Crystal structure analysis of selenocysteine biosynthesis components
Kristallstrukturanalyse von Selenocystein-Biosynthese-Komponenten
von Oleg Ganichkin
Datum der mündl. Prüfung:2010-09-13
Erschienen:2010-11-04
Betreuer:Prof. Dr. C. Wahl Markus
Gutachter:Prof. Dr. Ralf Ficner
Gutachter:Prof. Dr. Detlef Doenecke
Gutachter:Dr. Claudia Höbartner
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Format:PDF
Description:Dissertation
Zusammenfassung
Englisch
Some organisms from all three domains of life eukaryotes, bacteria and archaea, incorporate selenocysteine (Sec) into fractions of their proteins. Sec synthesis takes place on its cognate tRNASec which is initially aminoacylated with serine by seryl-tRNASer synthetase (SerRS). For conversion of Ser-tRNASec to Sec-tRNASec in bacteria responsible selenocysteine synthase (SelA), whereas in eukaryotes/archaea O-phospho-L-seryl-tRNASec kinase (PSTK) and selenocysteine synthase (SecS). In eukaryotes and archaea, SecS is the last enzyme in Sec biosynthesis. It converts O-phospho-L-seryl-tRNASec into selenocysteyl-tRNASec using selenophosphate as the selenium donor compound. A crystal structure of the 450-residue core of mouse SecS was determined at 1.65 Å. The fragment retains full SecS enzymatic activity. The protein is a member of the fold type I family of pyridoxal phosphate (PLP)-dependent enzymes. It is organized in three domains, which exhibit a number of features not found in other members of the family. Two SecS monomers interact intimately and together build up two identical active sites around a PLP cofactor. The protomers reciprocally exchange a long SecS-specific insertion in the first domain, which remodels the active site compared to other fold type I enzymes. Two SecS dimers further associate to form a homotetramer via an N terminal region, which is unique to SecS orthologs. A detailed reaction mechanism for the enzyme based on activity profiles of mechanism-based inhibitors was formulated. tRNASec is a key molecule in Sec biosynthesis and incorporation that participates throughout all steps of whole pathways. Rational mutagenesis was applied to murine tRNASec in order to obtain well diffracting crystals. Crystal structures of tRNASec lacking nucleotides 72-76 of the acceptor stem were determined up to 2.0 Å resolution. The structures are globally identical to that of human tRNASec published earlier. Our structure revealed details not seen before in the structure of human tRNASec at 3.1 Å resolution. Structural alignment of the available tRNASec molecules revealed that the variable arm and the part of the anticodon stem-loop are flexible regions, whereas the molecule core is rigid. Flexible parts of tRNASec possibly play important roles in establishing contacts with interacting proteins. The anticodon loops of two tRNASec molecules in the asymmetric unit adopted 5- and 3-nucleotide loop conformations. We suggested that fully modified tRNASec favors a 5-nucleotide anticodon loop conformation based on modeling of 2 -O-hydroxymethylated ribose at U34. Water molecules in the first hydration shell were located in contact both with functional groups of the bases and with the backbone. Interestingly, guanosines are hydrated more than other tRNASec bases which could reflect its more exclusive decoration chemical functionalities. Crystal soaking experiments of tRNASec with Mn2+ provided evidence for five putative Mg2+ binding sites in the molecule. All metals were found in contact with N7 atoms of guanosines. However, the metal ions did not specifically stabilize the 3D structure of tRNASec.
