Kohlenhydrate stellen aufgrund der strukturellen Vielfalt und ihrer oft exponierten Lage auf Zelloberflächen wichtige Erkennungsstrukturen dar. Die Wechselwirkungen von Proteinen mit diesen Kohlenhydraten vermitteln einen spezifischen Informationsaustausch. Protein-Kohlenhydrat-Interaktionen und ihre Triebkräfte sind bislang nur teilweise verstanden, da nur wenig strukturelle Daten von Proteinen im Komplex mit vorwiegend kleinen Kohlenhydraten erhältlich sind. Mit der vorliegenden Promotionsarbeit soll ein Beitrag zum Verständnis von Protein-Kohlenhydrat-Wechselwirkungen durch Analysen struktureller Thermodynamik geleistet werden, um zukünftig Vorhersagen mit zuverlässigen Algorithmen zu erlauben. Als Modellsystem zur Erkennung komplexer Kohlenhydrate diente dabei das Tailspike Protein (TSP) aus dem Bakteriophagen HK620. Dieser Phage erkennt spezifisch seinen E. coli-Wirt anhand der Oberflächenzucker, der sogenannten O-Antigene. Dabei binden die TSP des Phagen das O-Antigen des Lipopolysaccharids (LPS) und weisen zudem eine hydrolytische Aktivität gegenüber dem Polysaccharid (PS) auf. Anhand von isolierten Oligosacchariden des Antigens (Typ O18A1) wurde die Bindung an HK620TSP und verschiedener Varianten davon systematisch analysiert. Die Bindung der komplexen Kohlenhydrate durch HK620TSP zeichnet sich durch große Interaktionsflächen aus. Durch einzelne Aminosäureaustausche im aktiven Zentrum wurden Varianten generiert, die eine tausendfach erhöhte Affinität (KD ~ 100 nM) im Vergleich zum Wildtyp-Protein (KD ~ 130 μM) aufweisen. Dabei zeichnet sich das System dadurch aus, dass die Bindung bei Raumtemperatur nicht nur enthalpisch, sondern auch entropisch getrieben wird. Ursache für den günstigen Entropiebeitrag ist die große Anzahl an Wassermolekülen, die bei der Bindung des Hexasaccharids verdrängt werden. Röntgenstrukturanalysen zeigten für alle TSP-Komplexe außer für Variante D339N unabhängig von der Hexasaccharid-Affinität analoge Protein- und Kohlenhydrat-Konformationen. Dabei kann die Bindestelle in zwei Regionen unterteilt werden: Zum einen befindet sich am reduzierenden Ende eine hydrophobe Tasche mit geringen Beiträgen zur Affinitätsgenerierung. Der Zugang zu dieser Tasche kann ohne große Affinitätseinbuße durch einen einzelnen Aminosäureaustausch (D339N) blockiert werden. In der zweiten Region kann durch den Austausch eines Glutamats durch ein Glutamin (E372Q) eine Bindestelle für ein zusätzliches Wassermolekül generiert werden. Die Rotation einiger Aminosäuren bei Kohlenhydratbindung führt zur Desolvatisierung und zur Ausbildung von zusätzlichen Wasserstoffbrücken, wodurch ein starker Affinitätsgewinn erzielt wird.
HK620TSP ist nicht nur spezifisch für das O18A1-Antigen, sondern erkennt zudem das um eine Glucose verkürzte Oligosaccharid des Typs O18A und hydrolysiert polymere Strukturen davon. Studien zur Bindung von O18A-Pentasaccharid zeigten, dass sich die Triebkräfte der Bindung im Vergleich zu dem zuvor beschriebenen O18A1-Hexasaccharid verschoben haben. Durch Fehlen der Seitenkettenglucose ist die Bindung im Vergleich zu dem O18A1-Hexasaccharid weniger stark entropisch getrieben (Δ(-TΔS) ~ 10 kJ/mol), während der Enthalpiebeitrag zu der Bindung günstiger ist (ΔΔH ~ -10 kJ/mol). Insgesamt gleichen sich diese Effekte aus, wodurch sehr ähnliche Affinitäten der TSP-Varianten zu O18A1-Hexasaccharid und O18A-Pentasaccharid gemessen wurden. Durch die Bindung der Glucose werden aus einer hydrophoben Tasche vier Wassermoleküle verdrängt, was entropisch stark begünstigt ist. Unter enthalpischen Aspekten ist dies ebenso wie einige Kontakte zwischen der Glucose und einigen Resten in der Tasche eher ungünstig. Die Bindung der Glucose in die hydrophobe Tasche an HK620TSP trägt somit nicht zur Affinitätsgenerierung bei und es bleibt zu vermuten, dass sich das O18A1-Antigen-bindende HK620TSP aus einem O18A-Antigen-bindenden TSP evolutionär herleitet.
