Sekretorische Proteine und Proteine der Kompartimente des sekretorischen Transportweges müssen die Membran des Endoplasmatischen Retikulums überqueren, um an ihren Wirkungsort zu gelangen. In der vorliegenden Arbeit wurden frühe Schritte des kotranslationalen Transports von Proteinen durch die ER-Membran untersucht. Signalsequenzen leiten diese Proteine als ribosomengebundene Intermediate an die ER-Membran. Die Ribosomen binden dort an den Sec61p-Komplex, der als Ribosomenrezeptor wirkt und gleichzeitig den proteinleitenden Kanal in der Membran bildet. Die Assoziation von Ribosomen mit dem Sec61p-Komplex verläuft in zwei Phasen. Die initiale Bindung ist sensitiv gegenüber hohen Salzkonzentrationen. Die Ribosomenbindung wird salzresistent, wenn die naszierende Kette in den Kanal inseriert und der Sec61p-Komplex die Signalsequenz erkennt. Sowohl Ribosomen ohne naszierende Kette als auch Ribosomen, die Proteine ohne Signalsequenzen synthetisieren, sind nur zur initialen salz-sensitiven Bindung an den Sec61p-Komplex fähig. Signalsequenzen interagieren im Cytosol mit SRP (engl.: Signal Recognition Particle). In dieser Arbeit wurde gezeigt, daß Signalsequenzen außerdem von Calmodulin gebunden werden. SRP und Calmodulin scheinen für die Interaktion mit Signalsequenzen einen ähnlichen Mechanismus zu benutzen, der wiederum mit der Signalsequenzerkennung durch den Sec61p-Komplex verwandt ist. Alle Ribosomen, unabhängig davon ob und welches Protein sie translatieren, können mit dem Sec61p-Komplex interagieren und daher um Bindungsplätze an der ER-Membran kompetitieren. Wenn SRP an die Signalsequenz einer naszierenden Kette gebunden ist, erhalten diese Ribosomen jedoch einen Vorteil in der Kompetition. Nur sie können Ribosomen ohne naszierende Kette oder Ribosomen, die ein cytosolisches Protein translatieren, vom Sec61p-Komplex verdrängen und sich selbst dann einen Translokationsort sichern, wenn alle Bindingsplätze an der Membran besetzt sind. In der vorliegenden Arbeit wurden dreidimensionale Strukturen von Komplexen aus Ribosom und proteinleitendem Translokationskanal vorgestellt, die der ersten und zweiten Phase der Ribosomenbindung entsprechen. Überraschenderweise unterscheiden sich diese beiden Stadien strukturell nicht. In beiden Fällen existieren definierte Verbindungen zwischen Ribosom und Kanal, die eine Lücke von etwa 20 Angström zwischen dem Ribosom und der Membranoberfläche überbrücken. Die Lücke stellt eine Verbindung zum Cytosol her, die eventuell dazu dient, naszierende Ketten ins Cytosol zu entlassen, wenn diese nicht ins Lumen des ER transportiert werden sollen. Weiterhin zeigen wir, daß der Kanal in nativen Membranen größer ist als der Kanal, der nur aus gereinigtem Sec61p-Komplex besteht. Dieser größere Kanal besitzt eine zusätzliche lumenale Domäne, die von der Oligosaccharyltransferase oder vom TRAP-Komplex gebildet wird. / The first step in the secretory pathway is the translocation of proteins across the membrane of the endoplasmic reticulum (ER). In this thesis project, early stages of cotranslational protein translocation in mammalian cells were studied. Proteins following the secretory pathway are targeted to the ER as ribosome-nascent chain complexes by their N-terminal hydrophobic signal sequences. The nascent chain is translocated across the ER membrane through a hydrophilic channel formed by the Sec61p complex, which also functions as the ribosome receptor. The initial binding of ribosomes to the ER membrane is salt-sensitive. After insertion of the nascent chain into the translocation channel and signal sequence recognition by the Sec61p complex, the ribosome is bound in a salt-resistant manner. The membrane binding of ribosomes lacking nascent chains and of ribosomes carrying nascent chains without signal sequences is always salt-sensitive. It is known that in the cytosol, the signal sequence binds to the signal recognition particle (SRP). Here we show that another cytosolic factor, the small regulatory protein calmodulin, can interact with signal sequences. Our data suggest that both SRP and calmodulin use a similar mechanism for substrate binding and recognition. In fact, this mechanism may be related to signal sequence recognition