Keywords: tRNASec; SecS; X-ray crystallography; RNA crystallization
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Einige Organismen aus allen drei Domänen des Lebens
Eukaryoten, Bakterien und Archaea - bauen
Selenocystein (Sec) in Teile ihrer Proteine ein. Die
Sec-Synthese findet an ihrer verwandten tRNASec statt,
die zuerst mit Serin von der seryl-rRNAse-Synthase
(SerRS) aminoacetyliert wird. Für die Umwandlung von
Ser-tRNASec zu Sec-tRNASec in Bakterien ist die
Selenocystein Synthase (SelA) verantwortlich, in
Eukaryoten und Archaea sind es
O-phospho-L-seryl-tRNASec kinase (PSTK) und
Selenocystein Synthase (SecS). In Eukaryoten und
Archaea ist SecS das letzte Enzym in der Sec
Biosynthese. Es konvertiert O-phospho-L-seryl-tRNASec
in Selenocysteyl-tRNASec unter Verwendung von
Selenphosphat als Selen Donor. Die Kristallstruktur
eines Fragmentes von 450 Resten des SecS aus Maus, das
immer noch volle enzymatische Aktivität zeigten, wurde
bei 1.65Å Auflösung gelöst. Das Protein ist aus der
Familie der Faltungstyp I Familie der Pyridoxal-Phoshat
(PLP)-Abhängigen Enzymen. Es besteht aus 3 Domänen die
eine Nummer an Eigenschaften aufweisen, die bei keinem
Enzym der Familie bisher gefunden wurde. Zwei
SecS-Monomere interagieren eng miteinander und bilden
zwei identische aktive Zentrem um einen PLP Cofaktor.
Die Protomere tauschen gegenseitig ein langes
SecS-spezifisches Insert der ersten Domäne, was das
aktive Zentrum, verglichen mit anderen Faltungstyp I
Enzymen, ändert. Zwei SecS Dimere bilden zusammen ein
Homotetramer über die N-terminale Region, die
einzigartig ist unter den SecS Orthologen. Ein
detailierter Rekationsmechanismus für das Enzym
basierend auf Aktivitätsprofielen von Inhibitoren wurde
formuliert. tRNASec ist ein Schlüsselmolekül, das an
allen Schritten des Biosyntheseweges beteiligt ist, in
der Sec-Biosynthese und im Sec-Einbau. Um gut streuende
Kristalle züchten zu können wurden rationelle
Mutationen in murine tRNASec eingefügt.
Kristallstrukturen von tRNASec ohne die Nukleotide
72-76 der Haarnadelstruktur des Akzeptors wurden bis zu
einer Auflösung von 2.0 Å gelöst. Die Strukturen sind
grob betrachtet identisch mit der humanen tRNASec die
schon früher publiziert wurde. Unsere Struktur hingegen
zeigt Details, die in der humanen Struktur bei 3.1Å
verborgen blieben. Strukturelle Vergleiche der tRNASec
Moleküle zeigte, dass der variable Arm und der Teil der
Anticodon Haarnadelstruktur flexible Regionen sind,
während hingegen der innere Teil des Moleküls steif
ist. Möglicherweise spielen die flexiblen Teile der
tRNASec eine Rolle bei der Kontaktherstellung mit
interagierenden Proteinen. Die Anticodon-Schleifen von
zwei tRNASec in der assymmetrischen Einheit nahmen eine
5- und 3- Nukleotid-Konformation ein. Wir kommen,
basierend auf der Erstellung eines Modell von
2 -O-hydroxymethyierter Ribose an U34, zu dem Schluss,
dass gänzlich modifizierte tRNASec die 5-Nukleotid
Antikodon-Schleifen-Konformation favorisiert.
Wassermoleküle 195 wurden lokalisiert, die sowohl die
funktionalen Gruppen der Basen, als auch das Rückgrat
kontaktieren. Interessanterweise sind Guanosine öfter
hydriert als andere tRNASec Basen, was eventuell eine
einzig dekorative chemische Funktionalität reflektiert.
Soaking Experimente mit den Kristallen der tRNASec mit
Mn2+ zeigen fünf putative Mg2+ bindestellen im Molekül.
Alle gefundenen Metalle waren in Kontakt mit N7 Atomen
von Guanosinen. Dennoch haben die Metallionen keine
spezielle die 3D Struktur der tRNASec stabilisierende
Funktion.
Schlagwörter: tRNASec; SecS; Kristallstrukture; Röntgenkristallographie