TY  - THES
A1  - Song, Boyuan
T1  - Structural and functional studies of \(Saccharomyces\) \(cerevisiae\) Ccr4-Not complex with Electron microscopy
T1  - Strukturelle und funktionelle Untersuchungen von \(Saccharomyces\) \(cerevisiae\) Ccr4-Not Komplexen mittels Elektronenmikroskopie
N2  - The degradation of poly-adenosine tails of messenger RNAs (mRNAs) in the eukaryotic cells is a determining step in controlling the level of gene expression. The highly conserved Ccr4-Not complex was identified as the major deadenylation complex in all eukaryotic organisms. Plenty of biochemical studies have shown that this complex is also involved in many aspects of the mRNA metabolism, but we are still lacking the detailed structural information about its overall architecture and conformational states that could help to elucidate its multifunction and the way it is coordinated in the cells. Such information can also provide a basis to finding a possible way of intervention since the complex is also involved in some diseases such as cancer and cardiovascular disorders in humans. Meanwhile, the single particle Cryo-EM method has been through a “resolution revolution” recently due to the use of the newly developed direct electron detectors and has since resolved the high-resolution structures of many macromolecular protein complexes in their near-native state. Therefore, it was employed as a suitable method for studying the Ccr4-Not complex here. In this work, the Falcon 3EC direct detector mounted on the 300kV Titan Krios G3i Cryo-EM was evaluated for its practical performance at obtaining high-quality Cryo-EM data from protein samples of different molecular sizes. This served as a proof of principle for this detector’s capabilities and as a data collection guidance for studying the macromolecular complexes, such as the Ccr4-Not, when using an advanced high-performance microscope system. Next, the endogenous yeast Ccr4-Not complex was also purified via the immunoaffinity purification method and evaluated using negative staining EM to assess the conditions of the complex before proceeding to sample preparation for Cryo-EM. This has shown that the complex had an unexpected inherently dynamic property in vitro and extra optimisation procedures were needed to stabilise the complex during the purification and sample preparation. In addition, by using the label-free quantitative Mass spectrometry to examine the coimmunoprecipitated complex via different tagged subunits, it was deduced that two of the subunits (Not3/Not5) that shared some sequence similarity might compete for association with the scaffold subunit of the complex. An uncharacterised protein was also identified coimmunoprecipitating with the Caf130 subunit of the yeast complex. Cryo-EM data from the purified complex provided a low-resolution map that represents a surprisingly smaller partial complex as compared to 3D structures from previous studies, although gel electrophoresis and Mass spectrometry data have identified all of the nine subunits of the Ccr4-Not core complex in the sample. It was concluded that due to the presence of many predicted unstructured regions VI in the subunits and their dynamic composition in solution, the native complex could have been spontaneously denatured at the air/water interface during the sample preparation thus limiting the resolution of the Cryo-EM reconstruction. The purified complex was also examined for its deadenylase and ubiquitin ligase activity by in vitro assays. It was shown that the native complex has a different rate of activity and possibly also a different mode of action compared to the recombinant complexes from other species under similar reaction conditions. The Not4 E3 ligase was also shown to be active in the complex and was likely auto-ubiquitinated in the absence of a substrate. Both types of assays have also shown that the conformational flexibility does not seem to affect the enzymatic reactions when using a chemically crosslinked form of the complex for the assay, which implies that there can be other underlying mechanisms coordinating its structural and functional relationship. The findings from this work have therefore moved our understanding of the Ccr4-Not complex forward by looking at the different structural and functional behaviours of the endogenous complex, especially highlighting the obstacles in sample preparation for the native complex in high-resolution Cryo-EM. This would serve as foundation for future studies on the mechanism of this complex’s catalytic functions and also for optimising the Cryo-EM sample to generate better data that could eventually resolve the structure to a high-resolution.
