dc.contributor.author
Schwefel, David
dc.date.accessioned
2018-06-07T21:28:30Z
dc.date.available
2011-11-07T12:10:03.913Z
dc.identifier.uri
https://refubium.fu-berlin.de/handle/fub188/7961
dc.identifier.uri
http://dx.doi.org/10.17169/refubium-12160
dc.description.abstract
GTPases of Immunity-Associated Proteins (GIMAPs) are a distinctive family of
GTPases, which control apoptosis in lymphocytes and play a central role in
lymphocyte maturation and lymphocyte-associated diseases. To explore their
function and mechanism, we determined crystal structures of several GIMAP
family members in different nucleotide-loading and oligomerization states.
Nucleotide-free and GDP-bound GIMAP2 were monomeric and revealed a guanine
nucleotide binding domain (G domain) of the TRAFAC (Translation Factor
associated) GTPase superclass with a unique amphipathic helix alpha 7 packing
against the switch II region of the G domain. In the absence of alpha 7 and
presence of GTP, GIMAP2 oligomerized via two distinct interfaces in the
crystal. GTP-induced stabilization of switch I mediates dimerization across
the nucleotide binding site which also involves the GIMAP conserved box, which
is a sequence stretch downstream of the G3 motif, and the nucleotide base.
Structural rearrangements in switch II appear to induce the release of alpha 7
allowing oligomerization to proceed via a second interface. The unique
architecture of the linear oligomer was confirmed by mutagenesis. Furthermore,
we showed a function for the GIMAP2 oligomer at the surface of lipid droplets.
The structure of the GDP-bound GIMAP5 monomer was very similar to GDP-bound
GIMAP2, suggesting the conservation of the fold within the GIMAPs. The protein
was shown to partially co-localize with the lysosomal compartment in a T cell
line. In the crystal structure of GMPPNP-bound GIMAP7, a dimeric arrangement
of the protein was observed. The dimer interface proved to be identical to one
of the GIMAP2 oligomerization interfaces. We termed this binding interface
G-interface, since it involves the guanine-nucleotide binding site and the
bound nucleotide. Using site-directed mutagenesis, we identified a conserved
arginine residue within the G-interface, which stimulates the GTPase reaction
in the opposing protomer within the GIMAP7 dimer. In GIMAP2, the corresponding
arginine plays a structural role in the dimerization process and is not
involved in catalysis, since GIMAP2 does not show any GTP-hydrolytic activity.
While earlier studies indicated that GIMAPs are related to the septins, the
current structure also revealed a strikingly similar nucleotide coordination
and dimerization mode as in the dynamin GTPase. Based on this, we re-examined
the relationships of the septin- and dynamin-like GTPases and demonstrate that
these are likely to have emerged from a common membrane-associated dimerizing
ancestor. This ancestral property appears to be critical for the role of
GIMAPs as nucleotide-regulated scaffolds on intracellular membranes.
de
dc.description.abstract
GTPasen der immun-assoziierten Proteine (GIMAPs) sind eine spezielle GTPase-
Familie, die Apoptosevorgänge in Lymphozyten kontrollieren und eine zentrale
Rolle in der Lymphozytenentwicklung und in Lymphozyten-Erkrankungen spielen.
Um ihre Funktion und ihre Mechanismen zu verstehen, wurden mehrere GIMAP-
Kristallstrukturen gelöst, in verschiedenen Nukleotidbeladungs- und
Oligomerisierungsstadien. Nukleotidfreies, monomeres GIMAP2 besteht aus einer
Guaninnukleotidbindedomäne (G-Domäne) der translationsfaktor-assoziierten
(TRAFAC) Klasse und einer amphipatischen Helix alpha 7, die gegen die switch
II Region der G-Domäne faltet. Ohne diese Helix alpha 7 und in GTP-gebundenem
Zustand oligomerisiert GIMAP2 über zwei verschiedende Kontaktflächen. GTP-
induzierte Stabilisierung der switch I Region ermöglicht die GTP-spezifische
Dimerisierung über die GTP-Bindestelle, wobei auch die GIMAP-spezifische
konservierte Box beteiligt ist, ein Sequenzabschnitt direkt nach dem G3-Motiv.
