane, where the disordered cytoplasmic tail of the postsynaptic cell adhesion molecule NL2 (NL2cyt) causes the anchoring of collybistin 2 (CB2) by binding to its SH3 domain, thereby releasing SH3 domain mediated autoinhibiton of CB2 binding to the membrane phospholipid phosphatidylinositol-3-phosphate. Critical for this event is the binding of gephyrin to both CB2 and NL2, presumably via GephE.
Following up on these previous studies biochemical data presented in this thesis confirm the formation of the ternary complex. Unexpectedly, analyses by means of native polyacrylamide gel electrophoresis pointed to: (1) The existence of a complex containing NL2cyt and CB2 lacking the SH3 domain and consequently an additional NL2 binding site in CB2. (2) Attenuated gephyrin-collybistin complex formation in the presence of the SH3 domain. (3) A requirement for high NL2cyt concentrations (> 30 µM) during the formation of the ternary complex. This might allow for the regulation by other factors such as additional binding partners or posttranslational modifications. Although of preliminary character, these results provide a starting point for future studies, which will hopefully elucidate the interplay between gephyrin, collybistin, NL2 and certain GABAA receptors.
N2  - Eine effiziente synaptische Neurotransmission macht es erforderlich, dass sich presynaptische Nervenenden und die Schar (engl. Cluster) der dazugehörigen Neurotransmitterrezeptoren auf der postsynaptischen Seite exakt gegenüberliegen. Die Rezeptoren sind in der postsynaptischen Dichte eingebettet, die auch Gerüstproteine und regulatorische Proteine enthält, die hohe lokale Rezeptor-Konzentrationen gewährleisten. An inhibitorischen Synapsen übernimmt das cytosolische Gerüstprotein Gephyrin eine essentielle Rolle  in der postsynaptischen Dichte durch die Bildung von Homo-Oligomeren, die für eine hohe Dichte an Bindungsstellen für bestimmte -Aminobuttersäure Typ A- (GABAA)- und die große Mehrheit der Glyzin-Rezeptoren (GlyR) sorgen. Gephyrin enthält zwei Oligomerisierungsdomänen: In isolierter Form bildet die N-terminale 20 kDa große G-Domäne (GephG) und die C-terminale 46 kDa große E-Domäne (GephE) Trimere beziehungsweise Dimere. Im Volllängenprotein sind die Domänen durch einen zentrale ~150 Aminosäure lange Region (auch Linker genannt) verknüpft, und nur von der GephG-Trimerisiung wird Gebrauch gemacht, wohingegen die GephE-Dimerisierung unterbunden ist, was nahelegt, dass ein Auslöser benötigt wird, der die Autoinhibierung von GephE aufhebt und dadurch den Weg zur Bildung höherer Oligomere ebnet. Die strukturelle Basis für die GephE- Autoinhibierung ist bislang nicht bekannt, aber eine veröffentlichte Studie kam zu dem Schluss, dass der Linker ausreicht, um die GephE-Dimerisierung zu inhibieren. Diese Arbeit beinhaltet die biochemische und strukturelle Charakterisierung von apo-Gephyrin und Gephyrin in Komplexen mit Liganden, von denen bekannt ist, dass sie entweder die Bildung von synaptischen Gephyrin-Selbstoligomeren begünstigen (Collybistin und Neuroligin 2) oder die Gephyrin-Selbstoligomere reorganisieren (Dynein leichte Kette 1).
