Evolution of (beta-alpha)8-barrel enzymes
Final Report Abstract
Im Rahmen des Projektes wurde die evolutionäre Verwandtschaft ausgewählter Vertreter der weit verbreiteten (βα)8-Barrel Enzymfamilie experimentell analysiert und die Entstehung dieser symmetrischen Enzymfaltung aus kleineren strukturellen Einheiten im Labormaßstab nachvollzogen. Im ersten Projektabschnitt ist es gelungen, durch eine Kombination aus Zufallsmutagenese und Selektion in vivo, die Aktivität der Phosphoribosylanthranilat Isomerase (TrpF) auf dem Proteingerüst der α-Untereinheit der Tryptophan Synthase (TrpA) zu etablieren. Dies stützt die Hypothese, dass diese beiden (βα)8-Barrel Enzyme aus der Tryptophanbiosynthese durch divergente Evolution aus einem gemeinsamen Vorläufer entstanden sind. Im zweiten Projektabschnitt wurden zunächst zwei artifizielle (βα)8-Barrel Proteine, die durch Duplikation bzw. Rekombination von (βα)4-Halbbarrels erzeugt worden waren, mittels einer Kombination aus evolutivem und rationalem Proteindesign stabilisiert. In der Folge wurden die Röntgenstrukturen der stabilisierten Proteine HisF-C***C und HisAF aufgeklärt und durch das Einführen weiterer Mutationen die Fähigkeit zur Bindung eines Liganden bzw. zur Katalyse einer enzymatischen Reaktion auf diesen Proteingerüsten etabliert. Außerdem wurde ein (βα)2-Viertelbarrel hergestellt, das ein über intermolekulare Disulfidbrücken verknüpftes Tetramer ausbildete. Nach Duplikation und Fusion des Viertelbarrels bildete sich ein stabiles (βα)4-Halbbarrel, welches sich zum Dimer zusammenlagerte. Diese Ergebnisse sprechen dafür, dass die (βα)8-Barrel Faltung durch eine Serie von Genduplikationen und Genfusionen aus einem (βα)2-Vorläufer entstanden ist.
Publications
- (2007). Stabilisation of a (βα)8-barrel protein designed from identical half barrels. J. Mol. Biol. 372, 114-129
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- (2009). Establishing wild-type levels of catalytic activity on natural and artificial (βα)8-barrel protein scaffolds. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 106, 3704-3709
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- (2009). High-resolution crystal structure of an artificial (βα)8-barrel protein designed from identical half-barrels. Biochemistry 48, 1145-1147
Höcker, B., Lochner, A., Seitz, T., Claren, J., & Sterner, R.
- (2010). Computational and experimental evidence for the evolution of a (βα)8-barrel protein from an ancestral quarter-barrel stabilised by disulfide bonds. J. Mol. Biol. 398, 763-773
Richter, M., Bosnali, M., Carstensen, L., Seitz, T., Durchschlag, H., Blanquart, S., Merkl, R. & Sterner, R.
