Expression und Charakterisierung des Parvulustat Proteins und seinen Derivaten

Die vorliegende Arbeit hat die Charakterisierung und Untersuchung des Stabilitätsverhaltens von Parvulustat (PL), einem Homologen des α-Amylase-Inhibitors Tendamistat, zum Inhalt. Zur weitreichenden Charakterisierung wurden verschiedene Proteinregionen des Parvulustats der CTerminus, das hydrophobe Cluster, die Disulfidbrücken sowie die Proline auf ihren jeweiligen Einfluss auf die Struktur und die thermodynamische Stabilität untersucht. In der vorliegenden Zusammenfassung werden die Ergebnisse dieser Studien komprimiert präsentiert: · Charakterisierung des Parvulustat-Wildtyps Es galt vorweg herauszufinden, wie sich der Inhibitor unter nativen und denaturierten Bedingungen verhält, um Rückschlüsse auf seine Merkmale und Strukturen zu ziehen. Die erzielten Ausbeuten und die hohe Reinheit des isolierten Parvulustats erlaubten eine umfassende Charakterisierung, einschließlich zahlreicher Kristallisationsexperimente, die vermuten lassen, dass eine Kristallisation möglich sein sollte. Aufgrund der Tatsache, dass die Struktur des Parvulustats bis 2009 unbekannt war, wurde die sekundäre Struktur mittels Circulardichroismus und Fluoreszenzspektroskopie untersucht. Die Analyse des fernen UV-CD-Spektrums bei pH 7,0 und 25°C offenbarte eine „all-b-sheet“ Protein-Struktur. Mittels Fluoreszenzspektroskopie wurde deutlich, dass die aromatischen Aminosäuren exponiert vorliegen. Um zunächst einen Einblick in die Strukturveränderungen und die thermodynamische Stabilität zu erhalten, wurde der temperaturinduzierte Entfaltungsübergang mittels CD-Spektroskopie verfolgt. Das Angleichen der bei 230 nm gemessenen CD-Daten nach der linearen Extrapolations-Methode für eine Zweizustands-Faltung ergab einen Tm-Wert von 82°C und D H(Tm) von 201,6 kJ/mol. Die beträchtlichen Werte veranschaulichen die hohe Stabilität des Parvulustats. Eine aus den CDMessungen bei 50° ergebende Übergangskurve zeigte, dass sich die Sekundärstruktur mit einem Übergangsmittelpunkt bei 5,62 M GdnHCl kooperativ und reversibel entfaltet. Das Protein entfaltet sogar infolge einer pH-Wert-Senkung bis auf pH 1 nicht vollständig, sondern es wechselt direkt in einen Säure-Zustand („acid-state“). Dieser Zustand zeigt spektroskopisch die gleichen Eigenschaften wie das native Protein, wobei die volle Inhibierungs-Aktivität nicht erhalten bleibt. In sehr basischem Milieu bei pH 14 nimmt Parvulustat einen alkalisch denaturierten Zwischenzustand IB an, der sich erheblich von dem GdnHCl-denaturierten, dem säurebehandelten oder vom „molten globule“ Zustand unterscheidet. Allgemein behielt Parvulustat über ein breites pH-Wert Spektrum (1,0-10,0) die native Struktur, bzw. eine „native like“ Struktur, was erneut auf die enorme Stabilität des Proteins hindeutet. Die von Rehm et al. (Rehm et al., Theoretischer Teil -4- 2009) aufgeworfene Hypothese des „induced fit“ Inhibierungsmechanismus des Parvulustats konnte durch die in dieser Arbeit durchgeführten Experimenten bekräftigt werden. Mittels Sekundärstrukturbestimmungen des Parvulustats unter Komplexbildung mit der a-Amylase konnte eindeutig gezeigt werden, dass strukturelle Veränderungen am Inhibitor im Komplex vorliegen. Durch zahlreiche Tests konnte festgestellt werden, dass die WRY-Region des Parvulustats sich der Struktur der a-Amylase anpasst. Die Komplexierung des Parvulustats bewirkte aber eine thermodynamische Destabilisierung der Inhibitor-Struktur. · Einfluss des