title: Porins, VDACs and gating : The role of conformational plasticity
title: Porine, VDACs und Schaltvorgänge : Funktion der konformationellen Plastizität
Creators: name: Mertins, Barbara
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2015
Subjects: Proteininteraktion
Apoptose
VDAC
BLM
Membranprotein
protein interaction
Chemistry and allied sciences
membraneprotein
apoptosis

description: With about 10 000 copies per cell
      the voltage-dependent anion channels (VDACs) are the most
      abundant proteins of the mitochondrial outer membrane and are
      known to be involved in mitochondrial processes such as ATP-,
      calcium or ROS-transport. Beside this, they were identified
      as key players of mitochondrial physiology such as being
      involved in the mitochondrial related apoptotic pathway.
      Because of their strategic location as well as interaction
      with pro- and anti-apoptotic proteins, VDACs are involved in
      various diseases like Alzheimer, Down syndrome, cancer,
      stroke, and amylotrophic lateral sclerosis. Because of this
      multifunctionality, VDACs are important targets for medical
      approaches. After their discovery, VDACs have been
      extensively studied in terms of their structural organisation
      and their gating mechanism. The N-terminal region in the
      pores interior fuelled further debates about the gating
      mechanism of VDACs. VDACs reply to an applied voltage in a
      symmetric manner showing one open and several closed states.
      In this work I classified the closed states into at least
      three major states. With these quantitative
      electrophysiological measurements I demonstrated for the
      first time that a conformational variability of the
      N-terminus is essential for VDACs function. Through
      engineering of double-cysteine mVDAC1 variants affixing the
      N-terminal segment at the bottom and midpoint of the pore I
      verified that the N-terminus is the major trigger of VDAC´s
      gating. Additionally, it was shown that channel transitions
      are not solely dependent on the N-terminus. By analysing EMP
      as minimal model system for β-barrel gating, I revealed that
      a loop-independent gating exists, similar to that observed in
      the double-cysteine mVDAC1 variants. Given VDACs that
      interact with a plethora of effector proteins, I focused on
      the pro-apoptotic VDAC-effector Bid/tBid. Recent studies
      imply that Bid is a key player in neuronal cell death
      pathways. Accordingly, Bid seems to promote mitochondrial
      demise by release of death promoting proteins in the cytosol
      and the acceleration of oxidative stress. Furthermore,
      Bid-deficient neurons are highly resistant to cell death
      stimuli including oxygen-glucose deprivation (OGD) and
      glutamate-induced excitotoxicity in vitro and show reduced
      damage after cerebral ischemia and brain trauma in vivo. Here
      I could show a direct interaction between mVDAC1 and Bid/tBid
      and characterised the electrophysiological influence on VDAC
      in a quantitative manner. Biophysical analyse by SRCD, SROCD
      and EPR measurements give first insights into the structure
      of the VDAC-tBid complex. These data highlight the critical
      role for VDAC1 as a mitochondrial receptor for Bid thus
      providing a major control point of neuronal demise.
description: Mit rund 10 000 Kopien pro Zelle
      sind die voltage dependent anion channels (VDACs) die am
      häufigsten vorkommenden Proteine der äußeren mitochondrialen
      Membran. VDACs regulieren mitochondriale Prozesse, wie z. B.
      ATP-, Calcium- und ROS-Transport. Neben dieser klassischen
      Rolle wurden VDACs als wichtigste Komponente der
      Mitochondrien Physiologie und der damit verbundenen
      intrinsischen apoptotischen Signalwege identifiziert. Wegen
      ihrer strategischen Lage sowie der Interaktion mit pro- und
      anti-apoptotischen Proteinen, wurden VDACs mit verschiedenen
      Krankheiten wie Alzheimer, Down Syndrome, Krebs,
      Schlaganfall, und amylotrophischer lateraler Sklerose in
      Verbindung gebracht. Aufgrund dieser Multifunktionalität sind
      VDACs wichtige Ziele für medizinisch-therapeutische
      Behandlungsansätze. Nach ihrer Entdeckung wurden VDACs in
      Bezug auf ihre Struktur und den Schaltmechanismus untersucht.
      Der N-Terminus im Inneren der Pore wurde als das
      verantwortliche Schalt-Element diskutiert. Durch Anlegen
      einer externen Spannung, können VDACs in einen offenen und
      mehrere geschlossene Zustände schalten die ein
      physiologisches Verhalten imitieren. In dieser Arbeit konnte
      ich diese geschlossenen Zustände in mindestens drei
      Haupt-Zustände unterteilen. Mit diesen quantitativen
      elektrophysiologischen Messungen habe ich zum ersten Mal
      deutlich gemacht, dass die konformationelle Variabilität des
      N-Terminus für VDACs Schaltverhalten entscheidend ist. Durch
      das Erzeugen von Doppel Cystein Varianten, die den N Terminus
      am unteren Rand und in der Mitte die Pore arretieren, konnte
      ich zeigen, dass der N-terminus den dominanten Teil beim
      Schalten von VDACs darstellt. Daneben wurde auch gezeigt,
      dass zusätzliche Schaltvorgänge in einen geschlossenen
      Zustand unabhängig vom N-terminus auftreten können. Durch die
      Analyse von EMP als minimales Modellsystem konnte ich solch
      ein loop unabhängiges Schalten in Porinen demonstrieren.
      VDACs interagieren mit pro- und anti-apoptotischen
      Effektorproteinen. Der Fokus meiner Arbeit lag auf der
      Aufklärung der VDAC-Bid/tBid Interaktion. Bid als
      pro-apoptotisches Effektorprotein wurde als wichtiger Akteur
      im neuronalen Zelltod identifiziert, indem es die Freisetzung
      von apoptotischen Proteinen in das Zytosol fördert. Darüber
      hinaus, zeigen Bid defiziente neuronale Zellen eine hohe
      Resistenz gegen Zelltod-auslösende Reize wie z.B.
      Glutamattoxizität. Ich konnte die direkte Interaktion von
      VDAC1 und tBid zeigen und den funktionellen Einfluss mittels
      elektrophysiologischen Messungen quantifizieren.
      Biophysikalische Analysen (CD/OCD/EPR) ergaben erste
      Einblicke in den Protein-Komplex und verdeutlichen die
      Bedeutung der VDAC1-tBid Interaktion für die Viabilität von
      Neuronen.