Eukaryotic messenger RNA (mRNA) synthesis catalyzed by the RNA Polymerase II is the central and critical process for the regulation of gene expression. Several decades of research unearthed many details about this essential process of high complexity and dynamic. The mediator complex turned out to be crucial for the regulation of Pol II mediated transcription, especially the process of initiation. It functions as an interface between the general transcription machinery and multiple DNA binding transcriptional regulators. Binding these regulators via its tail module and binding the polymerase II via its head module, the mediator forms a bridge between upstream activating sequences and the core promotor and initiates the assembling of the Pre-Initiation complex consisting of the polymerase II and the general transcription factors. However, particularly the last years of research suggest the mediator complex within many other functions including transcription elongation, gene looping and chromatin remodeling. Considering the facts, that the mediator (a) consist of 25 subunits, which are partially flexible associated, (b) shows a flexible intrinsic structure and (c) is highly and dynamically phosphorylated it becomes easy to imagineplausible that the mediator complex meets all this functions, by serving as a transcriptional platform. In context of this thesis, and it was possible to “illustrate” the mediator within its versatile tasks and functions by presenting the most comprehensive analysis of the Mediator complex interactome to date. By optimizing the conditions of cell lysis and co-immunoprecipitation it was possible to preserve even transient and labile protein-protein interactions. The use of metabolic labeling (15N) in the control experiment, allowed us to distinguish between specific and non-specific captured proteins. In combination with high performance mass spectrometry, more than 400 proteins and even complete protein complexes interacting with the mediator complex could be identified, naming RNA-Polymerase II, all general transcription factors the SAGA complex, chromatin remodeling complexes and highly acetylated histones. Furthermore, many candidates where identified playing a role in co-transcriptional processes of mRNA, such as splicing, mRNA-decapping, mRNA transport and decay. This analysis not only confirmed several interactions , already can be found in the literature, but furthermore provide clear evidence, that mediator complex interacts not only with the RNA-Polymerase II, but also with the RNA Polymerase I and III. Next to the high numbers of potential known and unknown interacting proteins, it could be shown, that the interactome is highly dynamic and sensitive to detergent. / Die Synthese der mRNA durch die RNA-Polymerase II ist der zentrale und kritische Prozess im Rahmen der Transkriptionsregulation Protein-kodierender Gene. Viele Jahrzehnte der intensiven Erforschung brachten viele Details über diesen Mechanismus zu Tage, der von einer unglaublichen Komplexität und Dynamik geprägt ist. Dabei stellte sich heraus, dass der Mediatorkomplex eine zentrale Rolle bei der Regulation der Polymerase II-abhängigen Transkription spielt, im Besonderen der Initiation. In der Funktion einer Schnittstelle verknüpft er die allgemeine Transkriptionsmaschinerie mit den Gen- spezifischen Transkriptionsregulatoren. Durch die Interaktion des Schwanzmoduls mit diesen Regulatoren und der Interaktion des Kopfmoduls mit der Polymerase II verbindet er wie eine Brücke die oberhalb des Promotors liegenden Aktivatorsequenzen mit dem Kernpromotor und initiiert so die Ausbildung des Pre-Initiationskomplexes. Darüber hinaus mehren sich gerade in den letzten Jahren die Hinweise darauf, dass der Mediator auch noch an anderen Prozessen der Transkription beteiligt ist. Zu diesen gehören z.B. die Elongation, die Ausbildung von Genschlaufen oder auch der Umbau der Chromatinstruktur. In Anbetracht der Tatsachen, dass der Mediator (a) aus bis zu 25 Untereinheiten mit flexibler Zusammensetzung besteht, (b) eine flexible Struktur besitzt und (c) umfassend und dynamisch über posttranslationale Modifikationen modifiziert ist, erscheint es durchaus möglich, dass der Mediator all diese Funktionen ausfüllt und die Rolle einer allgemeinen Transkriptionsplattform einnimmt. Im Zusammenhang mit dieser Dissertationsschrift ist es gelungen, den Mediator innerhalb all dieser Funktionen „abzubilden“ und die bisher umfassendste Interaktomanalyse dieses Komplexes zu präsentieren. Durch die optimierten Bedingungen der Zelllyse und Co-Immunopräzipitation, gelang es auch transiente Interaktionspartner zu isolieren. Durch das metabolische Markieren der Wildtypkontrolle