Für Volllängen-Gephyrin gab es bislang keine strukturellen Informationen. Rasterkraftmikroskopie (engl. AFM)- und Röntgenkleinwinkelbeugungs (engl. SAXS)-Analysen, die in dieser Arbeit beschrieben sind, deckten auf, dass das Gephyrin-Trimer eine hoch flexible Einheit ist, die – durch den langen Linker – zwischen kompakten und extendierten Zuständen hin- und herwechselt, mit einer leichten Präferenz für kompakte Zustände. Spektroskopische Messungen des zirkulären Dichroismus legten nahe, dass die partielle Kompaktierung und möglicherweise auch die GephE-Autoinhibition durch Interaktionen von Teilen des Linkers mit den G- und E-Domänen erreicht werden. Aber der Linker alleine kann nicht für die GephE-Blockade verantwortlich zeichnen, weil Größenausschluss-Chromatographie-Experimente gekoppelt mit Multiwinkel-Lichtstreudetektion (englische Abkürzung SEC-MALS) offenlegten, dass eine Gephyrin-Variante, die nur den Linker und GephE umfasst (GephLE), Dimere und keine Monomere ausbildet, wie in einer früheren Studie postuliert wurde. Der oligomere Zustand von GephLE und die Beobachtung, dass alle Gephyrin-Varianten, in denen Linker-Segmente verschiedener Länge deletiert wurden, überwiegend Trimere bildeten, legen nahe, dass ein Linker-unabhängiger Mechanismus für die GephE-Dimerisierungsblockade existiert. Zusammengenommen deuten die Daten darauf hin, dass Linker-abhängige und -unabhängige Mechanismen die GephE-Autoinhibtion vermitteln.
Im zweiten Projekt wurde die Interaktion von Gephyrin mit DYNLL1 (Dynein LC8 Light Chain 1) charakterisiert. DYNLL1 is ein 25 kDa-Dimer, das im Dynein-Motor integriert ist, und bietet zwei Bindestellen, die beide ein von der Gephyrin-Linker-Region abgeleitetes Oktapeptid (im Weiteren GephDB) aufnehmen können. Ursprünglich wurde DYNLL1 als ein Ladungsadapter betrachtet, der Gephyrin-GlyR-Komplexe mit dem Dynein-Motor verknüpft und dadurch ihren retrograden Transport vorantreibt und somit zu einer Abnahme synaptischer Gephyrin-GlyR-Komplexe führt.
Auf diesen Studien aufbauend, wurde in dieser Arbeit die Ladungsadapter-Hypothese analysiert ebenso wie die bislang unklare Stöchiometrie des Gephyrin-DYNLL1-Komplexes. Das Ladungsadapter-Szenario würde einen ternären Komplex aus Gephyrin, DYNLL1 und der mittleren Dynein-Kette (englische Abkürzung DIC) voraussetzen. Ein solcher Komplex konnte mittels analytischer Größenausschlusschromatographie (englische Abkürzung aSEC) nicht detektiert werden – vermutlich, weil Gephyrin und DIC um eine gemeinsame Bindungsstelle in DYNLL1 konkurrierten. Dieser Befund war konsistent mit einem Modell, in dem ein einzelnes DYNLL1-Dimer zwei Linker eines (einzelnen) Gephyrin-Trimers bindet, wie es auch durch eine 26 kDa-Massen-Zunahme der Gephyrin-Spezies in der Anwesenheit von DYNLL1 in SEC-MALS-Experimenten nahegelegt wurde. aSEC-Experimente auch bei hohen Konzentrationen (~20 µM Gephyrin und ~80 µM DYNLL1) deuteten darauf hin, dass die Affinität von GephDB im Kontext von Volllängen-Gephyrin signifikant beeinträchtigt war, aber auch bei einer Gephyrin-Variante, die nur GephG und die ersten 39 Reste des Linkers entielt (GephGL220). Voraussichtlich aufgrund von Aviditätseffekten banden zwei Linker stabil an ein einzelnes DYNLL1-Dimer, wohingegen das dritte DYNLL1-Bindungsmotiv unbesetzt blieb, so lange nicht hohe Konzentrationen an GephGL220 (50 µM) und DYNLL1 (200 µM) eingesetzt wurden. Diese Ergebnisse deuteten an, dass ein Zusammenspiel von GephG und dem N-terminalen Linker-Segment die Abschwächung der GephDB-Affinität zu DYNLL1 vermittelt und dass die Verhinderung der Induktion höherer Oligomere durch DYNLL1 entweder vorteilhaft für die Reorganization von Gephyrin-GlyR-Clustern ist oder dass DYNLL1 zwei (konzentrationsabhängige) Wirkungen auf Gephyrin ausübt.