In dem dritten Teilprojekt der Dissertation wurde der Infektionsmechanismus des Phagen HK620 untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass analog zu dem verwandten Phagen P22 die Ejektion der DNA aus HK620 allein durch das Lipopolysaccharid (LPS) des Wirts in vitro induziert werden kann. Die Morphologie und Kettenlänge des LPS sowie die Aktivität von HK620TSP gegenüber dem LPS erwiesen sich dabei als essentiell. So konnte die DNA-Ejektion in vitro auch durch LPS aus Bakterien der Serogruppe O18A induziert werden, welches ebenfalls von dem TSP des Phagen gebunden und hydrolysiert wird. Diese Ergebnisse betonen die Rolle von TSP für die Erkennung der LPS-Rezeptoren als wichtigen Schritt für die Infektion durch die Podoviren HK620 und P22. / Carbohydrates are important for recognition events because of their diverse structure and their exposition on cell surfaces. Interactions between proteins and carbohydrates mediate a specific exchange of information crucial for manifold biological functions. The energetics of protein-carbohydrate-interactions are not very well understood so far due to the lack of structural data of proteins in complex with extensive oligosaccharides consisting of more than two building blocks.
This dissertation improves the understanding of how proteins recognize complex carbohydrates by analysis of structural thermodynamics, which might lead to reliable algorithms for predictions of protein-carbohydrate-interactions. As model system for this work the tailspike protein (TSP) from coliphage HK620 was used. This phage recognizes specifically the surface O-antigen of its E. coli host by its TSP. HK620TSP does not only bind the O-antigen of host lipopolysaccharide (LPS), but also cleaves the polysaccharide (PS) by its endo-N-acetylglusaminidase activity. HK620TSP binds hexasaccharide fragments of this PS with low affinity (KD ~ 130 μM). However, single amino acid exchanges generated a set of high-affinity mutants with submicromolar dissociation constants (KD ~ 100 nM). Strikingly, at room temperature association is driven by enthalpic and entropic contributions emphasizing major solvent rearrangements upon complex formation. Regardless of their affinity towards hexasaccharide the TSP complexes showed only minor conformational differences in crystal structure analysis accept of mutant D339N. The extended sugar binding site can be subdivided into two regions: Firstly, there is a hydrophobic pocket at the reducing end with minor affinity contributions. Surprisingly, access to this site is blocked by a single exchange of aspartate to asparagine (D339N) without major loss in hexasaccharide affinity. Secondly, there is a region where specific exchange of glutamate for glutamine (E372Q) creates a site for an additional water molecule. Upon sugar binding side chain rearrangements lead to displacement of this water molecule and additional hydrogen bonding. Thereby this region of the binding site is defined as the high affinity scaffold.
HK620TSP is not only specific for the O18A1-antigen, but also the lacking of the branching glucose in the O18A1-antigen can be tolerated so that the accordant O18A PS can be bound and cleaved by HK620TSP as well. Surprisingly, in binding studies with the smallest O-antigen units of these PS the O18A pentasaccharide was bound by TSP variants with nearly the same affinity or even a slightly increased one compared to the O18A1 hexasaccharide. However, there is a change in thermodynamic contributions to binding: the lack of the glucose moiety leads to a less entropically favored binding compared to binding of O18A1-hexasaccharide (Δ (-TΔS) ~ 10 kJ/mol). In contrast the enthalpic contribution to the binding is more favorable (ΔΔH ~ -10 kJ/mol) for the binding of O18A pentasaccharide. The side-chain glucose contributes to entropy by the release of four water molecules out of a hydrophobic pocket. The binding of this branching glucose is paid by an enthalpic penalty because of the breakup of hydrogen bonding of displaced water molecules and destabilizing contacts between sugar and protein in this hydrophobic pocket. Therefore the binding of the glucose in this pocket does not account for generating affinity and an evolutionary relation of HK620TSP to an O18A-antigen binding protein is presumed.
Finally, the infection mechanism of phage HK620 was studied as well. In analogy to the related phage P22 the DNA-ejection could be triggered by incubation of HK620 with the host LPS in vitro. The morphology and chain length of the LPS as well as the activity of HK620TSP towards the LPS are crucial for this in vitro DNA-ejection. Thus, the DNA-ejection could also be induced by LPS from bacteria of serogroup O18A which can be bound and hydrolyzed by HK620TSP. These results stress the role of TSP for the recognition of host LPS-receptors as a crucial step of infection by podoviruses P22 and HK620.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:Potsdam/oai:kobv.de-opus-ubp:6036 |
| Date | January 2012 |
| Creators | Bröker, Nina Kristin |
| Publisher | Universität Potsdam, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät. Institut für Biochemie und Biologie |
| Source Sets | Potsdam University |
| Language | German |
| Detected Language | English |
| Type | Text.Thesis.Doctoral |
| Format | application/pdf |
| Rights | http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/de/ |
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