Spider silk is a biomaterial of extraordinary toughness paired with elasticity. The assembly of silk proteins, so-called spidroins (from “spider” and “fibroin”), generates the silk threads we typically see in our garden or the corners of our houses. Although spider webs from different species vary considerably in geometry and size, many sections of spidroin sequences are conserved. Highly conserved regions, found in all spidroins, relate to the terminal domains of the protein, i.e., the N-terminal (NTD) and C-terminal domains (CTD). Both have an essential function in the silk fibre association and polymerisation.
The NTD is a 14 kDa five-helix bundle, which self-associates via a pH-driven mechanism. This process is critical for starting the polymerisation of the fibre. However, detailed insights into how conserved this mechanism is in different species and the quantitative thermodynamic comparison between homologous NTDs was missing. For this reason, four homologous NTDs of the major ampullate gland (MaSp) from spider species Euprosthenops australis, Nephila clavipes, Latrodectus hesperus, and Latrodectus geometricus were investigated. I analysed and quantified equilibrium thermodynamics, kinetics of folding, and self-association. Methods involved dynamic light scattering (MALS), stopped-flow fluorescence and circular dichroism spectroscopy in combination with thermal and chemical denaturation experiments. The results showed conserved, cooperative two-state folding on a sub-millisecond time scale. All homologous NTDs showed a similarly fast association in the order of 10^9 M^−1 s^−1, while the resulting equilibrium dissociation constants were in the low nanomolar range. Electrostatic forces were found to be of great importance for protein association. Monomeric protein stability increased with salt concentration while enhancing its folding speed. However, due to Debye-Hückel effects, we found intermolecular electrostatics to be shielded, which reduced the NTDs association capacity significantly at high ionic strength. Altogether, the energetics and kinetics of the NTD dimerisation was conserved for all analysed homologs.
Comparable to the NTD, the spider silks CTD is also a α-helix bundle, which covalently links two spidroins. The orientation of the domains predetermines the future fibre geometry. Here again, the detailed quantitative characterisation of the folding and dimerisation was missing. Therefore, the CTD from the E. australis was analysed in-depth. The protein folded via a three-state mechanism and was placed in the family of knotted proteins.
By analysing the amino acid composition of the NTD of the MaSp1 of the Euprosthenops australis, we found an unusually high content of methionine residues (Met). To elucidate why this protein exhibits so many Met residues, I mutated all core Mets simultaneously to leucine (Leu). Results revealed a dramatically stabilised NTD, which now folded 50 times faster. After solving the tertiary structure of the mutant by NMR (nuclear magnetic resonance) spectroscopy, the structure of the monomeric mutant was found to be identical with the wild-type protein. However, when probing the dimerisation of the NTD, I could show that the association capacity was substantially impaired for the mutant. Our findings lead to the conclusion that Met provides the NTD with enhanced conformational dynamics and thus mobilises the protein, which results in tightly associated dimers. In additional experiments, I first re-introduced new Met residues into the Met-depleted protein at sequence positions containing native Leu. Hence, the mutated NTD protein was provided with the same number of Leu, which were previously removed by mutation. However, the protein did not regain wild-type characteristics. The functionality was not restored, but its stability was decreased as expected. To probe our hypothesis gained from the MaSp NTD, I transferred the experiment to another protein, namely the Hsp90 chaperone. Therefore, I incorporated methionine residues in the protein, which resulted in a slight improvement of its function.
Finally, trial experiments were performed aiming at the synthesis of shortened spidroin constructs containing less repetitive middle-segments than the wild-type protein. The objective was to study the findings of the terminal domains in the context of an intact spidroin. The synthesis of these engineered spidroins was challenging. Nevertheless, preliminary results encourage the assumption that the characteristics observed in the isolated domains hold true in the context of a full-length spidroin. / Spinnenseide ist ein Biomaterial mit außergewöhnlicher Widerstandsfähigkeit welche gepaart ist mit Elastizität. Das Zusammenfügen von Seidenproteinen aus so ge-nannten Spidroinen (ein Kunstwort aus „Spinne“ und „Fibroin“) erzeugt die Seiden-fäden, die wir typischerweise in unseren Gärten oder in den Ecken unserer Häuser finden. Obwohl Spinnennetze von verschiedenen Spinnenarten in Geometrie und Größe stark variieren, sind große Teile der Spidroin-Sequenzen konserviert. Stark konservierte Bereiche, die in allen Spidroinen vorkommen, sind die endständigen Bereiche des Proteins, die N-terminale (NTD) und C-terminale Domäne (CTD) ge-nannt werden. Beide haben wichtige Funktionen in der Assoziation der Proteine im Spinnkanal und deren Polymerisation zur Ausbildung des Seidenfadens.