konnten außerdem unspezifische und spezifische Interaktionen eindeutig voneinander unterschieden werden. Über 400 Proteine wurden als signifikante Interaktionspartner des Mediators identifiziert. Viele dieser Proteine konnten als vollständige Komplexe zusammengefasst werden, z.B die RNA-Polymerase II, alle allgemeinen Transkriptionsfaktoren, der SAGA-Komplex, viele Komplexe des Chromatin Remodelings und stark acetylierte Histone. Viele weitere Interaktionspartner spielen zudem eine Rolle bei der co-transkriptionalen Prozessierung der mRNA, wie z.B dem Splicing, dem mRNA-decapping oder Abbau. Darüber hinaus gibt es starke Hinweise darauf, dass der Mediator auch mit der Polymerase I und III interagiert und an der ribosomalen Biogenese beteiligt ist. Weitere Analysen zeigten, dass das Interaktom zudem hochdynamisch ist

Background: Trypsinogen is the inactive precursor of trypsin, a serine protease that cleaves proteins and peptides after arginine and lysine residues. In this study, human trypsinogen was used as a model protein to study the influence of electrostatic forces on protein–protein interactions. Trypsinogen is active only after its eight-amino-acid-long activation peptide has been cleaved off by another protease, enteropeptidase. Trypsinogen can also be autoactivated without the involvement of enteropeptidase. This autoactivation process can occur if a trypsinogen molecule is activated by another trypsin molecule and therefore is based on a protein–protein interaction. Results: Based on a rational protein design based on autoactivation-defective guinea pig trypsinogen, several amino acid residues, all located far away from the active site, were changed to modify the surface charge of human trypsinogen. The influence of the surface charge on the activation pattern of trypsinogen was investigated. The autoactivation properties of mutant trypsinogen were characterized in comparison to the recombinant wild-type enzyme. Surface-charged trypsinogen showed practically no autoactivation compared to the wild-type but could still be activated by enteropeptidase to the fully active trypsin. The kinetic parameters of surface-charged trypsinogen were comparable to the recombinant wild-type enzyme. Conclusion: The variant with a modified surface charge compared to the wild-type enzyme showed a complete different activation pattern. Our study provides an example how directed modification of the protein surface charge can be utilized for the regulation of functional protein–protein interactions, as shown here for human trypsinogen.

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Background: Foamy viruses (FVs) have developed a unique budding strategy within the retrovirus family. FV release requires co-expression and a highly specific interaction between capsid (Gag) and glycoprotein (Env), which cannot be complemented by heterologous Env proteins. The interaction domain in FV Env has been mapped in greater detail and resides mainly in the N-terminal tip of the cytoplasmic domain of the Env leader peptide subunit. In contrast, the corresponding domain within Gag is less well defined. Previous investigations suggest that it is located within the N-terminal part of the protein. Results: Here we characterized additional Gag interaction determinants of the prototype FV (PFV) isolate using a combination of particle release, GST pull-down and single cycle infectivity analysis assays. Our results demonstrate that a minimal PFV Gag protein comprising the N-terminal 129 aa was released into the supernatant, whereas proteins lacking this domain failed to do so. Fine mapping of domains within the N-terminus of PFV Gag revealed that the N-terminal 10 aa of PFV Gag were dispensable for viral replication. In contrast, larger deletions or structurally deleterious point mutations in C-terminally adjacent sequences predicted to harbor a helical region abolished particle egress and Gag – Env protein interaction. Pull-down assays, using proteins of mammalian and prokaryotic origin, support the previous hypothesis of a direct interaction of both PFV proteins without requirement for cellular cofactors and suggest a potential direct contact of Env through this N-terminal Gag domain. Furthermore, analysis of point mutants within this domain in context of PFV vector particles indicates additional particle release-independent functions for this structure in viral replication by directly affecting virion infectivity. Conclusions: Thus, our results demonstrate not only a critical function of an N-terminal PFV Gag motif for the essential capsid - glycoprotein interaction required for virus budding but also point out additional functions that affect virion infectivity.