N2  - Der Abbau des Poly(A)-Schwanzes von Messenger-RNAs (mRNA) in den eukaryotischen Zellen ist ein entscheidender Schritt bei der Kontrolle des Niveaus der Genexpression. Der hochkonservierte Ccr4-Not-Komplex wurde in allen eukaryotischen Organismen als der Hauptdeadenylierungskomplex identifiziert. Zahlreiche biochemische Studien haben gezeigt, dass dieser Komplex auch an vielen Aspekten des mRNA-Metabolismus beteiligt ist. Uns fehlen jedoch noch die detaillierten Strukturinformationen über seine Gesamtarchitektur und seine Konformationszustände, die zur Aufklärung seiner Multifunktion und seiner Koordinierung in den Zellen beitragen könnten. Solche Informationen können auch Grundlage für die Suche nach einem möglichen Interventionsweg bieten, da der Komplex auch an einigen Krankheiten wie Krebs und Herz-Kreislauf-Erkrankungen des Menschen beteiligt ist. In der Zwischenzeit hat die Einzelpartikel-Kryo-EM-Methode aufgrund der Verwendung der neu entwickelten direkten Elektronendetektoren kürzlich eine „Auflösungsrevolution“ durchlaufen und seitdem die hochauflösenden Strukturen vieler makromolekularer Proteinkomplexe in ihrem nahezu nativen Zustand aufgelöst. Daher wurde es hier als geeignete Methode zur Untersuchung des Ccr4-Not-Komplexes eingesetzt.
In dieser Arbeit wurde der Falcon 3EC-Direktdetektor, der an das 300-kV-Titan Krios G3i Kryo-EM montiert ist, auf seine praktische Leistung bei der Gewinnung hochwertiger Kryo-EM-Daten aus Proteinproben unterschiedlicher Molekülgröße untersucht. Dies diente als Grundsatznachweis für die Fähigkeiten des Detektors und als Leitfaden für die Datenerfassung zur Untersuchung der makromolekularen Komplexe wie Ccr4-Not bei Verwendung eines fortschrittlichen Hochleistungsmikroskopsystems. Als nächstes wurde der endogene Hefe-Ccr4-Not-Komplex auch über das Immunaffinitäts-Reinigungsverfahren gereinigt und unter Verwendung einer negativ gefärbten EM bewertet, um die Bedingungen des Komplexes zu bewerten, bevor mit der Probenvorbereitung für Kryo-EM fortgefahren wurde. Dies hat gezeigt, dass der Komplex in vitro eine unerwartete inhärent dynamische Eigenschaft aufwies und zusätzliche Optimierungsverfahren erforderlich waren, um den Komplex während der Reinigung und Probenvorbereitung zu stabilisieren. Darüber hinaus wurde unter Verwendung der markierungsfreien quantitativen Massenspektrometrie zur Untersuchung des co-immunpräzipitierten Komplexes über verschiedene markierte Untereinheiten abgeleitet, dass zwei der Untereinheiten (Not3 / Not5), die eine gewisse Sequenzähnlichkeit teilen, um die Verbindung mit der Gerüstuntereinheit des Komplexes konkurrieren könnten. Es wurde auch ein nicht charakterisiertes Protein identifiziert, das zusammen mit der Caf130-Untereinheit des Hefekomplexes immunpräzipitiert. Kryo-EM-Daten aus dem gereinigten Komplex lieferten eine Karte mit niedriger Auflösung, die im Vergleich zu 3D-Strukturen aus früheren Studien einen überraschend kleineren Teilkomplex darstellt, obwohl Gelelektrophorese- und Massenspektrometriedaten gezeigt haben, dass alle neun Untereinheiten des Ccr4-Not Kernkomplexware in der Probe vorhanden waren. Daraus kann man schließen, dass aufgrund des Vorhandenseins vieler vorhergesagter unstrukturierter Regionen in den Untereinheiten und ihrer dynamischen Zusammensetzung in Lösung der native Komplex während der Probenvorbereitung an der Luft / Wasser-Grenzfläche spontan denaturiert werden konnte, wodurch die Auflösung des Kryo-EM Wiederaufbaus begrenzt wurde.