Der Gephyrin-Collybistin-Neuroligin 2-Komplex war Gegenstand des dritten Projektes. Im Vorfeld dieser Arbeit wurde festgestellt, dass Collybistin und Gephyrin gegenseitig ihre Translokation zur postsynaptischen Membran einleiten, wo der ungeordnete, cytosolische Anteil des postsynaptischen Zelladhäsionsmembranmoleküls Neuroligin 2 (NL2cyt) die Verankerung von Collybistin 2 (CB2) durch das Binden an seine “src homology 3”-Domäne (SH3-Domäne) bewirkt und dadurch die SH3-Domänen-vermittelte Autoinhibition der CB2-Bindung an das Membran-Phospholipid Phosphatidylinositol-3-phosphat aufhebt. Entscheidend für dieses Ereignis ist, dass Gephyrin sowohl an CB als auch an NL2cyt bindet, vermutlich vermittelt durch GephE.
In einer Fortsetzung dieser frühreren Studien bestätigen biochemische Daten in dieser Arbeit die Bildung des ternären Komplexes. Unerwarteterweise deuteten Analysen mittels nativer Polyacrylamidgelektrophorese auf: (1) Die Existenz eines Komplexes aus NL2cyt und CB2 ohne SH3-Domäne und damit auf eine zusätzliche NL2-Bindungsstelle in CB2. (2) Abgeschwächte Gephyrin-Collybistin-Komplexbildung in der Anwesenheit der SH3-Domäne. (3) Hohe NL2-Konzentrationen (>30 µM) als Voraussetzung für die Bildung des ternären Komplexes. Dies könnte die Regulation durch andere Faktoren wie zusätzliche Bindungspartner oder posttranslationale Modifikationen ermöglichen. Wenngleich die Ergebnisse von vorläufigem Charakter sind, stellen sie einen Startpunkt für künftige Arbeiten dar, welche hoffentlich das Zusammenspiel von Gephyrin, Collybistin, NL2 und bestimmten GABAA-Rezeptoren weiter aufklären werden.
KW  - Gephyrin
KW  - Dynein Light Chain
KW  - Neuroligin 2
KW  - Collybistin
KW  - Small-angle X-ray Scattering
KW  - Structural Biology
Y1  - 2014
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-104212
ER  - 
TY  - THES
A1  - Rohleder, Florian
T1  - The Intricate Network of Replication-dependent Interstrand Crosslink DNA Repair
T1  - Das komplexe Netzwerk der replikationsabhängigen Reparatur von DNA-Quervernetzungen
N2  - The Fanconi anemia (FA) pathway is a replication-dependent DNA repair mechanism which is essential for the removal of interstrand crosslink (ICL) DNA damages in higher eukaryotes (Moldovan and D’Andrea, 2009). Malfunctions in this highly regulated repair network lead to genome instability (Deans and West, 2011). Pathological phenotypes of the disease FA which is caused by mutations in the eponymous pathway are very heterogeneous, involving congenital abnormalities, bone-marrow failure, cancer predisposition and infertility (Auerbach, 2009). The FA pathway comprises a complex interaction network and to date 16 FA complementation groups and associated factors have been identified (Kottemann and Smogorzewska, 2013). Additionally, components of nucleotide excision repair (NER), homologous recombination repair (HRR), and translesion synthesis (TLS) are involved and coordinated by the FA proteins (Niedzwiedz et al., 2004; Knipscheer et al., 2009). One of the FA proteins is the DEAH helicase FANCM. In complex with its binding partners FAAP24 and MHF1/2 it binds the stalled replication fork and activates the FA damage response (Wang et al., 2013). However, the exact steps towards removal of the ICL damage still remain elusive.

