Struktur und Dynamik neuartiger bakterieller Photolyasen

• Antragsteller: Professor Dr. Lars-Oliver Essen
• Fachliche Zuordnung: Strukturbiologie ; Biochemie ; Biophysik
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 410476550

Photolyasen und Cryptochrome bilden eine Superfamilie (PCSf) lichtabhängiger Proteine, die in allen Bereichen des Lebens vorkommen. CPD und (6-4)-Photolyasen reparieren nach Anregung ihres vollständig reduzierten FADH(−) Cofaktors UV-induzierte DNA-Schäden, Cyclobutan-Pyrimidin-Dimere (CPD) bzw. (6-4)-Photoprodukte (6-4PP). Cryptochrome vermitteln viele biologische Lichtreaktionen und hängen dabei von den aus Photolyasen bekannten Photoreduktionsreaktionen ihrer Flavine ab. Die meisten Photolyasen und Cryptochrome weisen enge evolutionäre Beziehungen zueinander auf, indem sie gemeinsame strukturelle & funktionelle Merkmale ihrer photoaktiven Regionen aufweisen. Im Gegensatz dazu sind einige PCSf-Familien nur entfernt mit diesen kanonischen und gut untersuchten Photolyasen/Cryptochromen verwandt. So unterscheiden sich bakterielle (6-4) Photolyasen, die zumindest in einigen Fällen auch als Cryptochrome agieren, und Klasse II CPD-Photolyasen (CPDII) von eukaryontischen (6-4)- und anderen CPD-Photolyasen in Hinsicht auf DNA-Erkennung, Elektronentransferwege und akzessorischer Lichtantennen. Wir werden die durch bakterielle (6-4) Photolyasen katalysierte DNA-Reparatur erforschen, indem wir unsere Kompetenzen in Strukturbiologie, Photobiologie und zeitaufgelöster Spektroskopie bündeln. Wir fokussieren uns zunächst auf PhrB aus Agrobacterium tumefaciens sowie anderen Mitgliedern der Familie bakterieller (6-4) Photolyasen. Um ihre Mechanismen bzgl. Flavin-Photoreduktion und 6-4PP-Reparatur zu untersuchen, setzen wir transiente Spektroskopie mit breiter zeitlicher (100 fs bis Sekunden) und spektraler Abdeckung ein. Durch Mutagenese werden wir unsere Modelle der Elektronen- und Protonentransferreaktionen während der 6-4PP-Reparatur weiter verfeinern. Den Modus der 6-4PP-DNA-Bindung an bakterielle (6-4) Photolyasen sowie den Einfluss von Mutationen auf die 3D-Struktur werden wir mittels Röntgenkristallographie analysieren. Schließlich werden mechanistische Modelle, die wir für bakterielle (6-4) Photolyasen von unseren spektroskopischen und strukturellen Daten ableiten, mit denen eukaryontischer (6-4) Photolyasen verglichen. Der evolutionäre Ursprung der PCSf ist derzeit noch unklar. Auf Basis unseres bisherigen strukturellen und mechanistischen Verständnisses von PCSf-Mitgliedern werden wir zunächst eine neuartige bakterielle PCSf-Familie mit vorhergesagter CPD-Photolyaseaktivität charakterisieren, deren Mitgliedern die sonst in der PCSf strikt konservierte N-terminale Antennendomäne fehlt. Parallel dazu werden wir eine reverse-engineering Strategie verfolgen, um minimale Eindomänen-Photolyasen aus bekannten PCSf Vertretern zu generieren und zu charakterisieren. Dieser auf die Proteinevolution der PCSf zielende Ansatz kann uns zu den frühesten Vorfahren der PCSf führen, die noch keine zusätzliche Blaulicht-abhängige Antennen-Domäne benötigten und einzig von der Photochemie ihres FADH(−) Chromophors abhingen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: China
• Partnerorganisation: National Natural Science Foundation of China
• Kooperationspartner: Professor Dr. Dongping Zhong