Der gereinigte Komplex wurde auch durch In-vitro-Tests auf seine Deadenylase- und Ubiquitin-Ligase-Aktivität untersucht. Es wurde aufgezeigt, dass der native Komplex eine andere Aktivitätsrate und möglicherweise auch eine andere Wirkungsweise aufweist als die rekombinanten Komplexe anderer Spezies unter ähnlichen Reaktionsbedingungen. Es wurde auch dargestellt, dass die Not4 E3-Ligase in dem Komplex aktiv ist und wahrscheinlich in Abwesenheit eines Substrats automatisch ubiquitiniert wird. Beide Arten von Assays haben auch gezeigt, dass die Konformationsflexibilität die enzymatischen Reaktionen bei Verwendung einer chemisch vernetzten Form des Komplexes für den Assay nicht zu beeinflussen scheint, was impliziert, dass es andere zugrunde liegende Mechanismen geben kann, die seine strukturelle und funktionelle Beziehung koordinieren.
Die Ergebnisse dieser Arbeit haben daher unser Verständnis des Ccr4-Not-Komplexes weiterentwickelt, indem wir die unterschiedlichen strukturellen und funktionellen Verhaltensweisen des endogenen Komplexes untersucht und insbesondere die Hindernisse bei der Probenvorbereitung für den nativen Komplex im hochauflösendem Kryo-EM hervorgehoben haben. Dies würde als Grundlage für zukünftige Forschungen dienen, die Mechanismen seiner katalytischen Funktionen weiter zu untersuchen und auch die Kryo-EM-Probe zu optimieren, um bessere Daten zu generieren, die die Struktur schließlich in eine hohe Auflösung auflösen könnten.
KW  - CCR4
KW  - Ccr4-Not
KW  - biochemistry
KW  - electron microscopy
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-216527
ER  - 
TY  - THES
A1  - Fischer, Andreas
T1  - The Role of Protein-Protein Interactions in the Activation Cycle of RAF Kinases
T1  - Die Rolle von Protein-Protein Interaktionen im Aktivierungszyklus der RAF Kinasen
N2  - Members of the RAF protein kinase family are key regulators of diverse cellular processes. The need for isoform-specific regulation is reflected by the fact that all RAFs not only display a different degree of activity but also perform isoform-specific functions at diverse cellular compartments. Protein-protein-interactions and phosphorylation events are essential for the signal propagation along the Ras-RAF-MEK-ERK cascade. More than 40 interaction partners of RAF kinases have been described so far. Two of the most important regulators of RAF activity, namely Ras and 14-3-3 proteins, are subject of this work. So far, coupling of RAF with its upstream modulator protein Ras has only been investigated using truncated versions of RAF and regardless of the lipidation status of Ras. We quantitatively analyzed the binding properties of full-length B- and C-RAF to farnesylated H-Ras in presence and absence of membrane lipids. While the isolated Ras-binding domain of RAF exhibit a high binding affinity to both, farnesylated and nonfarnesylated H-Ras, the full-length RAF kinases demonstrate crucial differences in their affinity to Ras. In contrast to C-RAF that requires carboxyterminal farnesylated H-Ras for interaction at the plasma membrane, B-RAF also binds to nonfarnesylated H-Ras in the cytosol. For identification of the potential farnesyl binding site we used several fragments of the regulatory domain of C-RAF and found that the binding of farnesylated H-Ras is considerably increased in the presence of the cysteine-rich domain of RAF. In B-RAF a sequence of 98 amino acids at the extreme N terminus enables binding of Ras independent of its farnesylation status. The deletion of this region altered Ras binding as well as kinase properties of B-RAF to resemble C-RAF. Immunofluorescence studies in mammalian cells revealed essential differences between B- and C-RAF regarding the colocalization with Ras. In conclusion, our data suggest that that B-RAF, in contrast to C-RAF, is also accessible for nonfarnesylated Ras in the cytosolic environment due to its prolonged N terminus. Therefore, the activation of B-RAF may take place both at the plasma membrane and in the cytosolic environment. Furthermore, the interaction of RAF isoforms with Ras at different subcellular sites may also be governed by the complex formation with 14-3-3 proteins. 