Investigations into the evolution of a periplasmic binding protein and its implications in the origins of modern protein folds

Titelangaben

Michel, Florian:
Investigations into the evolution of a periplasmic binding protein and its implications in the origins of modern protein folds.
Bayreuth , 2025 . - 137 S.
( Dissertation, 2024 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

Volltext

	Format: PDF Name: 07072024_Manuscript_Druckversion_unsigned.pdf Version: Veröffentlichte Version Verfügbar mit der Lizenz Creative Commons BY 4.0: Namensnennung
	Download (43MB)

Abstract

Biomakromoleküle als Bausteine des Lebens sind verantwortlich für den Ablauf fast aller biologischen Prozesse. Neben Nukleinsäuren, Kohlenwasserstoffen und Lipiden spielt die Gruppe der Proteine hierbei eine zentrale Rolle. Wenn wir bis ins Detail verstehen wollen, wie die Natur diese Vielzahl an Funktionen hervorgebracht hat bietet es sich an, die evolutionäre Geschichte der Proteine näher unter die Lupe zu nehmen. Durch Erforschung der molekularen Prozesse, die bei der Evolution von Proteinen eine Rolle spielten, lernen wir nicht nur die Grundregeln wie sich die Struktur von natürlichen Proteinen aufbaut, sondern können dieses Wissen auch in Zukunft für unsere Zwecke verwenden. Durch den Aufstieg von immer sensibleren Methoden der Sequenz- und Strukturanalyse können wir eine davor unerahnte Menge an Information für gezielte Forschungszwecke nutzen (Paper V). Systematische Analyse der Regeln und strukturellen Gegebenheiten der frühen Proteinevolution bieten Einsicht in eben diese grundlegenden Spielregeln. In dieser Arbeit soll am Beispiel eines periplasmatischen Bindeproteins (PBP) dieser Weg von kleinen, subdomänengroßen Struktureinheiten – den grundlegenden Bausteinen – über vorhergegangene, schon komplexere Proteinstrukturen bis hin zu der Form, die wir heute in der Natur beobachten, verfolgt werden. Zu diesem Zweck wurden, mithilfe der Datenbank Fuzzle subdomänengroße Fragmente in PBPs identifiziert (Paper III). Eines dieser Proteine, das Ribose-Bindeprotein von T. maritima (RBP) wurde auf Basis dieser Analyse als Modelsystem im Labor erforscht. Die strukturelle Analyse der aus dem RBP isolierten Fragmente zeigt, dass diese Bausteine auch dann eine grundlegende Stabilität aufweisen, wenn sie aus dem Kontext des parentalen Proteins entnommen werden (Paper IV). Durch spätere Anlagerung oder Duplikation weiterer Elemente erreichen wir in diesem Gedankenspiel nun eine mögliche Vorstufe eines Proteins mit einer den Flavodoxinen ähnelnden Struktur. Die Flavodoxin-ähnliche Faltung gilt als ein Vorgänger der modernen PBP. Durch eine Duplikation dieses als Vorgänger geltenden Proteins und der Aneignung der Funktion, spezifische Liganden zu binden, erreichen wir letztendlich das moderne PBP mit seiner charakteristischen, symmetrischen Struktur mit einer Bindetasche zwischen den sich gegenüberstehenden Einzeldomänen. Um die jeweiligen Einzeldomänen des konkreten Beispiels des RBPs zu isolieren, wurden zyklische Permutationen der N- und C-terminalen Domänen generiert (Paper II). Eine strukturelle Analyse dieser jetzt als vollständige Domänen geltenden Strukturen zeigt, dass sie sich im Kern mit der als einen potenziellen strukturellen Vorgänger vermuteten Flavodoxin-ähnlichen Faltung vergleichen lassen. In einer weiteren Studie wurden zusätzlich auch die beiden linear „zerschnittenen“ Einzeldomänen analysiert (Paper I). Es zeigt sich, dass sich die beiden Domänen in einer definierten Struktur wiederfinden lassen. Bei Coexpression der beiden Domänen bilden diese eine Heterodimer, bei gleichzeitiger Rekonstitution der Funktion des RBPs, Ribose zu binden. Durch eine systematische Analyse von weiteren Proteinen ähnlich wie in dieser Arbeit könnten wir nicht nur unser Verständnis von Proteinfaltung im Einzelnen erweitern, sondern auch unser Wissen über die Prozesse des frühen Lebens ausbauen. Auch die hohe Modularität des Modellsystems könnte nützlich sein, um weitere Einsatzmöglichkeiten von PBPs in Forschung und Technik zu entwickeln.

Abstract in weiterer Sprache

As the building blocks of life, biomacromolecules are responsible for almost all biological processes. Alongside nucleic acids, hydrocarbons and lipids, proteins play a central role. If we want to understand in detail how nature has produced this multitude of functions, it is worth taking a closer look at the evolutionary history of proteins. By studying the molecular processes that played a role in the evolution of proteins, we not only learn the basic rules of how the structure of natural proteins is built up, but can also use this knowledge for our purposes in the future. With the rise of increasingly sensitive methods of sequence and structural analysis, we can utilize a previously inaccessible amount of information (Paper V). Systematic analysis of the rules and structural features of early protein evolution provides insight into these fundamental processes. In this work, we will use the example of a periplasmic binding protein (PBP) to trace this path from small subdomain units - the basic building blocks – via more complex progenitor protein structures to the structure which we can observe in nature today. To this end, subdomain-sized fragments in PBPs were identified using the Fuzzle database (Paper III). One of these proteins, the ribose-binding protein of T. maritima (RBP), was investigated as a model system in the laboratory based on this analysis. Structural analysis of the fragments isolated from RBP shows that these building blocks exhibit fundamental stability even when removed from the context of the parental protein (Paper IV). By accreting or duplicating further elements, we can now build a possible precursor of a protein with a structure similar to that of flavodoxins – a fold thought to be a precursor of PBPs. By duplicating this protein and subsequent functionalization of binding specific ligands, we ultimately obtain the modern PBP with its characteristic symmetrical structure with a binding pocket between the opposing individual domains. To now isolate the respective single domains of the specific example of the RBP, cyclic permutations of the N- and C-terminal domains were generated (Paper II). A structural analysis of these now complete domains shows that they can be compared in their core with the flavodoxin-like fold, which is thought to be a potential structural predecessor. In a further study, the two linearly "cut" single domains were also analyzed (Paper I). It was shown that the two domains maintain their defined structure. When the two domains are co-expressed, they form a heterodimer, while simultaneously reconstituting the function of the RBP to bind ribose. By expanding and systematically analyzing other proteins similar to this work, we could not only expand our understanding of protein folding in detail, but also expand our knowledge of the processes of early life. The high modularity of the model system could also be used to explore further applications of PBPs in research and technology applications.