C-Terminus auf die Stabilität des Parvulustats Um die Ursachen für die hohe Stabilität des Parvulustats auch im Vergleich zu Tendamistat (Tm: 79°C) zu finden, wurde der Einfluss des hoch flexiblen C-Terminus untersucht. Die Derivate mit um zwei (PL-2AA), vier (PL-4AA) und sieben (PL-7AA) Aminosäuren verkürztem C-Terminus wurden isoliert und analysiert. Die Entfaltungstemperaturen der verkürzten Derivate des Parvulustats sinken mit abnehmender Zahl der Aminosäuren. Die Ergebnisse suggerieren, dass der C-Terminus des Parvulustats eine entscheidende Rolle in der strukturellen Vollständigkeit des Proteins während der thermischen Entfaltung spielt und damit auch in der Faltung (Tab.: 2.1). Der Vergleich der Inhibitoraktivitäten der verkürzten Proteine mit dem nativen Parvulustat ergibt für die Varianten PL-2AA und PL-4AA eine dem Wildtyp ähnliche Aktivität. Die Variante PL-7AA weist eine leicht verringerte Aktivität auf. Tabelle 2.1: ... Einfluss hydrophober Oberflächenclustern auf Stabilität und Faltung des Parvulustats Parvulustat besitzt in der Mitte des ersten b-Faltblatts, um die Position 22 liegend, einen hydrophoben Oberflächencluster. Wie mit Hilfe von Substitutionsexperimenten in dieser Region gezeigt werden konnte, ist die thermodynamische Stabilität des Parvulustats in hohem Maße von der Bildung dieses kleinen aber wichtigen hydrophoben Kerns bestimmt. Demnach muss das b- Faltblatt I und das b-Hairpin I eine entscheidende Rolle in der Faltung von Parvulustat spielen. Position 22 ist in zweierlei Hinsicht für die Stabilität des Parvulustats wichtig: einerseits durch die energetisch wichtigen Wasserstoffbrückenbindungen und zum zweiten steuert die Stelle zur Formation des hydrophoben Kerns bei. Die Daten suggerieren, dass es auch eine thermodynamische Kopplung zwischen dem hydrophoben Effekt und der Präsenz von Wasserstoffbrückenbindungen geben könnte. Zumindest aus der Sicht der Stabilität ist es eindeutig, dass interatomare Interaktionen wie Wasserstoffbrückenbindungen, van-der-Waalsund Dipol-Dipol-Wechselwirkungen notwendig sind, um eine stabile Bildung von b-Faltblättern in Parvulustat und seinen Derivaten zu verwirklichen. · Der Effekt der Proline auf die Stabilität des Parvulustats Der Effekt der Substitution des Prolins durch Alanin an verschiedenen Positionen des Parvulustats wurde ebenfalls untersucht. Im Ganzen betrachtet führt auch die Mehrfachsubstitution von Prolin zu keiner nennenswerten strukturellen Veränderung im Parvulustat. Die durchgeführten thermischen Entfaltungsexperimente bestätigen diese Beobachtungen. Alle Einzelmutanten (P5A, P42A, P48A, P72A) zeigten eine höhere thermische Stabilität als der Wildtyp (Abb. 2.1). Abbildung 2.1: Tm-Werte des Parvulustat-Wildtyps und seinen Prolin Mutanten. Theoretischer Teil -6- Die fast gleich bleibenden Tm-Werte bzw. die Erhöhung der Stabilität des Parvulustats sind durch die strukturelle Fluktuationen zu erklären, denn die rigide XAS-Pro-Bindung wurde durch die flexible XAS-Ala-Bindung ersetzt. · Der Einfluss der Disulfidbindung auf die Stabilität des Parvulustats Der Einfluss der zwei Disulfidbrücken des Parvulustats wurde bezüglich Aktivität, spektraler Eigenschaften sowie Stabilität untersucht. Hierfür wurden 25 Inhibitorvarianten mittels gezielter Mutagenese gewonnen, in denen jeweils zwei Cysteinreste, die im natürlich vorkommenden Parvulustat Disulfidbrücken bilden, durch andere Aminosäuren ersetzt wurden. Die Ergebnisse zeigten, dass die Faltung Parvulustats ein zwei