by the Sec61p complex. Previously the question has been raised of how efficient targeting of ribosome-nascent chain complexes (RNCs) carrying a signal sequence is possible when all ribosomes, regardless of the presence or nature of a nascent chain, can bind to the Sec61p complex. We demonstrate that all ribosomes compete for common binding sites at the ER membrane and that SRP functions as a positive effector to give RNCs carrying a signal sequence an advantage over other ribosomes. RNCs with a signal sequence and bound SRP can displace ribosomes without a nascent chain and ribosomes synthesizing cytosolic proteins from the membrane and can therefore secure a translocation site even when all ribosome binding sites at the ER membrane are occupied. A structural analysis by single particle cryo electron microscopy revealed that ribosome-translocation channel complexes do not differ in the salt-sensitive or the salt-resistant stage of ribosome binding to the ER membrane. Furthermore our data show that the ribosome is linked to the translocation channel by a discrete number of connections. Even in the presence of a translocating nascent chain the ribosome-membrane junction is not completely sealed towards the cytosol. Instead, a sizable gap exists between the ribosome and the surface of the membrane that may allow nascent polypeptide chains to enter the cytosol when their translocation across the ER membrane is prevented. We also show that translocation channels derived from native microsomes are larger than channels derived from purified Sec61p complex. These larger channels contain a wider central pore and an additional lumenal domain, which is formed by the oligosaccharyl transferase or by the TRAP complex.

Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist das Kerngen CBS2 aus Saccharomyces cerevisiae. Cbs2p wird gemeinsam mit Cbs1p spezifisch für die Translation der Cytochrom b (COB)-mRNA in den Mitochondrien benötigt. Die Untersuchungen konzentrierten sich auf die Charakterisierung funktionell wichtiger Bereiche im N- und C-terminalen Bereich des Proteins, den Nachweis von Protein-Protein Wechelwirkungen, die Assoziation von Cbs2p mit mitochondrialen Ribosomen und die Bedeutung des N-terminalen Bereiches für den Import von Cbs2p in die Mitochondrien. Die aminoterminalen 35 Aminosäuren (As) von Cbs2p genügen, um das Reporterprotein Gfp vollständig in die Mitochondrien zu rekrutieren. Dieses Ergebnis zeigt, dass der N-Terminus von Cbs2p den Import von Proteinen in die Mitochondrien vermitteln kann. Da ein N-terminal um 35 As verkürztes Cbs2-Protein ebenfalls noch in den Mitochondrien nachweisbar ist, besitzt Cbs2p wenigstens ein weiteres, vom N-Terminus unabhängiges, internes oder C-terminal lokalisiertes Importsignal für die Mitochondrien. Aufgrund genetischer Daten ist Abc1p ein potenzieller Interaktionspartner von Cbs2p. Es konnte gezeigt werden, dass eine physikalische Wechselwirkung zwischen beiden Proteinen stattfindet. Mittels Blauer Nativ-Gelelektrophorese wurde Cbs2p in einem höher molekularen Proteinkomplex nachgewiesen. Da Cbs2p in der Lage ist, in vitro Homomere zu bilden, sprechen die Daten dafür, das Cbs2p als Multimer in diesem Komplex vorliegt. Es konnte weiterhin gezeigt werden, dass der N-Terminus von Cbs2p eine essentielle Rolle bei der Homomerisierung des Proteins spielt. Die vorliegenden Ergebnisse erweitern das von Michaelis et al. (1991) entwickelte Modell der Wirkungsweise der Translationsaktivatoren Cbs1p und Cbs2p wie folgt: Cbs1p und Cbs2p sind mit der inneren Membran assoziiert. Beide Proteine könnten die COB-mRNA an die mitochondriale Innenmembran führen. Der Kontakt zwischen der COB-mRNA und der mitochondrialen Translationsmaschinerie könnte durch die Assoziation von Cbs2p mit mitochondrialen Ribosomen hergestellt werden. Nur an der Membran erlaubt die Prozessierungs- und Translationsmaschinerie die Reifung von COB-mRNA und die Synthese und Assemblierung von Cytochrom b. Das Vorliegen von Cbs2p in einem hoch molekularen Komplex und die physikalische Wechselwirkung mit Abc1p könnten ein Hinweis dafür sein, dass die Translation in räumlicher Nähe des Assemblierungsortes von Cytochrom b, dem bc1-Komplex, stattfindet.