Die Nukleotidbase selbst spielt auch eine Rolle in der Dimerisierung. GTP-
induzierte Strukturänderungen in der switch II Region könnten zur Ablösung von
alpha 7 führen und eine weitere Oligomerisierung über eine zweite
Kontaktfläche hervorrufen. Die Architektur des Oligomers wurde durch
Mutagenese einzelner Aminosäuren und weiterfürende Studien bestätigt.
Weiterhin konnten wir in einer T-Zellline die Lokalisierung von GIMAP2 an der
Hülle von intrazellulären Lipidtröpfchen zeigen. Die Struktur des GDP-
gebundenen, monomeren GIMAP5-Proteins erwies sich der Struktur des GDP-
gebundenen GIMAP2 als sehr ähnlich, daher könnte die festgestellte Faltung
stellvertretend für die ganze Proteinfamilie gelten. In einer T-Zelllinie
wurde eine teilweise Kolokalisierung des Proteins mit Lysosomen festgestellt.
In der Kristallstruktur von GMP-PNP-gebundenem GIMAP7 lag das Protein als
Dimer vor. Die Dimer-Kontaktfläche ist äquivalent zu der, die in GTP-
gebundenem GIMAP2 beobachtet wurde. Durch Mutagenesestudien konnte ein
konservierter Arginin-Aminosäurerest identifiziert werden, der die GTP
Hydrolyse im gegenüberliegenden Protomer des GIMAP7 Dimers stimuliert. Der
entsprechende Argininrest im GTP-abhängigen GIMAP2 Dimer ist hingegen nur ein
struktureller Rest, der an der Dimerisierung beteiligt ist. GIMAP2 besitzt
auch keinerlei GTP-Hydrolyseaktivität. Frühere Studien zeigten, dass die
GIMAP-Familie mit den Septin-Proteinen verwandt ist. Der GTP-abhängige Dimer,
der in dieser Arbeit gefunden wurde, zeigt jedoch einen Dimerisierungsmodus,
der auch im Dynamin G-Domänendimer vorliegt, dessen Struktur kürzlich
ermittelt wurde. Unter diesem Gesichtspunkt wurden die phylogenetischen
Beziehungen zwischen Septin- und Dynamin-ähnlichen GTPasen erneut untersucht,
und es wurde gezeigt, dass diese einen gemeinsamen dimeren membran-
assoziierten Vorfahren besitzen. Diese Ureigenschaft scheint auch wichtig zu
sein für die Funktion von GIMAPs als nukleotid-gesteuerte Gerüstproteine an
intrazellulären Membranen.
de
dc.format.extent
IX, 124 S.
dc.rights.uri
http://www.fu-berlin.de/sites/refubium/rechtliches/Nutzungsbedingungen
dc.subject
GTPases of immunity-associated proteins
dc.subject
protein structure
dc.subject
lipid droplets
dc.subject.ddc
500 Naturwissenschaften und Mathematik::540 Chemie
dc.title
Structural and functional analysis of immunity-associated GTPases
dc.contributor.firstReferee
Prof. Dr. Udo Heinemann
dc.contributor.furtherReferee
Prof. Dr. Oliver Daumke
dc.date.accepted
2011-02-17
dc.identifier.urn
urn:nbn:de:kobv:188-fudissthesis000000025659-2
dc.title.translated
Struktur- und Funktionsuntersuchung von immunassoziierten GTPasen
de
refubium.affiliation
Biologie, Chemie, Pharmazie
de
refubium.mycore.fudocsId
FUDISS_thesis_000000025659
refubium.mycore.derivateId
FUDISS_derivate_000000010183
dcterms.accessRights.dnb
free
dcterms.accessRights.openaire
open access