Atomare Details des Substrat-Transports in einem ABC Exporter

• Antragsteller: Professor Dr. Lars Schäfer
• Fachliche Zuordnung: Biophysik
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 423518358

• Erstellungsjahr: 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Hauptziel des Projekts war es, mit Hilfe von Molekulardynamik (MD) Simulationen und in Zusammenarbeit mit experimentellen Partnern die molekularen Mechanismen der Translokation von Substratmolekülen durch Membrantransporter zu untersuchen. Der erste Teil des Projekts konzentrierte sich auf den ABC Transporter TM287/288. Mithilfe atomistischer MD Simulationen auf der Multimikrosekunden-Zeitskala konnte auf atomarer Ebene aufgeklä werden, wie die Substratmoleküle Daunorubicin und Verapamil durch den ABC Exporter transportiert werden, indem sie dem Konformationsübergang des Transporters von einem nach innen gerichteten zu einem nach außen gerichteten Zustand folgen. Deutliche Unterschiede in der Hydratisierung des hydrophoben Substrats und der Transmembran-Kavität des ABC Transporters zwischen der nach innen und der nach außen gerichteten Konformationen können erklären, warum die Wiederaufnahme des Substrats verhindert wird. Zusätzlich zu TM287/288 untersuchten wir auch die ABC Transporter MsbA und P-Glykoprotein. Für MsbA fanden wir heraus, dass die umstrittene, weit nach innen geöffnete Konformation tatsächlich in E. Coli Zellen vorliegt. MD Simulationen zeigten, dass die weite Öffnung der seitlichen Portale in dieser Konformation die Aktivierungsbarriere für die Bindung des Transportsubstratmoleüls Lipid A an die Transmembran-Kavität von MsbA senkt, was ein Schlüsselschritt im Transportmechanismus ist und somit eine Rolle der weit geöffneten Konformation im funktionalen Arbeitszyklus dieses Transporters definieren könnte. Für das menschliche P-Glykoprotein, eine Multidrug-Efflux-Pumpe, die in vielen Krebszellen überexprimiert ist und mit Multi Drug Resistance in Verbindung gebracht wird, haben wir die strukturellen Ensembles von zwei zuvor charakterisierten, nach innen geöffneten Strukturen untersucht. Diese beiden Strukturen unterscheiden sich in der Konformation von zwei Transmembran-Helices, die in hochauflösenden Strukturen, die in Detergenz bzw. in Nanodiscs gelöst wurden, gerade und geknickte Konformationen annehmen. Die MD Simulationen zeigten Unterschiede zwischen den beiden Konformeren bezüglich der Zugänglichkeit der Transmembran-Kavität für Substratmoleküle. Außerdem zeigten die Simulationen einen spontanen partiellen Konformationsübergang von einer geraden zu einer geknickten Konformation einer der Helices, was darauf hindeutet, dass beide Konformationen unter physiologischen Bedingungen in einer nativen Membranumgebung vorliegen können. Aus funktioneller Sicht deuten die Ergebnisse darauf hin, dass das gerade Konformer dem geknickten Konformer im Transportzyklus des P-Glykoproteins vorausgeht. Schließlich untersuchten wir mit Hilfe von MD Simulationen die Bindung eines Triacylglycerid (TAG) Moleküls aus der Kavität eines Homologs des MFS Transporters Rv1410 aus M. tuberculosis in das periplasmatische Bindungsprotein LprG. Die Modelle des Transporter/LprG-Komplexes zeigten, dass die ungewöhnlichen Verlängerungen der periplasmatischen Transmembranhelices des Transporters die Bindungsstelle für LprG bilden. TAG Moleküle, die ursprünglich in der Transmembran-Kavität des Transporters positioniert waren, bewegten sich während der Simulationen spontan entlang dieser Helixverlängerungen in die hydrophobe Bindungstasche von LprG. Insgesamt hat dieses Projekt für eine Reihe von Fallbeispielen gezeigt, wie MD Simulationen und Experimente kombiniert werden können, um die Funktionsmechanismen von Membrantransportern auf einem Detailniveau zu untersuchen, das über das hinausgeht, was mit einzelnen Methoden allein möglich ist.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Capturing Substrate Translocation in an ABC Exporter at the Atomic Level. Journal of the American Chemical Society, 142(29), 12791-12801.
  Göddeke, Hendrik & Schäfer, Lars V.
  
• Atomistic Dynamics of Alternating Access Mechanism of an ABC Transporter. High Performance Computing in Science and Engineering '19, 117-124. Springer International Publishing.
  Göddeke, Hendrik & Schäfer, Lars
  
• The ABC transporter MsbA adopts the wide inward-open conformation in E. coli cells. Science Advances, 8(41).
  Galazzo, Laura; Meier, Gianmarco; Januliene, Dovile; Parey, Kristian; De Vecchis, Dario; Striednig, Bianca; Hilbi, Hubert; Schäfer, Lars V.; Kuprov, Ilya; Moeller, Arne; Bordignon, Enrica & Seeger, Markus A.
  
• Anionic Phospholipids Stimulate the Proton Pumping Activity of the Plant Plasma Membrane P-Type H+-ATPase. International Journal of Molecular Sciences, 24(17), 13106.
  Paweletz, Laura C.; Holtbrügge, Simon L.; Löb, Malina; De Vecchis, Dario; Schäfer, Lars V.; Günther, Pomorski Thomas & Justesen, Bo Højen
  
• Structural basis for triacylglyceride extraction from mycobacterial inner membrane by MFS transporter Rv1410. Nature Communications, 14(1).
  Remm, Sille; De Vecchis, Dario; Schöppe, Jendrik; Hutter, Cedric A. J.; Gonda, Imre; Hohl, Michael; Newstead, Simon; Schäfer, Lars V. & Seeger, Markus A.
  
• Coupling the role of lipids to the conformational dynamics of the ABC transporter P-gp.
  Vecchis, Dario De & Schäfer, Lars V.