La biogenèse du ribosome est un processus complexe et dynamique qui nécessite de nombreuses étapes de maturation et de modification des ARNr ainsi que l’assemblage et le transport des RNPs précurseurs. Un ribosome mature contient une centaine de pièces, ARN et protéines confondus, mais son assemblage requiert l’intervention de plus de 400 facteurs de synthèse. De part le coût énergétique important de ce processus, plusieurs voies de régulation interviennent pour contrôler la biogenèse des ribosomes en fonction des conditions nutritives. L’une des voies les plus connue est la voie TOR (Target of rapamycin). Cette voie de régulation agît principalement au niveau de la transcription des différents intervenants de la biogenèse :les ARNr, les protéines ribosomiques mais aussi les facteurs de synthèse. Ces facteurs, ayant une action transitoire dans la maturation des ribosomes, sont, par économie, recyclés pour la synthèse de nouveaux ribosomes. Nous nous sommes donc intéressés au devenir de ces facteurs, plus particulièrement de ceux intervenants dans la biogenèse de la petite sous unité, lorsque les conditions environnementales sont inadaptées à la croissance cellulaire. Ainsi, nous avons pu montré, pour quatre facteurs particuliers :Dim2, Rrp12, Hrr25 et Fap7, que leur localisation est dépendante de la synthèse ribosomique. Ainsi, lors de carence en sources nutritives, l’inhibition de la synthèse et de l’activité ribosomique entraîne un confinement de ces facteurs ribosomiques dans le nucléole ou dans des corps cytoplasmiques. En outre, la localisation particulière des facteurs ribosomiques Hrr25 et Fap7 dans les P-bodies en phase de croissance saturée laisse penser que ces corps cytoplasmiques sont le lieu de dégradation des pré-ribosomes lorsque les carences nutritives perdurent. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist das Kerngen CBS2 aus Saccharomyces cerevisiae. Cbs2p wird gemeinsam mit Cbs1p spezifisch für die Translation der Cytochrom b (COB)-mRNA in den Mitochondrien benötigt. Die Untersuchungen konzentrierten sich auf die Charakterisierung funktionell wichtiger Bereiche im N- und C-terminalen Bereich des Proteins, den Nachweis von Protein-Protein Wechelwirkungen, die Assoziation von Cbs2p mit mitochondrialen Ribosomen und die Bedeutung des N-terminalen Bereiches für den Import von Cbs2p in die Mitochondrien. Die aminoterminalen 35 Aminosäuren (As) von Cbs2p genügen, um das Reporterprotein Gfp vollständig in die Mitochondrien zu rekrutieren. Dieses Ergebnis zeigt, dass der N-Terminus von Cbs2p den Import von Proteinen in die Mitochondrien vermitteln kann. Da ein N-terminal um 35 As verkürztes Cbs2-Protein ebenfalls noch in den Mitochondrien nachweisbar ist, besitzt Cbs2p wenigstens ein weiteres, vom N-Terminus unabhängiges, internes oder C-terminal lokalisiertes Importsignal für die Mitochondrien. Aufgrund genetischer Daten ist Abc1p ein potenzieller Interaktionspartner von Cbs2p. Es konnte gezeigt werden, dass eine physikalische Wechselwirkung zwischen beiden Proteinen stattfindet. Mittels Blauer Nativ-Gelelektrophorese wurde Cbs2p in einem höher molekularen Proteinkomplex nachgewiesen. Da Cbs2p in der Lage ist, in vitro Homomere zu bilden, sprechen die Daten dafür, das Cbs2p als Multimer in diesem Komplex vorliegt. Es konnte weiterhin gezeigt werden, dass der N-Terminus von Cbs2p eine essentielle Rolle bei der Homomerisierung des Proteins spielt. Die vorliegenden Ergebnisse