Background: Foamy viruses (FVs) have developed a unique budding strategy within the retrovirus family. FV release requires co-expression and a highly specific interaction between capsid (Gag) and glycoprotein (Env), which cannot be complemented by heterologous Env proteins. The interaction domain in FV Env has been mapped in greater detail and resides mainly in the N-terminal tip of the cytoplasmic domain of the Env leader peptide subunit. In contrast, the corresponding domain within Gag is less well defined. Previous investigations suggest that it is located within the N-terminal part of the protein. Results: Here we characterized additional Gag interaction determinants of the prototype FV (PFV) isolate using a combination of particle release, GST pull-down and single cycle infectivity analysis assays. Our results demonstrate that a minimal PFV Gag protein comprising the N-terminal 129 aa was released into the supernatant, whereas proteins lacking this domain failed to do so. Fine mapping of domains within the N-terminus of PFV Gag revealed that the N-terminal 10 aa of PFV Gag were dispensable for viral replication. In contrast, larger deletions or structurally deleterious point mutations in C-terminally adjacent sequences predicted to harbor a helical region abolished particle egress and Gag – Env protein interaction. Pull-down assays, using proteins of mammalian and prokaryotic origin, support the previous hypothesis of a direct interaction of both PFV proteins without requirement for cellular cofactors and suggest a potential direct contact of Env through this N-terminal Gag domain. Furthermore, analysis of point mutants within this domain in context of PFV vector particles indicates additional particle release-independent functions for this structure in viral replication by directly affecting virion infectivity. Conclusions: Thus, our results demonstrate not only a critical function of an N-terminal PFV Gag motif for the essential capsid - glycoprotein interaction required for virus budding but also point out additional functions that affect virion infectivity.

Background: Trypsinogen is the inactive precursor of trypsin, a serine protease that cleaves proteins and peptides after arginine and lysine residues. In this study, human trypsinogen was used as a model protein to study the influence of electrostatic forces on protein–protein interactions. Trypsinogen is active only after its eight-amino-acid-long activation peptide has been cleaved off by another protease, enteropeptidase. Trypsinogen can also be autoactivated without the involvement of enteropeptidase. This autoactivation process can occur if a trypsinogen molecule is activated by another trypsin molecule and therefore is based on a protein–protein interaction. Results: Based on a rational protein design based on autoactivation-defective guinea pig trypsinogen, several amino acid residues, all located far away from the active site, were changed to modify the surface charge of human trypsinogen. The influence of the surface charge on the activation pattern of trypsinogen was investigated. The autoactivation properties of mutant trypsinogen were characterized in comparison to the recombinant wild-type enzyme. Surface-charged trypsinogen showed practically no autoactivation compared to the wild-type but could still be activated by enteropeptidase to the fully active trypsin. The kinetic parameters of surface-charged trypsinogen were comparable to the recombinant wild-type enzyme. Conclusion: The variant with a modified surface charge compared to the wild-type enzyme showed a complete different activation pattern. Our study provides an example how directed modification of the protein surface charge can be utilized for the regulation of functional protein–protein interactions, as shown here for human trypsinogen.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit verschiedenen Aspekten der Assoziation von Saccharose-Synthase (SUS) mit subzellulären Strukturen. Durch cDNA-Durchmusterungen konnten proteinogene Bindepartner von SUS sowie Aktin identifiziert und zum Teil verifiziert werden. Die dritte Isoform SuS3 aus Mais wurde auf molekularer Ebene identifiziert und das rekombinante Protein biochemisch charakterisiert. Trotz signifikanter Sequenzunterschiede zwischen den SUS-Isoformen, wurden ähnliche katalytische Eigenschaften und mögliche posttranslationale Modifikationen der Enzyme nachgewiesen, darunter die Redox-Modifikation der Enzymaktivität und das Potential zur reversiblen Phosphorylierung. Der Einfluss der Phoshorylierung von SUS auf dessen enzymatische und assoziative Aktivität wurde mittels mutagenisiertem Protein untersucht und zeigte kein stark verändertes Verhalten infolge der Mutationen. Eine metabolische Regulation der SUS-Aktin-Wechselwirkung durch Zucker konnte bestätigt und die katalytische Aktivität von SUS in Gegenwart von Aktin gezeigt werden. Assoziationsstudien von Aktin mit synthetischen Peptiden sowie immunologische Untersuchungen lieferten Hinweise für die Aktinbindedomäne in SUS. Co-Pelletierungsexperimente zeigten die Assoziation von SUS mit Mikrotubuli aus Rinderhirn. In vitro konkurriert SUS mit Aldolase um die Bindung an Miktotubuli. Als proteinogene Bindepartner von SUS wurden einige im Kohlenhydratstoffwechsel sowie im 26S-Proteasom-Komplex involvierte Proteine identifiziert. Ebenso wurde eine Glutathion-Peroxidase identifiziert, die ubiquitäre Transkriptakkumulation dokumentiert und die katalytische Aktivität des rekombinanten Proteins gezeigt. Eine weitere cDNA-Durchmusterung führte zur Identifikation verschiedener glykolytischer Enzyme als potentielle Interaktionspartner von Mais-Aktin sowie zu Bindepartnern, die nach Sequenzanalyse Domänen mit Homologien zu bekannten ABPs aus tierischen Organismen zeigten.