14-3-3 adapter proteins play a crucial role in the activation of RAF kinases, but so far no information about the selectivity of the seven mammalian isoforms concerning RAF association and activation is available. We analyzed the composition of in vivo RAF/14-3-3 complexes isolated from mammalian cells with mass spectrometry and found that B-RAF associates with a greater variety of 14-3-3 proteins than C- and A-RAF. In vitro binding assays with purified proteins supported this observation since B-RAF showed highest affinity to all seven 14-3-3 isoforms, whereas C-RAF exhibited reduced affinity to some and A-RAF did not bind to the 14-3-3 isoforms epsilon, sigma, and tau. To further examine this isoform specificity we addressed the question of whether both homo- and heterodimeric forms of 14-3-3 proteins participate in RAF signaling. By deleting one of the two 14-3-3 isoforms in Saccharomyces cerevisiae we were able to show that homodimeric 14-3-3 proteins are sufficient for functional activation of B- and C-RAF. In this context, the diverging effect of the internal, inhibiting and the activating C-terminal 14-3-3 binding domain in RAF could be demonstrated. Furthermore, we unveil that prohibitin stimulates C-RAF activity by interfering with 14-3-3 at the internal binding site. This region of C-RAF is also target of phosphorylation as part of a negative feedback loop. Using tandem MS we were able to identify so far unknown phosphorylation sites at serines 296 and 301. Phosphorylation of these sites in vivo, mediated by activated ERK, leads to inhibition of C-RAF kinase activity. The relationship of prohibitin interference with 14-3-3 binding and phosphorylation of adjacent sites has to be further elucidated. Taken together, our results provide important new information on the isoform-specific regulation of RAF kinases by differential interaction with Ras and 14-3-3 proteins and shed more light on the complex mechanism of RAF kinase activation.
N2  - RAF Protein Kinasen sind essentielle Regulatoren verschiedener zellulärer Prozesse. Unterschiedlich starke Aktivitäten und Lokalisation der drei RAF Isoformen erfordern eine isoform-spezifische Regulation. Der Einfluss von Protein-Protein Interaktionen und Phosphorylierungen ist dabei mitentscheidend für die Signalweiterleitung entlang der Ras-RAF-MEK-ERK Kaskade. Mehr als 40 Interaktionspartner der RAF Kinasen wurden bereits beschrieben von denen zwei der wichtigsten, Ras und 14-3-3 Proteine, Gegenstand der vorliegenden Arbeit sind. Die Interaktion von RAF mit seinem vorgeschaltetem Modulatorprotein Ras wurde bislang nur mit verkürzten RAF-Proteinen und ohne Rücksicht auf den Lipidierungsgrad von Ras untersucht. Wir haben die Bindeeigenschaften von B- und C-RAF in voller, nativer Länge zu farnesyliertem H-Ras in Gegenwart und Abwesenheit von Membranlipiden quantifiziert. Während die isolierte Ras-Bindungsdomäne eine hohe Affinität sowohl zu farnesyliertem als auch nicht-farnesyliertem H-Ras aufweist, zeigen die RAF Proteine in voller Länge entscheidende Unterschiede in ihrem Bindeverhalten zu Ras. C-RAF benötigt für eine effiziente Interaktion mit H-Ras dessen C-terminale Farnesylgruppe, wobei B-RAF auch an nicht-farnesyliertes H-Ras im Cytosol bindet. Um die verantwortliche Farnesylbinderegion zu identifizieren haben wir verschiedene Fragmente der