Die NTD ist ein kleines 14 kDa Protein, bestehend aus einem Bündel aus fünf Helices, dessen Selbstorganisation pH-abhängig ist. Dieser Prozess leitet die Poly-merisation der Faser ein. Allerdings fehlten bis heute Informationen darüber, ob dieser Mechanismus bei homologen Domänen aus verschiedenen Spinnenarten konser¬viert ist, da kaum quantitative biophysikalische Daten vorhanden sind. Aus diesem Grund wurden vier homologe NTDs der Spinnenarten Euprosthenops australis, Nephila clavipes, Latrodectus hesperus und Latrodectus geometricus vergleichend untersucht und deren Gleichgewichts-Thermodynamik, die Kinetik der Faltung und die Selbstassoziation quantitativ analysiert. Dazu wurden Methoden wie dynamische Mehrwinkel-Lichtstreuung (MALS), Stopped-Flow Fluoreszenz-spektroskopie und Zirkulardichroismus in Kombination mit thermischen und chemischen Denaturierungs¬experimenten angewandt. Die Ergebnisse lieferten die Erkenntnis einer kooperativen Zwei-Zustands-Faltung, die auf einer Zeitskala von weniger als einer Millisekunde stattfand. Alle homologen NTDs zeigten eine schnelle Assoziationsratenkonstante in der Größenordnung von 10^9 M^-1 s^-1, während die Gleichgewichts-Dissoziationskonstante für alle Homologe im nied¬rigen nano-molaren Bereich lag. Die Proteinassoziation wurde durch elektrostatische Kräfte gesteuert, wobei hohe Salzkonzentrationen die Stabilität des monomeren Proteins und dessen Faltungsgeschwindigkeit erhöhten. Die Assoziation zweier Domänen wurde jedoch durch Abschirmung intermolekularer elektrostatischer Kräfte, dem Debye-Hückel-Gesetz zufolge, reduziert. Die Energetik und Kinetik der NTD-Dimerisierung aller untersuchten Homologen erwies sich konserviert.
Ebenso wie die NTD, ist auch die CTD der Spinnenseide ein α-helikales Bündel, welche jedoch zwei Spidroine kovalent miteinander verbindet. Die Orientierung der verknüpften Domäne bestimmt bereits die zukünftige Faserstruktur. Ähnlich wie bei der NTD, waren Faltung und Dimerisierung der CTD bisher nicht im Detail be-schrieben. Durch eine detaillierte Analyse der CTD der E. australis konnte gezeigt werden, dass das Protein sich in einem dreistufigen Mechanismus faltet und außerdem der Familie der geknoteten Proteine angehört.
Bei genauerer Betrachtung der Aminosäurezusammensetzung der E. australis NTD konnte ein ungewöhnlich hoher Anteil der Aminosäure Methionin (Met) festge¬stellt werden. Um diesen überraschenden Sachverhalt zu verstehen, habe ich alle im Kern liegenden Met zu Leucin (Leu) mutiert. Die Ergebnisse zeigten eine extrem stabilisierte NTD, welche sich nun 50-fach schneller faltete. Die Protein¬struktur der Mutante wurde in Lösung mittels NMR Spektroskopie ermittelt. Das Ergebnis lieferte deckungsgleiche Strukturen von Mutante und Wildtyp im monomeren Zustand. Allerdings zeigten NTD Dimerisierungs-Versuche, dass die Assoziations-fähigkeit der Mutante erheblich beeinträchtigt war. Untersuchungen der nativen Dynamik mittels NMR und Fluoreszenzkorrelationsspektroskopie zeigten, dass Met diese entscheidend verstärkt, was zu einem eng assoziierten Dimer führte. Im Versuch die Dynamik wieder künstlich herzustellen, habe ich neue Met in die Mutante eingeführt, auf Sequenzpositionen welche natürlicherweise Leu aufweisen. Somit wurde die ursprüngliche Anzahl an Met in der NTD wiederher¬gestellt, jedoch an anderen Positionen. Obwohl das Protein wie erwartet an Stabilität verlor, konnte dessen Funktionalität nicht wiederhergestellt werden. Um unsere Erkenntnisse auf andere Proteine zu übertragen, wurden Met Reste künstlich in ein Hsp90 Protein eingeführt. Es konnte eine leicht verbesserte Funktionalität des Proteins beobachtet werden.
Schließlich wurde versucht, die für die CTD und NTD gewonnen Erkenntnisse auf intakte, jedoch verkürzte Spidroine zu übertragen. Dazu wurden Spidroine mit weniger repetitiven Mittelsegmenten mittels rekombinanten Methoden hergestellt. Die Synthese dieser Spidroine erwies sich als Herausforderung. Allerdings zeigten die vorläufigen Ergebnisse, dass eine Verallgemeinerung der Erkenntnisse der isolierten Domänen auf das Volllängen-Spidroin möglich ist.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:uni-wuerzburg.de/oai:opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de:19345 |
| Date | January 2021 |
| Creators | Heiby, Julia |
| Source Sets | University of Würzburg |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | doctoralthesis, doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Rights | https://opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/doku/lic_ohne_pod.php, info:eu-repo/semantics/openAccess |
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