Der Transkriptionsfaktor CEBPA reguliert Differenzierung und Proliferation in verschiedenen Zelltypen und spielt eine herausragende Rolle in der Hämatopoese. Die CEBPA RNA kann in die lange P42-Isoform oder die N-terminal verkürzte P30-Isoform translatiert werden. Während P42-CEBPA differenzierungsinduzierend wirkt, ist P30 als Inhibitor von P42 und als Onkogen in akuter myeloider Leukämie beschrieben. Die Modularität und Multifunktionalität von CEBPA, die ihn zahlreichen Studien beobachtet wurde, lässt sich möglicherweise durch differentielle Protein–Protein-Interaktionen erklären. Zahlreiche post-translationale Modifikationen (PTMs) und die intrinsisch ungeordnete, flexible Struktur von CEBPA stellen jedoch eine Herausforderung für traditionelle Ansätze in Proteininteraktionsstudien dar. In der vorliegenden Arbeit wird ein neuer, alternativer Ansatz präsentiert, der auf einem in vitro Proteininteraktions-screen auf einer Peptidmatrix (PRISMA) und Biotinligase proximity labelling (BioID) in lebenden Zellen basiert. In einem PRISMA-screen wurden 120 CEBPA Peptide auf Proteininteraktionen mit Proteinextrakt aus myeloiden Zellen untersucht. Im Screen wurden 40 verschiedene CEBPA PTMs inkludiert, unter anderem auch die hier erstmals neu beschriebenen Methylierungen der CEBPA Argininreste R12 und R142. Daten aus dem PRISMA-screen wurden mit BioID Experimenten in myeloiden Zellen validiert, um eine Proteininteraktionslandkarte von CEBPA zu generieren, die 52 bekannte und 68 neue CEBPA Proteininteraktoren umfasst. Hotspots für Proteininteraktionen fallen in evolutionär konservierte CEBPA Regionen und der Vergleich des Bindungsprofils mit publizierten Daten zeigt Ähnlichkeiten zu verwandten Transkriptionsfaktoren der CEBP Familie. Die Ergebnisse legen nahe, dass die Multifunktionalität von CEBPA von multivalenten Proteininteraktionen in Abhängigkeit von PTMs koordiniert wird, um CEBPA mit dem epigenetischen und transkriptionellen Apparat der Zelle verknüpfen. / The pioneering transcription factor CEBPA plays a lineage-instructing role during haematopoiesis and also regulates proliferation and differentiation in many other cell types. The CEBPA RNA can be translated into a full length (P42-CEBPA) or N-terminally truncated isoform (P30-CEBPA). While P42 induces differentiation in various cell types, the P30 isoform is mostly regarded as a dominant inhibitor of P42-CEBPA and acts as an oncogene in acute myeloid leukaemia. Protein interactions may be the key to explaining the functional plasticity and modularity of CEBPA that has been demonstrated in diverse experimental settings. However, the disordered structure and the numerous post-translational modification sites (PTMs) of CEBPA pose a challenge to traditional protein interaction studies. In the present work, a novel alternative approach is presented that combines an in vitro protein interaction screen on a peptide matrix (PRISMA) with biotin ligase proximity labelling (BioID) in living cells. To this end, 120 CEBPA peptides were probed for protein interactions with PRISMA. The screen comprised 40 different PTMs, including newly identified CEBPA arginine methylation sites. PRISMA data was validated with BioID experiments and generated a detailed CEBPA protein interaction map in myeloid cells. The interactome presented here contains 52 known and 68 novel CEBPA interactors that can now be mapped across the CEBPA sequence in a PTM dependent fashion. Hotspots of protein interaction correlated with conserved regions and comparison with previously published data revealed related binding profiles of homologous CEBP regions. Taken together, the data indicates that the functional plasticity of CEBPs is orchestrated by multivalent protein interactions and PTMs to configure a dynamic CEBP hub that interacts with many partners of the transcriptional and epigenetic machinery.