To decipher the underlying process of FA initiation by FANCM, this thesis mainly focuses on the archaeal FANCM homolog helicase-associated endonuclease for fork-structured DNA (Hef). Hef from the archaeal organism Thermoplasma acidophilum (taHef) differs from other archaeal Hef proteins and exclusively comprises an N-terminal helicase entity with two RecA and a thumb-like domain while others additionally contain a nuclease portion at the C-terminus. I solved the crystal structure of full-length taHef at a resolution of 2.43 Å. In contrast to the crystal structure of the helicase domain of Hef from Pyrococcus furiosus (pfHef), taHef exhibits an extremely open conformation (Nishino et al., 2005b) which implies that a domain movement of the RecA-like helicase motor domains of 61° is possible thus highlighting the flexibility of helicases which is required to translocate along the DNA. However, small-angle x-ray scattering (SAXS) measurements confirm an intermediate conformation of taHef in solution indicating that both crystal structures represent rather edge states. Most
importantly, proliferating cell nuclear antigen (PCNA) was identified as an interaction partner of Hef. This interaction is mediated by a highly conserved canonical PCNA interacting peptide (PIP) motif. Intriguingly, the presence of PCNA does not alter the ATPase nor the helicase activity of taHef, thus suggesting that the interaction is entirely dedicated to recruit taHef to the replication fork to fulfill its function. Due to a high level of flexibility the taHef-taPCNA complex could not be crystallized and therefore SAXS was utilized to determine a low-resolution model of this quaternary structure.

This newly discovered PCNA interaction could also be validated for the eukaryotic FANCM homolog Mph1 from the thermophilic fungus Chaetomium thermophilum (ctMph1). As the first step towards the characterization of this interaction I solved the crystal structure of PCNA from Chaetomium thermophilum (ctPCNA).

Furthermore, it was possible to achieve preliminary results on the putative interaction between the human proteins FANCM and PCNA (hsFANCM, hsPCNA). In collaboration with Detlev Schindler (Human Genetics, Würzburg) and Weidong Wang (National Institute on Aging, Baltimore, USA) co-immunoprecipitation (CoIP) experiments were performed using hsFANCM and hsPCNA expressed in HEK293 cells. Although an interaction was reproducibly observed in hydroxyurea stimulated cells
further experiments and optimization procedures are required and ongoing.
N2  - Der Fanconi Anämie (FA) Signalweg ist ein replikationsabhängiger DNA-Reparaturmechanismus, der grundlegend zur Beseitigung von DNA-Schäden in Form von intermolekularen Quervernetzungen (ICL) beiträgt (Moldovan and D’Andrea, 2009). Fehlfunktionen in diesem stringent regulierten Reparaturnetzwerk führen somit zu Genominstabilität (Deans and West, 2011). Der pathologische
Phänotyp der Krankheit FA, die durch Mutationen in dem gleichnamigen DNA-Reparatur Signalweg verursacht wird, ist sehr heterogen und umfasst angeborene Deformationen, Knochenmarksversagen, eine erhöhte Tumor Disposition sowie Infertilität (Auerbach, 2009). Der FA Mechanismus ist ein komplexes Netzwerk und bisher wurden 16 FA Komplementationsgruppen sowie weitere beteiligte Faktoren identifiziert (Kottemann and Smogorzewska, 2013). Zusätzlich sind Komponenten der Nukleotid-Exzisionsreparatur (NER), der homologen Rekombinationsreparatur (HRR) und Transläsionssynthese (TLS) involviert, die durch FA Proteine koordiniert werden (Niedzwiedz et al., 2004; Knipscheer et al., 2009). Eines der FA Proteine ist die DEAH Helikase FANCM. Im Komplex mit seinen Interaktionspartnern FAAP24 und MHF1/2 bindet FANCM an die durch den ICL Schaden zum Stillstand gekommene Replikationsgabel und aktiviert die FA Schadensantwort (Wang et al., 2013). Die weiteren Schritte, die zur Entfernung des ICL Schadens führen, sind jedoch weitestgehend ungeklärt.

