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The hidden order of intrinsically disordered proteins and its role in molecular recognition
Borja Mateos
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Zentrum für Molekulare Biologie
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Doctor of Philosophy-Doktoratsstudium NAWI Bereich Lebenswissenschaften (Dissertationsgebiet: Molekulare Biologie, DK: Integrative Structural Biology)
Betreuer*in
Robert Konrat
DOI
10.25365/thesis.60692
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-10831.99885.977959-7
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Intrinsisch ungeordnete Proteine (IDP; englisch: intrinsically disordered proteins) liegen als Ensemble von schnell ineinander überführbaren Strukturen vor. Sie nehmen keine stabile tertiäre Struktur an und können einen großen Konformationsraum abdecken. IDPs unterscheiden sich jedoch insofern von denaturierten Proteinen, als dass sie bestimmte kompakte energetisch bevorzugte Zustände einnehmen können. Der Grad an Unordnung bzw. Verdichtung ist in ihrer Primärstruktur codiert, welche evolutionär auf gewisse molekulare Eigenschaften und deren spezielle Funktionen optimiert wurde. Insbesondere das Fehlen einer stabilen Struktur verleiht IDPs ein Explorationsverhalten, um an einer Vielzahl von Wechselwirkungen teilzunehmen. Aufgrund ihrer Fähigkeit zu posttranslationalen Modifikationen und/oder Spleißvarianten bieten IDPs Modularität und Anpassungsfähigkeit an zahlreiche biologische Prozesse. Deshalb inszenieren intrinsisch ungeordnete Bereiche oft die Signalketten in eukaryotischen Zellen. Tatsächlich stehen das abnormale Verhalten von IDPs unter anderem auch mit Krebserkrankungen und neurodegenerativen Erkrankungen in Zusammenhang.
In dieser Arbeit lege ich ein besonderes Augenmerk auf das mit Metastasen assoziierte Protein Osteopontin (OPN). OPN dient dabei als ein typisches IDP; es liegt größtenteils ungeordnet vor mit einem zentralen verdichteten Zustand, der für die richtige Anordnung der wechselwirkenden Motive des Proteins verantwortlich ist. OPN ist ein extrazelluläres Protein, das mit verschiedenen Komponenten der extrazellulären Matrix (EZM) und mit zwei Familien an Membran-Rezeptoren wechselwirkt, Integrine und CD44. Das Ziel ist die Charakterisierung (i) der für die Verdichtung des IDPs entscheidenden Sequenzen, mit besonderem Augenmerk auf die Relevanz von Prolinen; (ii) des Evolutionsdrucks, bestimmte Eigenschaften von OPN-Homologen zu konservieren; (iii) der strukturellen Neuanordnung bei der Bindung an EZM-Partner sowie auch deren Membran-Rezeptoren; (iv) der Auswirkung von Phosphorylierung auf Strukturdynamik und Bindung; und (v) der ungeordneten Bereiche von CD44 und deren Bindung an OPN.
Schnelle lokale Bewegungen der Polypeptidketten machen IDPs zu hervorragend geeigneten Systemen, die mit Kernspinresonanz-Spektroskopie (NMR; englisch: nuclear magnetic resonance) in Lösung untersucht werden können. Verschiedene Methoden wurden entwickelt um die Problemstellungen anzugehen. Diese reichen von maßgeschneiderten 13C-detektierten Experimenten und ein neues Protokoll, um die Synergie zwischen NMR und Zellbiologie zu nutzen und die Bindung von OPN an lebende Zellen zu charakterisieren.
Abstract
(Englisch)
Intrinsically disordered proteins (IDPs) exist as an ensemble of rapidly interconverting structures. They do not adopt a stable tertiary structure and explore a large conformational space. However, IDPs differ from denatured proteins in the sense that they probe some energetically favourable compact states. The degree of ‘disorder’ or compaction is encoded in their primary sequence, which has evolved to provide certain molecular features to carry out specific functions. In particular, the lack of a stable structure confers to IDPs an exploratory behaviour, which enables them to participate in a plethora of interaction events. In addition, IDPs provide modularity and adaptability to many biological processes because of their enrichment in post- translational modifications and/or splicing variants. For these reasons, intrinsically disordered regions are generally orchestrating signalling events in eukaryotic cells. In fact, the abnormal behaviour of IDPs is related to cancer and neurodegenerative disorders, among other diseases.
In this work, I focus on the metastasis-associated protein Osteopontin (OPN) as an example of a prototypical IDP. OPN is largely disordered with a central compact state that is key to properly orient the interacting motifs of the protein. It is an extracellular protein that interacts with different components of the extracellular matrix (ECM) and two membrane receptor families: integrins and CD44. The aim is to characterize (i) sequence determinants of compaction in IDPs, with particular interest on the effect of prolines; (ii) the evolutionary pressure to conserve particular properties between OPN homologs; (iii) the structural rearrangements upon binding to ECM partners as well as its membrane receptors; (iv) the effect of phosphorylation on the structural dynamics and binding; and (v) the characterization of the disordered regions of CD44 and their binding to OPN.
The fast local motions of the polypeptide chain make IDPs exquisitely suited systems to be studied by solution-state nuclear magnetic resonance spectroscopy (NMR). In order to address these questions, several methods were developed. These include the use of tailored 13C-detected experiments and a new protocol to exploit the synergy between NMR and cell biology to characterize the binding of OPN to living cells.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
IDP NMR Osteopontin CD44
Schlagwörter
(Deutsch)
IDP NMR Osteopontin CD44
Autor*innen
Borja Mateos
Haupttitel (Englisch)
The hidden order of intrinsically disordered proteins and its role in molecular recognition
Paralleltitel (Deutsch)
Die verborgene Ordnung intrinsisch ungeordneter Proteine und ihre Rolle bei der molekularen Erkennung
Publikationsjahr
2019
Umfangsangabe
xiv, 272 Seiten : Illustrationen, Diagramme
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Robert Konrat
Klassifikationen
35 Chemie > 35.25 Spektrochemische Analyse ,
42 Biologie > 42.13 Molekularbiologie
AC Nummer
AC15577041
Utheses ID
53628
Studienkennzahl
UA | 794 | 685 | 490 |