Structural insights into the activation mechanism of antimicrobial GBP1

Abstract

The dynamin-related human guanylate-binding protein 1 (GBP1) mediates host defenses against microbial pathogens. Upon GTP binding and hydrolysis, auto-inhibited GBP1 monomers dimerize and assemble into soluble and membrane-bound oligomers, which are crucial for innate immune responses. How higher-order GBP1 oligomers are built from dimers, and how assembly is coordinated with nucleotide-dependent conformational changes, has remained elusive. In this thesis, medium-resolution cryo-electron microscopy-based structural data of soluble and membrane-bound GBP1 oligomers show that GBP1 assembles in an outstretched dimeric conformation, both on the surface of a simple membrane model system and within disk-like soluble oligomers composed of 30 subunits. In both oligomeric states, the surface-exposed helix a4’ of the large GTPase domain has been identified to contribute to the lateral oligomerization interface. By re-analyzing and probing nucleotide- and dimerization-dependent movements of the large GTPase domain, a coordinated movement of helix a4’ and a3 was shown to mediate nucleotide hydrolysis and facilitate GBP1 oligomerization and formation of an antimicrobial protein coat on a gram-negative bacterial pathogen. Results of this thesis reveal a sophisticated activation mechanism for GBP1, in which nucleotide-dependent structural changes coordinate dimerization, oligomerization, and membrane binding to allow encapsulation of pathogens within an antimicrobial protein coat.

Das Dynamin-verwandte humane Guanylat-bindende Protein 1 (GBP1) vermittelt Wirtsabwehr gegen mikrobielle Pathogene. Nach der Bindung und Hydrolyse von GTP dimerisieren autoinhibierte GBP1-Monomere und bilden lösliche und membrangebundene Oligomere, die für die angeborene Immunantwort entscheidend sind. Es ist jedoch unklar, wie höher geordnete GBP1-Oligomere aus Dimeren aufgebaut werden und wie die Assemblierung mit nukleotidabhängigen konformationellen Änderungen koordiniert wird. In dieser Arbeit zeigen strukturelle Daten von löslichen und membrangebundenen GBP1-Oligomeren, die auf mittlerer Auflösung basieren, dass GBP1 in einer ausgestreckten dimeren Konformation sowohl auf der Oberfläche eines einfachen Membranmodells als auch innerhalb von scheibenförmigen löslichen Oligomeren aus 30 Untereinheiten zusammengebaut wird. In beiden oligomeren Zuständen wurde festgestellt, dass die oberflächenexponierte Helix a4' der großen GTPase-Domäne zur lateralen Oligomerisierungsschnittstelle beiträgt. Durch erneute Analyse und Untersuchung nukleotid- und dimerisierungsabhängiger Bewegungen der großen GTPase-Domäne konnte eine koordinierte Bewegung von Helix a4' und a3 aufgezeigt werden. Diese vermittelt Nukleotidhydrolyse und ermöglicht Oligomerisierung von GBP1 und Bildung einer antimikrobiellen Proteinhülle auf einem gramnegativen bakteriellen Pathogen. Die Ergebnisse dieser Arbeit enthüllen einen ausgeklügelten Aktivierungsmechanismus für GBP1, bei dem nukleotidabhängige strukturelle Veränderungen die Dimerisierung, Oligomerisierung und Membranbindung koordinieren, um ein Einkapseln von Pathogenen in einer antimikrobiellen Proteinhülle zu ermöglichen.