La protéine kinase activée par AMP (AMPK) est un senseur et régulateur central de l'état énergétique cellulaire, mais ces voies de signalisation ne sont pour le moment que partiellement comprises. Deux criblages non-biaisés pour la recherche de partenaires d'interaction et de substrats d'AMPK ont précédemment été réalisés dans le laboratoire. Ces derniers ont permis l'identification de plusieurs candidats (protéines), mais leur rôle fonctionnel et physiologique n'était pas encore établi. Ici nous avons caractérisé la fonction de la relation entre AMPK et quatre partenaires d'interaction : gluthation S-transferases (GSTP1 and GSTM1), fumarate hydratase (FH), l'E3 ubiquitine-ligase (NRDP1), et les protéines associées à la membrane (VAMP2 and VAMP3). Chacune de ces interactions parait avoir un rôle différent dans la signalisation AMPK, agissant en amont ou en aval de la protéine AMPK. GSTP1 et GSTM1 contribueraient à l'activation d'AMPK en facilitant la S-glutathionylation d'AMPK en conditions oxydatives moyennes. Cette régulation non-canonique suggère que l'AMPK peut être un senseur de l'état redox cellulaire. FH mitochondrial est l'unique substrat AMPK clairement identifié. Etonnamment le site de phosphorylation se trouve dans le peptide signal mitochondrial, ce qui pourrait affecter l'import mitochondrial. NRDP1, protéine pour laquelle nous avons pour la première fois développé un protocole de production de la protéine soluble, est faiblement phosphorylée par l'AMPK. L'interaction ne sert pas à l'ubiquitination d'AMPK, mais affecte le renouvellement de NRDP1. Finalement, l'interaction de VAMP2/3 avec AMPK n'implique pas d'évènement de phosphorylation ou d'activation d'un des partenaires. Nous proposons un mécanisme de recrutement d'AMPK par VAMP2/3 (" scaffold ") au niveau des vésicules en exocytose. Ce recrutement favoriserait la phosphorylation de substrats de l'AMPK à la surface des vésicules en exocytoses. Une fois mis en commun, nos résultats enrichissent les connaissances sur les voies de signalisation AMPK, et suggèrent une grande complexité de ces dernières. Plus que les kinases en amont et des substrats en aval, la régulation de la signalisation d'AMPK se fait via des modifications secondaires autres que la phosphorylation, via des effets sur le renouvellement de protéines, et probablement via un recrutement spécifique de l'AMPK dans certains compartiments cellulaires. / AMP-activated protein kinase (AMPK) is a central energy sensor and regulator of cellular energy state, but the AMPK signaling network is still incompletely understood. Two earlier non-biased screens for AMPK interaction partners and substrates performed in the laboratory identified several candidate proteins, but functional and physiological roles remained unclear. Here we characterized the functional relationship of AMPK with four different protein interaction partners: gluthatione S-transferases (GSTP1 and GSTM1), fumarate hydratase (FH), an E3 ubiquitin-ligase (NRDP1), and vesicle-associated membrane proteins (VAMP2 and VAMP3). Each of these interaction partners seems to have a different function in AMPK signaling, either acting up- or down-stream of AMPK. GSTP1 and GSTM1 can contribute to AMPK activation by facilitating S-glutathionylation of AMPK under mildly oxidative conditions. This non-canonical regulation suggests AMPK as a sensor of cellular redox state. Mitochondrial FH was identified as the only clear AMPK downstream substrate, but surprisingly the phosphorylation site is present in the mitochondrial targeting prepeptide, possibly affecting mitochondrial import. NRDP1, whose expression as a full-length soluble protein was achieved here for the first time, is phosphorylated by AMPK only at low levels. The interaction does neither serve for AMPK ubiquitinylation, but rather affects NRDP1 turnover. Finally, interaction of VAMP2/3 with AMPK does not involve phosphorylation or activation events of one of the partners. Instead, we propose VAMP2/3 as scaffolding proteins that recruit AMPK to exocytotic vesicles which could favor phosphorylation of vesicular AMPK substrates for exocytosis. Collectively, our results add some new elements to the AMPK signaling network, suggesting that it is much more complex than anticipated. In addition to upstream kinases and downstream substrates, regulation of AMPK signaling occurs by second