erweitern das von Michaelis et al. (1991) entwickelte Modell der Wirkungsweise der Translationsaktivatoren Cbs1p und Cbs2p wie folgt: Cbs1p und Cbs2p sind mit der inneren Membran assoziiert. Beide Proteine könnten die COB-mRNA an die mitochondriale Innenmembran führen. Der Kontakt zwischen der COB-mRNA und der mitochondrialen Translationsmaschinerie könnte durch die Assoziation von Cbs2p mit mitochondrialen Ribosomen hergestellt werden. Nur an der Membran erlaubt die Prozessierungs- und Translationsmaschinerie die Reifung von COB-mRNA und die Synthese und Assemblierung von Cytochrom b. Das Vorliegen von Cbs2p in einem hoch molekularen Komplex und die physikalische Wechselwirkung mit Abc1p könnten ein Hinweis dafür sein, dass die Translation in räumlicher Nähe des Assemblierungsortes von Cytochrom b, dem bc1-Komplex, stattfindet.

Die Identifizierung von Apoptose-modifizierten Proteinen erfolgte durch Proteomanalyse per 2D-Gelelektrophorese und Massenspektrometrie. Zunächst wurde eine 2DE-Datenbank errichtet, die im Internet zugänglich ist. Die Identifikation von Proteinen durch Peptidmassenfingerabdruck konnte durch Verwendung einer zweiten Matrix verbessert werden. Die Analyse ausgelassener tryptischer Spaltstellen, N-terminaler Pyroglutamatbildung und Oxidation von Tryptophan konnte die Identifikation von Proteinen mittels Peptidmassenfingerabdruck verbessern. Die Apoptose wurde über den Fas-Rezeptor-Signalweg oder durch DNA-Schädigung mittels Cis-Platin eingeleitet und das Totallysat oder die Kompartimente von Jurkat T-Zellen der Proteomanalyse unterworfen. Große Übereinstimmungen der beiden Prozesse wurden festgestellt. 95 Apoptose-modifizierte Proteine wurden identifiziert, wovon 78 Proteine bisher unbekannt für den Apoptoseprozess waren. Auffällig war, dass 40 % der Proteine RNA-Bindungsmotive enthielten und das 21 Onkoprotein oder Onkoprotein-interagierende Proteine identifiziert wurden. Für 39 Proteine konnten bisher proteolytische Spaltungen vorausgesagt werden. Eine Fülle von Informationen wurde über putative Translokationen der Proteine erhalten. Für das Protein p54nrb wurden drei Caspase-3 Spaltstellen durch die Einführung von Mutationen und die Abhängigkeit der Caspase-3 Spaltung von RNA bewiesen. Mitochondriale ribosomale Proteine von Mensch, Maus und Ratte wurden durch Abgleichung von EST-Datenbanken mit partiellen Aminosäuresequenzen aus dem Rind bestimmt. Die Konservierung der Sequenzen der Säugetierproteine der mitochondrialen ribosomalen Proteinen war geringer als von den bekannten cytosolischen ribosomalen Proteinen. Weiterhin wurden unterschiedliche Ergebnisse bzgl. der mitochondrialen Signalsequenzen der Proteine gefunden. RNA-Protein-Wechselwirkungen im Ribosom wurden nach Quervernetzung auf einzelne Aminosäuen bzw. Nukleotide bestimmt. Die Daten wurden zur Verbesserung von ribosomalen Modellen verwendet. Die mittlerweile erhaltenen Kristallstrukturen des Ribosoms zeigten, dass die Ergebnisse der Quervernetzungsexperimente mit den tatsächlichen RNA-Protein-Wechselwirkungen weitgehend übereinstimmen. Die Affinität von verschiedenen Komponenten zu einem Zielmolekül zur Bildung von nicht-kovalenten RNA-Peptid-Wechselwirkungen wurde mit Hilfe von MALDI-MS ermittelt. Die Interaktionen sind stark abhängig von der Anzahl der Arginine. / Apoptosis-modified proteins were identified by proteome analysis via 2D gel electrophoresis and mass spectrometry. First, a internet-accessible 2DE database