Mit der Entwicklung und der Anwendung moderner Genomsequenzierungstechnologien können weitere Genmutationen identifiziert werden. Nach jetzigem Stand sind etwa 20% dieser Mutationen in Bereichen von Proteinen vorzufinden, die keine eindeutige 3D-Struktur haben. Diese werden intrinsisch ungeordnete Regionen genannt (intrinsic disordered regions, IDRs). Die IDRs sind für die Steuerung biologischer Prozesse wichtig. Sie enthalten kurze, lineare Abschnitte (SLiMs), die bei der Interaktion von Proteinen eine Rolle spielen und mittels Phosphorylierung reguliert werden können. Um Krankheiten besser zu verstehen, ist es entscheidend zu erforschen, wie diese IDR-Mutationen die Interaktionen von Proteinen beeinflussen. In dieser Doktorarbeit wird eine Methode verwendet, bei der synthetische Peptide, die den mutierten Proteinsequenzregionen entsprechen, auf eine Membran aufgebracht werden, um die Wechselwirkungen dieser Peptidsequenzen mit zellulären Proteinen systematisch zu untersuchen. Zusätzlich werden Änderungen dieser Interaktionen zwischen normalen, phosphorylierten oder zusätzlich sequenzveränderten Peptidvarianten untersucht, um die Auswirkungen der Genmutationen besser zu verstehen. Diese Arbeit zeigt deutliche Unterschiede in den Wechselwirkungen zwischen phosphorylierten und nicht-phosphorylierten Peptiden auf. Sie sind größtenteils auf die Störung der phosphorylierungsabhängigen SLiMs zurückzuführen. Unter den Proteinen sticht insbesondere die S102P Mutation im Transkriptionsfaktor GATAD1 heraus, die mit einer Herzmuskelerkrankung in Verbindung steht. Wir haben festgestellt, dass diese Mutation eine Phosphorylierungsstelle stört, die für die Bindung an 14-3-3-Proteine verantwortlich ist. Wir haben weitere Untersuchungen durchgeführt, um diese Interaktion besser nachvollziehen zu können. Diese Arbeit trägt dazu bei, die molekularen Mechanismen von Krankheiten besser zu verstehen und bietet Möglichkeiten für weiterführende Untersuchungen und Therapieansätze auf. / Approximately 20% of disease-linked point mutations are situated within protein regions devoid of 3D structure, known as intrinsically disordered regions (IDRs). IDRs harbour short linear motifs (SLiMs) that mediate protein-protein interactions (PPIs), often through post-translational modifications such as phosphorylation. Investigating the impact of these IDR mutations on protein-protein interactions is essential to comprehend human diseases. In this doctoral thesis, I present a comprehensive exploration of a peptide-based proteomics screen, employed to study 36 disease-associated mutations that impair phosphorylation sites within IDRs. This approach, uses immobilized synthetic peptides, corresponding to the mutated regions, to capture interacting proteins from cellular extracts. This method facilitated the simultaneous comparison of interaction partners among wild-type, phosphorylated, and mutated peptide forms, enabling the functional assessment of individual mutations. Our analysis uncovered significant disparities between the interactomes of phosphorylated and non-phosphorylated peptides. Building on our findings, we placed particular emphasis on the S102P mutation within the transcription factor GATAD1, a mutation associated with dilated cardiomyopathy. Our screening demonstrated that this mutation disrupts a phosphorylation site responsible for 14-3-3 protein binding. To delve deeper into this interaction, we conducted a thorough investigation, employing techniques such as isothermal titration calorimetry, X-ray crystallography, and alanine scanning coupled with mass spectrometry. Our analyses hinted at the regulatory role of 14-3-3 binding in GATAD1's nucleocytoplasmic transport, achieved by masking its nuclear localization signal. The insights from our research shed fresh light on potential molecular mechanisms underpinning the development of various human diseases, offering a promising avenue for further investigation and therapeutic exploration.