ABC (ATP-binding-cassette)-Transporter katalysieren den ATP-abhängigen Transport diverser niedermolekularer Substanzen durch die biologische Zellmembran. Ihr Vorkommen erstreckt sich auf alle drei Domänen des Lebens. Der Maltose Transporter von E.coli gehört zu dieser Superfamilie der ABC-Transporter. Die Kristallstrukturen des Transporters MalFGK2 wurden kürzlich gelöst für dessen inaktiven Zustand als auch für dessen katalytischen Zwischenzustand. Um den Transportmechanismus besser verstehen zu können, müssen die Kristallstrukturen des Transporters und seiner Komponenten unter physiologischen Bedingungen genau geprüft werden, um den daraus katalytischen Mechanismus zu bewerten. Im rahmen der Dissertation konnte mittels Lösungs-NMR kann gezeigt werden, dass die periplasmatische Schleife P2 von MalF eine unabhängige Faltung aufweist und eine wohl definierte Tertiärstruktur einnimmt, die vergleichbar ist mit der im Kristall vorliegenden Konformation. MalF-P2 interagiert unabhängig von der Transmembranregion von MalF und MalG mit dem Maltose-Bindeprotein in An- und Abwesenheit des Substrats mit einem KD im mikromolaren Bereich. NMR Untersuchungen zu den an der Interaktion beteiligten Aminosäuren stehen in Einklang mit den Kristallstrukturdaten. Die Analyse residualer dipolarer Kopplungen (RDC) zeigt, dass die Konformation der zwei individuellen Domänen von MalF-P2 in Abwesenheit von MalE erhalten bleibt und der im Kristall ähnelt. Die Zugabe von MalE induziert eine Änderung der relativen Orientierung der zwei Domänen von MalF-P2 um so dem räumlichen Anspruch des Liganden gerecht zu werden. Besonders betroffen hiervon ist die Domäne 2 von MalF-P2, deren Konformation abweicht von der in der Kristallstruktur. Die Struktur der Domäne 1 dagegen bleibt konserviert, während sich lediglich ihre relative Orientierung zu Domäne 2 ändert. MD Simulationen des MalF-P2-MalE-Komplexes deuten auf eine stark dynamische Interaktion von MalF-P2 mit der MalE Bindungsregion hin. NMR CPMG Kinetikstudien weisen auf die Bildung eines ungewöhnlichen Knicks in alhpa-Helix alpha2 während der Assoziation hin. Diese konformelle Änderung der alpha-Helix findet auf einer Zeitskala von Millisekunden statt, was im Einklang mit der Austauschrate der Komplexbildung ist. / ABC (ATP-binding-cassette)-transporters catalyze the ATP-dependent transport of diverse solutes across the cellular membrane. They are present in all three kingdoms of life. The E.coli maltose transporter belongs to the ATP binding cassette (ABC) transporter superfamily. Recently, the crystal structures of the full transporter MalFGK2 in its resting and a catalytic intermediate state was solved. At the present state of research, it is of particular interest to scrutinize the X-ray structures of the transporter and its components under physiological conditions as well as to evaluate their implications for the catalytic mechanism. In the context of the PhD thesis, it could be shown using solution-state NMR that the periplasmic loop P2 of MalF folds independently in solution and adopts a well-defined tertiary structure, which is similar to the one found in the crystal structure. MalF-P2 interacts with the maltose binding protein, independent of the transmembrane region of MalF and MalG, with a KD in the µM range, in the presence and absence of substrate. NMR studies showed good agreement of the residues interacting in solution to those identified in the X-ray structure. Analysis of residual dipolar coupling (RDC) experiments shows that the conformation of the two individual domains of MalF-P2 is preserved in the absence of MalE, and resembles the conformation in the X-ray structure. Upon titration of MalE to MalF-P2, the two domains of MalF-P2 change their relative orientation in order to accommodate the ligand. In particular, a conformational change of domain 2 of MalF-P2 is induced, which is distinct to the conformation found in the X-ray structure. Domain 1 retains its structure but changes its relative orientation to domain 2. MD simulations of the MalF-P2 – MalE complex show a highly dynamic interaction of MalF-P2 to the MalE interface. From NMR CPMG kinetic studies, a peculiar kink of alpha-helix alpha2 can be seen introduced upon association. The transition time of this conformational change of the alpha-helix is on the ms timescale, which is matching the exchange rate of the complex formation.

La protéine kinase activée par AMP (AMPK) est un senseur et régulateur central de l'état énergétique cellulaire, mais ces voies de signalisation ne sont pour le moment que partiellement comprises. Deux criblages non-biaisés pour la recherche de partenaires d'interaction et de substrats d'AMPK ont précédemment été réalisés dans le laboratoire. Ces derniers ont permis l'identification de plusieurs candidats (protéines), mais leur rôle fonctionnel et physiologique n'était pas encore établi. Ici nous avons caractérisé la fonction de la relation entre AMPK et quatre partenaires d'interaction : gluthation S-transferases (GSTP1 and GSTM1), fumarate hydratase (FH), l'E3 ubiquitine-ligase (NRDP1), et les protéines associées à la membrane (VAMP2 and VAMP3). Chacune de ces interactions parait avoir un rôle différent dans la signalisation AMPK, agissant en amont ou en aval de la protéine AMPK. GSTP1 et GSTM1 contribueraient à l'activation d'AMPK en facilitant la S-glutathionylation d'AMPK en conditions oxydatives moyennes. Cette régulation non-canonique suggère que l'AMPK peut être un senseur de l'état redox cellulaire. FH mitochondrial est l'unique substrat AMPK clairement identifié. Etonnamment le site de phosphorylation se trouve dans le peptide signal mitochondrial, ce qui pourrait affecter l'import mitochondrial. NRDP1, protéine pour laquelle nous avons pour la première fois développé un protocole de production de la protéine soluble, est faiblement phosphorylée par l'AMPK. L'interaction ne sert pas à l'ubiquitination d'AMPK, mais affecte le renouvellement de NRDP1. Finalement, l'interaction de VAMP2/3 avec AMPK n'implique pas d'évènement de phosphorylation ou d'activation d'un des partenaires. Nous proposons un mécanisme de recrutement d'AMPK par VAMP2/3 (" scaffold ") au niveau des vésicules en exocytose. Ce recrutement favoriserait la phosphorylation de substrats de l'AMPK à la surface des vésicules en exocytoses. Une fois mis en commun, nos résultats enrichissent les connaissances sur les voies de signalisation AMPK, et suggèrent une grande complexité de ces dernières. Plus que les kinases en amont et des substrats en aval, la régulation de la signalisation d'AMPK se fait via des modifications secondaires autres que la phosphorylation, via des effets sur le renouvellement de protéines, et probablement via un recrutement spécifique de l'AMPK dans certains compartiments cellulaires.

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