Zur Aufklärung der Initiation des FA Mechanismus und der Rolle, die das FANCM dabei spielt, wurde in dieser Arbeit hauptsächlich das archaische FANCM Homolog Helicase-associated Endonuclease for Fork-structured DNA (Hef) analysiert. Hef aus dem archaischen Organismus Thermoplasma acidophilum (taHef) unterscheidet sich von anderen archaischen Hef Proteinen und besteht ausschließlich aus einem N-terminalen Helikase-Abschnitt mit zwei RecA und einer thumb-like Domäne, während andere Hef Proteine am C-Terminus zusätzlich eine Nuklease-Domäne besitzen. Ich habe die Kristallstruktur des taHef Proteins bei einer Auflösung von 2,43 Å gelöst. Im Gegensatz zur Kristallstruktur eines vergleichbaren Hef-Konstruktes aus Pyrococcus
furiosus (pfHef) (Nishino et al., 2005b) liegt in taHef eine extrem offene Konformation der beiden RecA-Domänen vor, was impliziert, dass eine Bewegung der RecA-ähnlichen Helikase Motordomänen um 61° möglich ist und zudem die zur Translokation entlang der DNA notwendige Flexibilität von Helikasen verdeutlicht. Messungen mittels Kleinwinkelröntgenstreuung (SAXS) deuten hingegen auf eine intermediäre Konformation des taHef Proteins in Lösung hin, wodurch beide Kristallstrukturen als eher Randzustände angesehen werden können. Besonders hervorzuheben ist, dass das Protein Proliferating Cell Nuclear Antigen (PCNA) als Hef Interaktionspartner identifiziert wurde. Diese Interaktion wird durch ein hoch-konserviertes kanonisches PCNA Interaktionspeptid-Motiv vermittelt. Interessanterweise beeinflusst PCNA aber weder die ATPase noch die Helikase Aktivität von taHef, was darauf hindeutet, dass diese Interaktion nur zur Rekrutierung des Hef Proteins zur Replikationsgabel dient. Wegen des hohen Maßes an Flexibilität konnte der taHef-taPCNA Komplex nicht kristallisiert werden, wohingegen SAXS Messungen erfolgreich waren und ein Model bei niedriger Auflösung konnte erhalten werden.

Diese nachgewiesene Interaktion zwischen Hef und PCNA konnte auch für das eukaryotische FANCM Homolog Mph1 aus dem thermophilen Pilz Chaetomium thermophilum (ctMph1) bestätigt werden. Als ersten Schritt zur Charakterisierung dieser Interaktion habe ich die Kristallstruktur von PCNA aus Chaetomium thermophilum (ctPCNA) gelöst.

Weiterhin war es möglich, vorläufige Resultate bezüglich der mutmaßlichen Interaktion zwischen den humanen Proteinen FANCM und PCNA (hsFANCM,
hsPCNA) zu erhalten. In Kooperation mit Detlev Schindler (Humangenetik, Würzburg) und Weidong Wang (National Institute on Aging, Baltimore, USA) wurden Co-Immunopräzipitations-Experimente (CoIP) mit humanem FANCM und humanem PCNA aus HEK293-Zellen durchgeführt. Obwohl eine Interaktion in Hydroxyurea-stimulierten Zellen reproduzierbar nachgewiesen werden konnte, sind
weitere Experimente notwendig, um diese Interaktion zu charakterisieren.
KW  - DNS-Reparatur
KW  - DNA Repair
KW  - Fanconi Anemia
KW  - Structural Biology
KW  - Fanconi-Anämie
Y1  - 2014
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-113121
ER  -