regulatorischen Domäne von C-RAF eingesetzt. Dadurch konnten wir zeigen, dass die Affinität zu farnesyliertem Ras in Gegenwart der sogenannten Cystein-reichen Domäne von RAF beträchtlich erhöht war. In B-RAF ist eine Sequenz von 98 Aminosäuren am N-Terminus verantwortlich für die Ras-Bindung unabhängig von dessen Farnesylierungszustand. Die Deletion dieser Sequenz von B-RAF veränderte die Ras-Bindungseigenschaften sowie die Kinaseaktivität vergleichbar mit C-RAF. Durch Immunfluoreszenzversuche in Säugerzellen konnten darüber hinaus Unterschiede in der Kolokalisation von B- und C-RAF mit Ras beobachtet werden. Zusammenfassend deuten unsere Ergebnisse darauf hin, dass B-RAF, im Gegensatz zu C-RAF, aufgrund seines verlängerten N-Terminus in der Lage ist bereits im Cytosol auch mit unfarnesyliertem Ras zu interagieren, wodurch die Aktivierung von B-RAF sowohl im Cytosol als auch an der Plasmamenbran erfolgen kann. Die Interaktion der RAF-Isoformen mit Ras in unterschiedlichen zellulären Kompartimenten kann aber auch durch die Komplexbildung mit 14-3-3 Proteinen beeinflusst werden. Die 14-3-3 Adapter Proteine spielen eine entscheidende Rolle im Aktivierungszyklus der RAF Proteine. Bislang waren jedoch keine Details bezüglich der Selektivität der sieben 14-3-3 Isoformen aus Säugerzellen hinsichtlich der Assoziation mit und Aktivierung der RAF Kinasen bekannt. Wir haben RAF/14-3-3 Komplexe aus Säugerzellen isoliert und durch Massenspektrometrie analysiert. Dadurch konnten wir zeigen, dass B-RAF mit einer größeren Vielfalt an 14-3-3 Isoformen bindet als C- und A-RAF. In vitro Bindungsversuche mit gereinigten Proteinen bestätigten die höhere Affinität von B-RAF zu allen sieben Säuger-14-3-3 Proteinen. C-RAF dagegen zeigte eine deutlich reduzierte Affinität, während für A-RAF keine Bindung zu den 14-3-3 Isoformen epsilon, sigma, und tau festgestellt wurde. Um diese Isoformspezifität weiter aufzuklären haben wir untersucht, ob sowohl Homo- als auch Heterodimere von 14-3-3 in der Lage sind die RAF-Signaltransduktion zu beeinflussen. Durch die Deletion einer der beiden 14-3-3 Isoformen aus Saccharomyces cerevisiae konnten wir zeigen, dass bereits ein 14-3-3 Homodimer für die korrekte Aktivierung von B- und C-RAF ausreichend ist. In diesem Zusammenhang konnte auch die Rolle der internen, inhibierenden 14-3-3 Bindestelle in RAF gegenüber der C-terminalen, aktivierenden Stelle dargelegt werden. Zusätzlich zeigen wir, dass Prohibitin seinen aktivierenden Einfluss gegenüber C-RAF durch die Beeinträchtigung der 14-3-3 Bindung an der internen Stelle in RAF ausübt. Diese Region in C-RAF ist das Ziel von Phosphorylierungen im Zuge eines negativen Rückkopplungsmechanismus. Durch den Einsatz von Tandem-Massenspektrometrie konnten wir bislang unbekannte Phosphorylierungsstellen an den Serinen 296 und 301 identifizieren deren ERK-vermittelte Phosphorylierung in vivo eine Inaktivierung der C-RAF bewirkt. Der Zusammenhang zwischen der Behinderung der 14-3-3 Anlagerung durch Prohibitin und die Phosphorylierung in unmittelbarer Nachbarschaft bedarf weiterer Untersuchungen. Zusammengefasst liefern unsere Ergebnisse wichtige Informationen bezüglich der isoform-spezifischen Regulation der RAF Kinasen durch die Interaktion mit Ras und 14-3-3 Proteinen und helfen die komplexen Mechanismen der RAF Aktivierung weiter aufzuklären.
KW  - Signaltransduktion
KW  - Raf <Biochemie>
KW  - Biochemie
KW  - Ras
KW  - H-ras
KW  - Proteininteraktion
KW  - signal transduction
KW  - biochemistry
KW  - Ras
KW  - Raf
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-48139
N1  - Aus rechtlichen Gründen sind die in der Dissertation abgedruckten, bereits in Zeitschriften veröffentlichten Artikel (Seiten 34 - 80) nicht in der elektronischen Version enthalten.
ER  -