In C. elegans bietet die frühe Embryogenese ein attraktives Modellsystem, um Wechselwirkungen von Proteinen in vivo zu entschlüsseln. Zur präzisen Identifizierung von spezifischen Interaktionen im C. elegans Embryo wurde ein neuer quantitativer Ansatz entwickelt, welcher die Expression von Fusionsproteinen an grün fluoreszierendes Protein in vivo mit markierungsfreier Interaktionsproteomik kombiniert. Diese Strategie wurde angewandt, um die Interaktionspartner von acht Proteinen zu untersuchen, die in essentiellen biologischen Prozessen während der frühen Embryogenese involviert sind. Diese Studie liefert als Ergebnis ein erstes embryonales in vivo Interaktionsnetzwerk bestehend aus 559 Interaktionen zwischen 472 Proteinen. Dieses Netzwerk erfasst nicht nur bekannte Bindungen, sondern auch neue Interaktionen von hoher funktioneller Relevanz. Die Netzwerkinformationen wurden mit Experimenten auf Basis der Ribonukleinsäuren-Interferenz kombiniert um neue Regulatoren der sogenannten „P granules” ausfindig zu machen. Infolgedessen wurde das fadenwurmspezifische Protein GEI-12 als neuer Interaktionspartner der DYRK-Kinase MBK-2 und als wichtiger Regler für die Dynamik der „P granules“ und für die Aufrechterhaltung der Keimbahn identifiziert. Dies führt zu einem hypothetischen Modell in welchem der Phosphorylierungszustand von GEI-12 den Auf- und Abbau der „P granules“ während der frühen Embryogenese vermittelt. Darüber hinaus veranlasst GEI-12 auch die Entstehung von „P granules“ in Säugetierzellen und bindet an PP2A-Phosphatasen, was darauf hindeutet, dass die grundlegenden biophysikalischen Eigenschaften die zur Entstehung der Ribonukleoprotein-Körperchen notwendig sind, im Laufe der Evolution zwischen Spezies konserviert geblieben sind. Zusammenfassend stellt die in vivo Interaktionskartierung ein vielseitiges Werkzeug dar, welches nicht nur die funktionelle Organisation des Proteoms aufdeckt, sondern auch Einsichten in die tierische Entwicklungsbiologie liefert. / In C. elegans, early embryogenesis provides an attractive model system for mapping in vivo protein interactions. In order to accurately identify specific interactions in C. elegans embryos, a new quantitative approach was developed combining in vivo expressed GFP fusion proteins with label-free interaction proteomics. This strategy was applied to studying the interaction partners of eight bait proteins involved in essential biological processes during early embryogenesis. As a result, this study generated a pilot embryo in vivo interaction network composed of 559 interactions among 472 proteins. Importantly, this network captures not only well-characterized bindings but also new interactions of high functional relevance. Further utility of the network is demonstrated by combining it with RNAi perturbation to search for new regulators of P granule formation in early embryos. Consequently, a worm-specific protein GEI-12 was discovered as a novel interaction partner of the DYRK kinase MBK-2 and as an important regulator of P granule dynamics and germline maintenance. This leads to a hypothetical model in which the phosphorylation state of GEI-12 mediates P granule assembly and disassembly during early embryogenesis. In addition, GEI-12 also induces granule formation in mammalian cells and interacts with PP2A phosphatases, indicating that the fundamental biophysical properties required for ribonucleoprotein granule formation are conserved across species during evolution. In summary, in vivo interactome mapping is a versatile approach that not only unravels the functional organization of the proteome but also can reveal insights into animal development.