Synthese, Charakterisierung und Faltungsverhalten von kleinen, modular aufgebauten Proteinen am Beispiel WW-Domänen funktionalisierter Coiled Coils

Abstract

Eine der wesentlichen Eigenschaften von Proteinen ist die Fähigkeit zur Faltung in eine dreidimensionale, biologisch aktive (native) Konformation, welche von der Aminosäuresequenz (Primärstruktur) bestimmt wird. Bereiche innerhalb eines Proteins, die eine eigenständige, autonome Faltung (Sekundärstruktur) aufweisen werden dabei als Domänen oder Module bezeichnet und bestimmen neben der Faltungstopologie auch die Funktion eines Proteins. Während sich Protein-Interaktionsdomänen wie beispielsweise WW-Domänen durch eine spezifische Bindungsaffinität gegenüber einem Liganden auszeichnen, haben Oligomerisierungs-module (z.B. Coiled Coils) die besondere Fähigkeit zur Selbsterkennung im Sinne eines molekularen „Reißverschluss“. Da viele Proteinmodule auch im isolierten Zustand, also unabhängig von ihrer natürlichen Proteinumgebung, Faltung und Funktion bewahren, sollten im Rahmen dieser Arbeit zunächst kleine, mehrmodulare Proteine baukastenartig synthetisiert und anschließend zu neuartigen, multifunktionalen Proteinkomplexen kombiniert und spektroskopisch charakterisiert werden. Im synthetischen Teil dieser Arbeit wurden zunächst verschiedene WW-Domänen und alpha-helikale Coiled Coils seperat mittels Festphasensynthese synthetisiert, wobei erstere als Funktionsmodule und letztere als Oligomerisierungsmodule mit homo- und heteroassoziativen Eigenschaften gewählt wurden. Gemäß einem „Baukasten-Prinzip“ wurden die einzelnen Module anschließend mittels nativer chemischer Ligation (NCL) zu neuartigen Proteinen zusammengeschaltet. Wie geeignete biophysikalische Untersuchungen dieser Zwei-Domänen-Proteine zeigten, bleiben sowohl die Faltung (Sekundärstruktur) als auch die Funktion der jeweiligen Module im Ligationsprodukt erhalten. Mit Hilfe der assoziativen Eigenschaften der Coiled Coil Einheiten konnte schließlich auch ein heteromerer Vier-Modul-Komplex mit definierten Eigenschaften generiert und somit das große Potential dieses modularen „Baukasten-Prinzips“ erfolgreich unter Beweis gestellt werden.

One of the most significant features of proteins is their physical ability to fold into a three-dimensional, biologically active conformation, the native state, which is determined by the amino acid sequence (primary structure). Regions within a protein that show an individual folding (secondary structure) are called domains or modules and usually determine its overall topology and function. While protein-interaction domains such as WW-domains are characterized by a strong affinity towards certain ligands the unique self- recognition ability of various oligomerization modules (e.g. coiled coils) allow them to act as a molecular “zipper”. Since many isolated protein modules preserve their individual folding even under non-physiological conditions our goal was to synthesize tailor-made peptides in a modular fashion and combine them to novel multifunctional protein complexes. In the synthesis part of this work several WW domains and alpha-helical coiled coils were at first separately synthesized on solid phase. While the former being responsible for functionality the latter were chosen as homo- and heteroassociative segments. Combination of both via native chemical ligation (NCL) then yielded novel bimodular proteins in a “building block” fashion. As subsequent biophysical studies revealed, neither the folding (secondary structure) nor the functionality of the individual domains were significantly altered upon chemical ligation. Using the self-recognizing nature of the coiled coil subunits we were furthermore able to generate a quaternary heteromeric complex with well-defined properties successfully demonstrating the great potential of this modular "building block" principle.