Structure and Dynamics of Human Guanylate Binding Protein 1 in Solution - Correlating X-ray and Neutron Scattering Experiments with Single-Molecule FRET Measurements
Final Report Abstract
Guanylat-bindende Proteine spielen eine wichtige Rolle für die Immunantwort von Lebewesen und sind daher überlebensnotwendig. Das humane Guanylat-bindende Protein 1 (hGBP1) ist ein wichtiger Vertreter dieser Familie. In früheren Veröffentlichungen wurde hGBP1 stets ohne jegliche posttranslationale Modifikationen untersucht, obwohl bereits relativ früh nachgewiesen wurde, dass hGBP1 in vivo durch eine Farnesylierung posttranslational modifiziert ist. Im Laufe dieses von der DFG geförderten Forschungsprojektes konnte jedoch gezeigt werden, dass es grundlegende Unterschiede zwischen dem unmodifizierten hGBP1 und dem natürlicherweise vorkommenden farnesylierten Protein farn-hGBP1 gibt. i) Das unmodifizierte hGBP1 Monomer besitzt eine hohe intrinsische Dynamik und liegt in einem strukturellen Ensemble aus zwei ähnlichen Zuständen vor. Durch die Kombination von Streumethoden und Einzelmolekülspektroskopie konnte die Struktur und Dynamik des hGBP1 Monomers detailliert untersucht werden. Durch die intrinsische Flexibilität des hGBP1 Monomers kann eine Dimerisierung erfolgen, was die molekulare Grundlage für weitere Oligomerzustände des hGBP1 sein kann. ii) Im einem zweiten Arbeitspaket wurden die strukturellen Unterschiede zwischen dem unmodifizierten hGBP1 und dem farnesylierten farn-hGBP1 untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass der Farnesylanker hauptsächlich dazu dient, das hGBP1 Protein in der inaktiven, sehr kompakten Monomerkonformation zu halten und somit eine unerwünschte Dimerisierung zu verhindern. Diese Struktur ist der bekannten Kristallstruktur sehr ähnlich. Damit ist eine gezielte und spezifische Signaltransduktion durch die Nukleotidbindung gewährleistet, was in Zellen unverzichtbar ist. iii) Letztlich konnte in einen dritten Arbeitspaket gezeigt werden, inwiefern sich die Oligomerisierung des farnesylierten Proteins von der des nicht modifizierten hGBP1 Proteins unterscheidet. Die Entstehung von Nukleationskeimen, sogenannten Scheiben, und späteren großflächigen Proteinaggregaten konnte strukturell und kinetisch beschrieben werden. Diese Arbeit trägt dazu bei, die bereits in vivo beobachteten Effekte der Phasenseparation und Bildung sogenannter ‚Vesikel-artiger Strukturen‘ in vitro zu reproduzieren und strukturell weiter zu beschreiben. Allgemein betrachtet konnte unsere Arbeit darlegen, dass die Farnesylierung einen großen Einfluss auf die Struktur und das Oligomerisationsverhalten des hGBP1 hat. Früherer Arbeiten, die eine physiologische Relevanz der unmodifizierten hGBP1 postulierten müssen aus diesem Grund neu betrachtet werden.
Publications
- GTP-induced self-assembly of farnesylated hGBP1 to supramolecular complexes studied by TR-SAXS. Eur Biophys J, 2017, 46 (Suppl 1): S349. “11th European Biophysical Societies' Association (EBSA) Congress”, 2017, Edinburgh, UK
Charlotte Lorenz, Andreas M. Stadler
- Assembly Mechanism of Farnesylated hGBP1 Studied by Time-Resolved SAXS and Electron Microscopy. Biophysical Journal, 2019, 116, 3, S1, 159A. “63rd Annual Meeting of the Biophysical Society”, 2019, Baltimore, USA
Charlotte Lorenz, Andreas M Stadler
(See online at https://dx.doi.org/10.1016/j.bpj.2018.11.880) - Combined small-angle X-ray and neutron scattering restraints in molecular dynamics simulations. Journal of Chemical Theory and Computation, 2019, 15, 8, 4687-4698
Po-chia Chen, Roman Shevchuk, Felix M Strnad, Charlotte Lorenz, Lukas Karge, Ralph Gilles, Andreas M Stadler, Janosch Hennig, Jochen S Hub
(See online at https://doi.org/10.1021/acs.jctc.9b00292) - Structural investigation of the human guanylate binding protein 1 in solution. Dissertation, RWTH Aachen University, 2019
Charlotte Lorenz
(See online at https://doi.org/10.18154/RWTH-2019-04295) - Farnesylation of human guanylate-binding protein 1 as safety mechanism preventing structural rearrangements and uninduced dimerization. The FEBS Journal, 2020, 287, 3, 496-514
Charlotte Lorenz, Semra Ince, Tao Zhang, Anneliese Cousin, Renu Batra-Safferling, Luitgard Nagel-Steger, Christian Herrmann, Andreas M. Stadler
(See online at https://doi.org/10.1111/febs.15015)
