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

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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.

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.

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.

Protein-Protein-Wechselwirkungen steuern zelluläre Funktionen auf molekularer Ebene. Posttranslationale Proteinmodifikationen beeinflussen diese Wechselwirkungen und erlauben dynamische Regulierung. Tyrosinphosphorylierung ist eine besonders relevante Modifikation, weil sie eng mit interzellulärer Regulation von Wachstum und Enticklung in Vielzellern verbunden ist. Da falsche Regulierung dieser Prozesse zu Krebs oder Autoimmunerkrankungen führen kann, ist sie auch von großem medizinischen Interesse. In Hefe-Zwei-Hybrid- Untersuchungen mit Volllängen-Proteinen im Genommaßstab wurde ein umfassender Satz von 292 größtenteils neuen phosphotyrosinabhängigen Proteinwechselwirkungen erster Güte ermittelt. Damit wurde eine Wissenslücke im Bereich der phosphotyrosinabhängigen Signalübertragung, der bisher hauptsächlich auf Peptidbindungs- und Affinitätsaufreinigungs-gekoppelten Massenspektronomieexperimenten fußte. Die Güte der Interaktionen wurde experimentell und informatisch, in Coimmunpräzipitations- und Proteinkomplementierungs-, sowie in Überrepräsentationsanalysen und Literaturvergleichen, gezeigt. Bekannte lineare Bindesequenzmotive kommen zwar gehäuft vor, können die Mehrzahl der Interaktionen aber offensichtlich nicht erklären. Die Wechselwirkungen bilden ein dichtes, einheitliches Netzwerk und widerspiegeln phosphotyrosinabhängige KEGG-Signalwege. Es hat ein Herzstück aus acht Genen, von denen sieben fest etablierte Signalverarbeitungshauptknotenpunkte darstellen. Dem achten, SH2D2A, scheint eine deutlich wichtigere Rolle zuzukommen als bisher wahrgenommen. Schliesslich wurde für eine Auswahl von GRB2-Interaktionen unterschiedliche subzelluläre Verortung vorgenommen. Zusammengenommen legen diese Ergebnisse nah, dass die hier veröffentlichten Wechselwirkungen einen wesentlichen Schritt für das Verstehen von Wachstum und Entwicklung markieren und zur Verbesserung der Behandlungsmöglichkeiten in wichtigen Medizinbereichen beitragen werden. / Protein-protein interactions govern cellular functions on the molecular level. Post-translational modifications alter these interactions allowing highly dynamic regulation. Protein tyrosine phosphorylation is an especially relevant post-translational modification, because it is tightly linked to intercellular regulation of growth and development in metazoans. Diseases like cancer or autoimmune disorders arise from misregulation of these processes generating great medical interest in protein tyrosine phosphorylation and processes relating to it. This study provides a comprehensive set of 292 mostly novel, high-quality phosphotyrosine- dependent protein-protein interactions detected in genome-scale yeast two-hybrid screens using full-length proteins filling a gap in phosphotyrosine signaling knowledge, which has so far been based largely on peptide binding and affinity purification-coupled mass spectrometry experiments. The high quality was demonstrated experimentally and computationally, in co-immunoprecipitation and protein complementation assays, as well as over-representation analyses and comparison to prior knowledge. Previously reported linear peptide motifs are reflected in the binding partners, but clearly do not account for most of the interactions, emphasizing the relevance of full-length protein context. The interactions were further shown to form an unusually dense, monolithic network with a central core and reflect and expand phosphotyrosine-related KEGG pathways. Seven of the eight core proteins are well-established signaling hubs. The eighth core gene, SH2D2A, seems to play a more central role than currently appreciated. Finally, selected interactions involving GRB2 were shown to occur in different specific subcellular localizations. Together, these results strongly suggest that the interactions presented here represent an important step toward understanding growth and development and will benefit treatment of pressing medical issues substantially.

Um mit ihrer Umgebung zu kommunizieren verfügen lebende Zellen über Rezeptoren, welche die umschließende Membran überbrücken. Die vorherrschende G-Protein-gekoppelte Rezeptoren (GPCR) erhalten Informationen von Außerhalb durch Bindung eines Liganden, wodurch der Rezeptor aktiviert wird. Während der Aktivierung bildet sich innerzellulär ein offener Spalt, in den ein G-Protein (Gαβγ, G) mit seinem C-terminalen Ende koppeln kann. Die Bindung an einen GPCR führt in der Gα-Untereinheit vom Gαβγ zu einen GDP/GTP-Austausch, welcher für die weitere Signalübertragung ins Zellinnere notwendig ist. Die Kopplung von Rezeptor und Gαβγ umfasst eine Reihe von dynamischen strukturellen Änderungen, die Geschwindigkeit und Spezifität der Interaktion regeln. Hier haben wir MD-Simulationen (Molekulardynamik) verwendet, um die molekularen Details der GPCR Gαβγ Kopplung vor und während der GPCR-Gαβγ-Komplexbildung bis hin zum GDP/GTP-Austausch zu untersuchen. / To communicate with their environment, living cells feature receptors that provide a bridge across the enclosing membrane. The prevalent G protein-coupled receptors (GPCR) receive outside information through the binding of a ligand, which activates the receptor. During activation, an open intracellular crevice forms, to which a G protein (Gαβγ, G) can couple with its Gα C-terminus. Binding to GPCRs triggers GDP/GTP exchange in the Gα subunit of Gαβγ, necessary for further signal transfer within the cell. The coupling between receptor and Gαβγ involves a series of dynamic structural changes that govern speed and specificity of the interaction. Here we used molecular dynamics (MD) simulations to elucidate molecular details of the GPCR Gαβγ coupling process before and during GPCR Gαβγ complex formation up to the GDP/GTP exchange.

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