The crystal structure of MjRelBE protein complex from Methanococcus jannaschii

Abstract

In the last decades a number of plasmid stabilization systems were discovered. Although difficult to study because they exhibit high toxicity to host cells, their function became clear after the toxin – antitoxin interplay was elucidated. They play an important part in stable maintenance and inheritance of plasmids and, as their function was now clear, only new members of similar traits were expected to be discovered. As the number of sequenced genomes grew, the number of putative chromosomally encoded TA systems rouse quickly. These new members of the TA superfamilies shared the common features of the already known TA systems. They were comprised of a toxin that is counteracted by tight binding of an upstream encoded antitoxin. These two proteins form a stable non-toxic toxin – antitoxin complex but the antitoxin is susceptible to protease degradation. If the antitoxin pool is not replenished the toxin is free to act upon its target, poisoning the cell and leading to cell stasis or even cell death. The delay in antitoxin production may be caused due to plasmid loss, in cases when the TA system is plasmid borne or inhibition of protein synthesis in cases of chromosomally encoded TA systems. The discovery of these chromosomally encoded TA systems was surprising as it contradicted the idea of the TA systems being the failsafe of plasmid inheritance. What was their purpose if they are not coded on the plasmid but on the chromosome? The current opinion is that these systems represent an advantage to the cell harbouring the system as they function like an emergency brake that holds the cell metabolism and redirects it to a new pathway. The advantage lies in a swift transfer to minimal protein production targeted for cell survival in stress conditions. The known TA systems share little sequence identity, even within a toxin superfamily. Although bioinformatic methods have advanced and new members of the TA system toxins are identified only on their primary sequence, the real connections between the proteins can be realized only through the determinations of their three-dimensional structures. The structure determination of the M. jannaschii MjRelBE protein complex was successful. This structure represents the bridge between the RelE superfamily members PhRelE and YoeB because it possesses the characteristics of both. It did raise the question again whether the RelE toxin really needs another component, like the ribosome, in order to be active. Comparing the endoribonucleases and the TA toxins some conclusions can be drawn. The cleft shape, the arrangement of secondary structure elements and the positioning of positively charged residues are the essential ingredients for RNA binding. This common fold between the TA systems and other endoribonucleases is associated with the substrate (RNA) and therefore wide spread. The positioning of the residues responsible for RNA cleavage differs regardless of the common fold.

Die Toxin - Antitoxin (TA) Systeme werden von Chromosomen oder Plasmiden verschiedener Bakterienstämme kodiert. Die Rolle der Toxin - Antitoxin Systeme in Apoptose- ähnlichen Prozessen bei Bakterien, sowie der Zusammenhang mit der Stressantwort auf Nährstoffmangel, ist Gegenstand aktueller Forschung. So wurden während Untersuchungen an Toxin - Antitoxin Systemen in Bakterien auch die Proteine RelE und RelB entdeckt. Das relB Gen zog zuerst die Aufmerksamkeit auf sich, da Zellen, deren relB Gen im E. coli Chromosom Fehler aufwies, ein eigentümliches Verhalten nach Nährstoff- Entzug aufwiesen. Diese Zellen verlangsamten nach einem Aminosäurenentzug ihre Proteinbiosynthese, wie es für Wild Typ Zellen zu erwarten wäre, setzten aber nach etwa 10 Minuten die Biosynthese fort. Der Proteinkomplex, der von den aufeinander folgenden Genen relB und relE kodiert wird, wurde charakterisiert und gefunden, dass das Protein RelE als Toxin und RelB als sein spezifisches Antitoxin wirken. Das RelBE System ähnelt den schon bekannten Toxin-Antitoxin Systemen (TA Systeme). Sie alle haben ähnliche Charakteristiken: a) sie bestehen aus zwei aufeinander folgenden Genen, b) das Gen-Produkt des einen ist ein langlebiges toxisches Protein und das des anderen ein kurzlebiges (Proteolyse- empfindliches) antitoxisches Protein, c) das Gen des Antitoxins liegt vor dem Gen des Toxins, d) beide Proteine werden gleichzeitig exprimiert (produziert), e) das Antitoxin wird im Überschuss zum Toxin produziert, f) das Antitoxin wird von Proteasen verdaut, h) das Operon wird entweder vom Antitoxin allein oder vom Antitoxin – Toxin Komplex autoreguliert. In dieser Arbeit wurde die Struktur des M. jannaschii MjRelBE Protein Komplexes ermittelt. Diese wies zu einem Zusammenhang mit den Endoribonucleasen, da sie eine sehr eng verwandte Faltung haben. Aus der Struktur konnte auch hergeleitet werden, weshalb die spontan entstandene Mutante MjRelE(R62S) nicht toxisch für die E. coli Zellen ist. Diese Aminosäure nimmt eine Schlüsselrolle bei der Spaltung von mRNA an und hat die gleiche Rolle in den strukturverwandten Endoribonucleasen YoeB (gehört zur RelE toxin superfamilie) und RNase Sa.