Gleich einem Etikett dient die N-Glykokosylierung vom Ribosom neu synthetisierter Proteine durch die Oligosaccharyltransferase (OST) bei der kotranslationalen Translokation in das Endoplasmatische Retikulum (ER) als Startpunkt vielschichtiger Prozessierungen. Bisher fehlte der strukturelle Nachweis, dass die OST als mit dem Ribosom assoziierten Membranprotein (RAMP) Bestandteil des auf dem proteinleitenden Kanal, dem Sec61-Komplex, basierenden Translokons ist. In dieser Arbeit berichten wir von der kryoelektronenmikroskopischen 3D-Struktur eines definierten OST-Sec61-Ribosom-Komplexes aus Saccharomyces cerevisiae bei 15,4 Å Auflösung. Dazu wurden die Komponenten (OST, Sec61 und Ribosomen mit naszierender Proteinkette) affinitätschromatographisch gereinigt und das Bindungsverhalten mit 80S-Ribosomen in vitro untersucht. Die OST band mit einer KD von 12,8 nM hochaffin und spezifisch an den bekannten Sec61-Ribosomen-Komplex. Dieser in vitro rekonstituierte trimere Komplex zeigte eine neuartige eng an das Ribosom anschließende Translokonstruktur mit zwei bisher unbekannten ribosomalen Verbindungen, einer einzigen dezentralen porenförmigen Vertiefung und zusätzlichen luminalen Bereichen. Durch das Docken eines Sec61-Homologs in einer alternativen Bindeposition sowie das Docken eines Stt3p-Homologs (der katalytischen Untereinheit der OST) und mit Hilfe der mittels (Kryo-)Negativkontrastierung gewonnenen 3D-Struktur der OST konnten Hybridmodelle erstellt werden. Daraus wurde unter Einbeziehung von bekannten molekularbiologisch gewonnenen Interaktionsdaten das 3D-Modell eines aktiven Ribosomen-gebundenen OST-Sec61-Translokons entwickelt. / Like a label, N-glycosylation by the oligosaccharyltransferase (OST) of newly synthesized proteins emerging from the ribosome while being cotranslationally translocated into the endoplasmic reticulum (ER) provides a starting point for a multitude of processes. Hitherto no structural proof has been presented, that the OST as a ribosome associated membrane protein (RAMP) is a constituent of the translocon, based at its core on the protein conducting channel (Sec61-complex). In this work we report on the 3D-structure of a defined OST-Sec61-ribosome complex from Saccharomyces cerevisiae by cryo-electron microscopy at 15.4 Å resolution. Thereto, the components (OST, Sec61, ribosome nascent chain complexes) have been purified by affinity chromatography and the binding of 80S-ribosomes has been checked in vitro. The OST bound with high affinity by a KD of 12.8 nM specifically to the established Sec61-ribosome complex. This trimeric complex reconstituted in vitro exhibits a new kind of tightly bound ribosomal translocon showing two hitherto unknown connections to the ribosome, a single off-center pore-like indentation and an additional luminal domain. By docking of a Sec61 homologue at an alternative binding position plus the docking of a Stt3p homologue (the catalytic subunit of the OST) and by means of the 3D-structure of the OST using the (cryo-)negative staining technique, hybrid models could be created. Consequently, integrating known interaction data from molecular biology experiments has been used to develop a 3D-model of an active ribosome-bound OST-Sec61-translocon.

Der erste Teil dieser Arbeit beschreibt die Durchführung eines quantitativen Ansatzes zur Detektion von Protein-Protein-Interaktionen (PPI) mit einem Schwerpunkt für Proteine, die in vier häufigen neurodegenerativen Krankheiten eine Rolle spielen: die Alzheimer-, Parkinson- und Huntington-Krankheit, sowie die spinozerebelläre Ataxie Typ 1 (SCA1). Die Interaktionsstudie kombiniert die stabile Isotopen-Markierung von Aminosäuren in der Zellkultur mit der Affinitätsaufreinigung von Proteinen und hochauflösender Massenspektrometrie. Dieser Ansatz zielt darauf ab, systematisch die Interaktionspartner von gesunden und krankheitsassoziierten Proteinvarianten zu identifizieren und zu quantifizieren. Darüber hinaus wurde das quantitative Interaktionsverfahren genutzt, um zu prüfen ob PPI durch krankheitsassoziierte Mutationen beeinträchtigt werden. Neben der Validierung möglicher Nebeneffekte, sowie dem Vergleich mit Informationen über PPI aus der Literatur, wurde ein Teil der identifizierten Interaktoren durch zusätzliche Koimmunopräzipitations-Experimente in zwei verschiedenen Zelllinien bestätigt. Mit Hilfe von Drosophila SCA1-Krankheitsmodellen und in Kombination mit RNAi-basierter Stummschaltung identifizierter Interaktoren wurde festgestellt, dass ein großer Teil der Kandidaten Neurodegeneration in vivo beeinflusst. Zusätzlich wurden die Alzheimer-spezifischen PPI-Daten auf genomweite Assoziationsstudien übertragen. Bemerkenswerterweise waren Polymorphismen in einzelnen Nukleotiden in den Genen zugehöriger Interaktoren wahrscheinlicher mit solchen Genen assoziiert, die eine Prädisposition für die Alzheimer-Krankheit haben, als mit zufällig ausgewählten Genen. Schlussendlich konnten Folgeexperimente für zwei ausgewählte Interaktionspartner den Nachweis für eine bislang unbekannte Rolle der N-Glykosylierung und einen neuen Zusammenhang zwischen dem RNA-bindenden Protein LRPPRC und mitochondrialer Dysfunktion in der Alzheimer-Krankheit vorlegen. / The first part of the present thesis describes the establishment of a quantitative protein-protein interaction (PPI) screen with a focus on proteins involved in four common neurodegenerative diseases (NDDs): Alzheimer’s disease (AD), Parkinson’s disease (PD), Huntington’s disease (HD) and spinocerebellar ataxia type 1 (SCA1). The interaction screen combines stable-isotope labeling by amino acids in cell culture (SILAC) with protein affinity purification and high-resolution mass spectrometry. This approach aims to systematically identify and quantify interaction partners of normal and known disease-associated variants of proteins involved in NDDs. Moreover, the quantitative interaction screen was employed to study how PPIs are affected by disease-associated mutations. Along with validation of possible off-target effects and comparison of the data with literature-reported PPIs, a subset of identified interactors was validated by additional co-immunoprecipitation experiments in two different cell lines. Utilizing Drosophila models for SCA1 in combination with RNAi-mediated silencing of identified interactors, a large fraction of candidates was observed to also affect neurodegeneration in vivo. In addition, AD-specific PPI data was mapped to patient cohort data obtained from genome-wide associations studies. Notably, single-nucleotide polymorphisms in the genes of interactors of the disease-associated protein variants were more likely associated with susceptibility to AD than randomly selected genes. Finally, functional follow-ups for two selected interaction partners provided evidence for a yet unreported role of N-linked glycosylation in AD, and a novel link to mitochondrial dysfunction in AD by means of the RNA-binding protein LRPPRC.