Zustand Verhalten besitzt, das außer in Tendamistat in keinem anderen disulfid-verknüpftem Protein gefunden wurde. Dieses Verhalten wurde durch die Entfernung von Disulfidbrücken nicht beeinflusst. Wie durch die CD- und fluoreszenzspektroskopischen Experimente belegt werden konnte, ist die native Struktur des Parvulustats durch die Entfernung der C43-C70-Disulfidbindung tiefgreifend verändert worden. Passend zu den Veränderungen der Struktur haben die Mutationen schwerwiegende Destabilisierungseffekte auf das Protein verursacht, was auch an der Erniedrigung der Freien Gibbs Energie der Denaturierung und der Tm-Werte zu erkennen ist. Die Untersuchung des Einflusses der Aminosäure-Substitution in den Positionen 43 und 70 auf die thermodynamische Stabilität des Parvulustats führt zum Ergebnis, dass die Hydrophobizität und Polarität des Restes 70 einen bedeutenden Effekt auf die Stabilität des Proteins besitzt. Die Betrachtung der thermodynamischen Daten macht deutlich, dass der Beitrag der freien Energie zur Stabilisierung nicht nur abhängig von der eingeführten Aminosäure ist, sondern zum Teil auch von dem strukturellen Kontext abhängt. Die Daten zeigen, dass die Substitution des Alanins an der Stelle 70 durch Leucin oder Threonin die Struktur um 0,3 bzw. 1,7 kJ/mol stabilisieren. Zusätzliche Beiträge zum Unterschied bezüglich des ΔG°-Werts zwischen den Varianten C43AC70L/T und C43L/TC70A können sich auch durch die unterschiedliche lokale Umgebung, wie z.B. die Seitenketten von benachbarten Aminosäuren um die zwei Mutationsstellen ergeben. Der Tm-Wert des Wildtyp-Proteins beträgt 82°C. Die Vergleiche dieser Größe mit der von der stabilsten Cystein-defizitären Doppelmutante C43AC70T (47,3°C) ergibt eine Differenz von 34,7°C. Dieses Ergebnis untermauert, dass die Disulfidbindung 2 eine extrem wichtige strukturelle Komponente in der ungewöhnlich hohen Stabilität des Parvulustats darstellt. Das Ziel der Arbeit war es dennoch die Daten der Stabilitäten einzelner Disulfidmutanten zu sammeln und zu erfassen, um dadurch allgemeine Grundregeln für eine rationale Gestaltung der Elimination beider Disulfidbrücken im Sinne einer vorhersagbaren Auswirkung auf die Proteinstabilität zu bekommen. Theoretischer Teil -7- Der Versuch ein disulfidfreies Protein in großen Mengen aus S. lividans zu isolieren, stellte sich aber als extrem schwierig dar. Nach der Änderung des Stamms des Wirtsorganismus (Streptomyces lividans TK23), Erhöhung der Qualität der Protoplasten und der Expressions- Bedingungen (19°C, 150 rpm) konnten auf dem SDS-Gel stärkere Banden des Derivats C9AC25TC43AC70T-4AA beobachtet werden. Die Expression der Mutante C9AC25TC43AC70L-4AA konnte hingegen nicht nachgewiesen werden. Die anschließende Reinigung des Derivats C9AC25TC43AC70T-4AA des Parvulustats mittels Gelfiltration und RPHPLC bzw. Isolierung des Proteins aus dem SDS-Gel brachte das erwünschte Produkt. Dieses konnte mit der MALDI-Massenspektroskopie eindeutig nachgewiesen werden. Das aktive Cystein-freie Derivat C9AC25TC43AC70T-4AA konnte auch auf dem a-Amylase Plattentest nachgewiesen werden. Diese Ergebnisse zeigen, dass eine Expression und der Nachweis einer cystein-freien Variante möglich sind, dennoch haben die Ausbeuten dieses Proteins für weiterreichende Analytik nicht ausgereicht. Demnach sind die Disulfidbrücken für die Stabilität und Struktur des Parvulustats von enormer Bedeutung dennoch sind sie nicht zwingend erforderlich für die Aktivität und die Expression in S. lividans