was rendered. The identification of the proteins by peptide mass fingerprinting was improved using a second matrix. The analysis of missed tryptic cleavage sites, the formation of N-terminal pyroglutamine and oxidation of tryptophan could improve the identification of proteins by peptide mass fingerprinting. Apoptosis was induced via the Fas-receptor signaling pathway or by means of DNA damage by cis-platin. The total lysate and the compartments of Jurkat T cells were analyzed by proteome analysis. High similarities between both processes were observed. 95 apoptosis-modified proteins were identified, 78 of these were until now unknown to be involved in apoptosis. Noticeable, 40% of the proteins include a RNA-binding motif and 21 oncogene or oncogene-interacting proteins were identified. A proteolytic cleavage could be predicted for 39 proteins. Some information was received about the putative translocation of the proteins. Three caspase-3 cleavage sites were shown for the protein p54nrb with the incorporation of mutations. Furthermore, the caspase-3 cleavage was dependent on the occurrence of RNA. Mitochondrial ribosomal proteins of human, mouse and rat were determined by screening of EST-databases with partial amino acid sequences from bovine. The conservation of sequences of mammalian proteins of the mitochondrial ribosomal proteins was less than for known cytosolic ribosomal proteins. Furthermore, different results were obtained considering mitochondrial signal sequences. RNA-protein interaction within the ribosome were determined on single amino acids and nucleotides, respectively, after cross-linking. These data were used to improve models of the ribosome. The in the meantime obtained 3D-structures of the ribosome showed high consistency with the revealed RNA-protein interaction sites after cross-linking. The affinity of different components to a target molecule to form RNA-peptide interactions was determined by MALDI-MS. The interactions were strongly dependent on the number of arginines.

Zusammenfassung Thema dieser Arbeit sind zwei zentrale biochemische Aspekte der Proteinbiosynthese , wobei das Ribosom eine zentrale Komponente darstellt: erstens wird ein spezieller Faktor des Elongationszyklus in Pilzen, eEF3, und zweitens der proteinleitende Kanal bei der kotranslationalen Proteintranslokation durch die Membran des endoplasmatischen Retikulums (ER) betrachtet. Für die Elongation der Polypeptidkette benötigen alle Organismen zwei Elongationsfaktoren, die GTPasen eEF1A (EF-Tu in Prokaryoten) und eEF2 (EF-G in Prokaryoten). Bei Fungi wird noch ein dritter Elongationsfaktor, eEF3, benötigt. Dieser Faktor ist eine ATPase mit ABC-Kassetten-Domänen. Durch einen nicht bekannten Mechamismus stimuliert er in Gegenwart von ATP die eEF1A-abhängige Bindung von Aminoacyl-tRNA an die ribosomale A-Stelle. Es wurde vorgeschlagen, dass eEF3 die Freisetzung von deacylierter tRNA aus der ribosomalen E-Stelle ermöglicht, und dadurch über allosterische Kopplung die Affinität der A-Stelle für Aminoacyl-tRNA erhöht. In dieser Arbeit wird die Kryo-EM Struktur von ribosomengebundenem eEF3 bei 13,3 Å vorgestellt. Dabei zeigt sich eine vollig neue ribosomale Bindungsstelle für eEF3 von der aus tatsächlich die Affinität für tRNA in der ribosomalen E-Stelle moduliert werden kann. Mit Hilfe der Kristallstruktur von eEF3 wurde ein molekulares Modell für eEF3 in seiner funktionalen Konformation generiert, welches die