The interferon-inducible Mx proteins are key mediators of innate immunity against life-threatening pathogens such as influenza viruses. It belongs to the dynamin superfamily of large GTPases which are known to have an essential role in membrane remodeling activities in cells. It has been proposed that the middle domain (MD) and GTPase effector domain (GED) of dynamin-like GTPases constitute a stalk which mediates oligomerization and transmits conformational changes from the guaninenucleotide- binding (G) domain to the target structure, but the molecular architecture of this stalk was not known. Therefore, the functional mechanism of Mx proteins as well as the whole dynamin superfamily remains an open question. The aim of my PhD project was the structure characterization of MxA protein and to contribute to the understanding of the mechanism of Mx proteins and dynamin superfamily by structure-based functional studies. In this thesis, the crystal structure of the stalk of human MxA (hsMxA) is reported. It folds into a four-helical bundle and tightly oligomerizes in the crystal in a criss-cross pattern involving three distinct interfaces and one loop. Mutations in each of these interaction sites interfered with native assembly, oligomerization, membrane binding and antiviral activity of hsMxA. Based on these results, structural models were proposed for oligomerization and stimulated GTP hydrolysis of Mx protein and dynamins that are consistent with previous structural predictions and have functional implications for all members of the dynamin family. Accompanying the stalk structure is a crystal structure of full-length hsMxA in the nucleotide-free form which shows a three-domain architecture composed of the G domain, the stalk and the bundle signaling element (BSE). The full- length hsMxA oligomerizes in the crystal as the isolated stalk. The studies on the interactions between different domains elicit a hypothesis of the functional mechanism of Mx proteins and the dynamin superfamily.
Das Interferon-induzierte MxA Protein ist ein zentraler Vermittler der angeborenen Immunität gegen gefährliche Pathogene, wie z.B. Influenzaviren. MxA gehört der Superfamilie der Dynamin GTPasen an, die eine essentielle Rolle in der Umformung von Membranen in der Zelle ausüben. Es wurde postuliert, dass die Mitteldomäne (MD) und die GTPase-Effektordomäne (GED) von dynamin- verwandten GTPasen einen Stiel ausbilden, der Oligomerisierung vermittelt und konformationelle Änderungen von der guaninbindenden (G-) Domäne auf die Zielstrukturen überträgt, aber der molekulare Aufbau des Stiels war nicht bekannt. Dadurch blieb der molekulare Mechanismus von MxA wie auch der gesamten Dynamin-Superfamilie unaufgeklärt. Das Ziel meiner Arbeit war die strukturelle Charakterisierung des MxA Proteins und die Aufklärung des Mechanismus von MxA durch strukturbasierte funktionelle Studien. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Kristallstruktur des Stiels vom humanem MxA gelöst. Der Stiel hat eine Vier-Helix-Bündel Faltung und oligomerisiert im Kristall in einem Zigzag-Muster über drei separate Interaktionsflächen und eine Schleifenregion. Mutationen in diesen Interaktionsflächen beeinträchtigen die native Anordung in ein Tetramer, die Oligomerisierung, Membranbindung und die antivirale Aktivität von MxA. Basierend auf diesen Ergebnissen wurden strukturelle Modelle für Oligomerisierung und stimulierte GTP-Hydrolyse von MxA und Dynaminproteinen entwickelt, die mit vorherigen strukturellen Voraussagen über-einstimmen und funktionelle Bedeutung für alle Mitglieder der Dynamin Familie haben. Ausgehend von dieser Struktur wurde auch die Kristallstruktur des Voll- Länge MxA in der nukleotidfreien Form gelöst. Diese Struktur besteht aus drei Domänen, der G- domäne, dem Stiel und dem Bündelsignal-Element (BSE). Voll-Länge MxA oligomerisierte im Kristall über dieselben Interaktionsflächen wie der isolierte Stiel. Interaktionsstudien zwischen den einzelnen Domänen führten zu einem Modell des Mechanismus von Mx- Proteinen und der Dynaminsuperfamilie.