strukturelle Basis für die Aktivität dieses ABC-Proteins im Kontext der Translation liefert. Bei der kotranslationalen Translokation stellt der heterotrimere Sec61-Komplex einen signalsequenzgesteuerten proteinleitenden Kanal (PCC) dar, der die Translokation eines sekretorischen Proteins durch, oder die Integration von Membranproteinen in die ER-Membran erlaubt. Es wird angenommen, dass der aktive proteinleitende Kanal im ribosomengebundenen Zustand aus einer oligomeren Struktur mit mehreren Kopien des Sec61-Heterotrimers besteht. Die Kristallstruktur eines inaktiven PCC zeigt jedoch nur ein einziges Heterotrimer (Monomer), das auch im aktiven Zustand funktional sein könnte. In dieser Arbeit wird eine Kryo-EM-Struktur des aktiven proteinleitenden Kanals im Komplex mit einem translatierenden Ribosom aus Hefe präsentiert, die die bislang detailierteste Elektronendichtekarte für den PCC zeigt. Als charakteristisches Merkmal kann eine trichterförmige Pore auf der zytosolischen Seite visualisiert werden. Es wurden verschiedene molekulare Modelle für den aktiven Zustand in die Elektronendichte gedockt. Obwohl eine genaue molekulare Interpretation durch die Auflösung (12,3 Å) nach wie vor limitiert ist, erscheint es sehr wahrscheinlich, dass nur ein einziges, geöffnetes Sec61-Heterotrimer im aktiven Kanal vorliegt. / This work presents cryo-EM structures of two active ribosomal ligands in yeast, namely eEF3 and Sec61. Protein synthesis requires two canonical elongation factors in all kingdoms. These are the GTPases eEF1A (EF-Tu in prokaryotes) and eEF2 (EF-G in prokayotes). In fungi, a third elongation factor eEF3 is required, which belongs to the ATP-binding cassette- (ABC-) protein family. This factor is essential for the binding of the aminoacyl-tRNA-eEF1A-GTP ternary complex to the A site of the ribosome and has been suggested to do so by facilitating the clearance of deacyl-tRNA from the ribosomal E-site. The cryo-EM structure of the ATP-bound form of eEF3 in complex with an 80S ribosome shows that eEF3 binds the ribosome in the post-translocational conformation using a novel binding site. From there the affinity for tRNA in the ribosomal E site could be easily modified. Using the crystal structure of eEF3, a molecular model for eEF3 was generated, which provides the structural basis for the activity of an ABC protein in the context of translation. In co-translational translocation the trimeric Sec61-complex serves as a signal sequence-gated protein-conducting channel (PCC) which allows the translocation of a secetory protein through and the integration of a membrane protein into the lipid bilayer of the ER. Bound to a ribosome, the active PCC seems to have an oligomeric structure consisting of several copies of Sec61-trimers. The crystal structure of an inactive PCC, however, shows only a single heterotrimer (monomer) which could also be functional in the active state. The cryo-EM structure of the active PCC in complex with a translating ribosome shows the hitherto most detailed electron density map for the PCC. The most characteristic feature is a funnel-shaped off-centered pore at the cytosolic side. Several models for the active state were docked into the EM-density. Although a precise molecular interpretation is limited by the resolution (12, 3 Å), a single copy of an opened Sec61-heterotrimer seems to be the most reasonable fit for the density.

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