title: Architecture and function of eubacterial dodecins - a novel class of cofactor binding proteins
title: Architektur und Funktion eubakterieller Dodecine - eine neuartige Proteinfamilie Kofaktor-speichernder Proteine
Creators: name: Meißner, Britta
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2015
Subjects: Funktion
Flavin
Coenzym A
Proteine
cofactor binding protein
coenzyme A
dodecin
dodecamer
Dodecin
flavin
Kofaktor-bindendes Protein
Chemistry and allied sciences
Dodecamer
Strukturaufklärung

description: Dodecine sind kleine
      Flavin-bindende Proteine, die während eines inversen
      Strukturgenomik-Projektes im Archaebakterium H. salinarum
      entdeckt worden sind. Die nur 7.4 kDa großen monomeren
      Untereinheiten mit einfachem
      beta-alpha-beta-beta-Faltungsmotiv bilden dodecamere Komplexe
      mit kubischer 23-Punktsymmetrie, die einen inneren Hohlraum
      aufweisen. Die Flavine werden in Form von Dimeren in
      Bindungstaschen entlang der zweizähligen Achsen des Komplexes
      gebunden und bilden mit zwei benachbarten Tryptophanresten
      eine bislang einzigartige aromatische Tetrade. Diese Arbeit
      legt einen Grundstein für das Verständnis der Flavinbindung
      in eubakteriellen Dodecinen. Durch das Lösen der 2.6 und 1.7
      Å Kristallstrukturen der heterolog exprimierten Dodecine aus
      T. thermophilus und M. tuberculosis konnte gezeigt werdem,
      dass eubakterielle Dodecine einen anderen Bindungsmodus
      aufweisen, als zuvor für das haloarchaeale Dodecin
      publiziert. Einzelne Punktmutationen der Reste, in denen sich
      eubakterielle Dodecine von dem archaebakteriellen Typus
      unterscheiden, weisen jedoch denselben Bindungsmodus auf wie
      der Wildtyp, wie durch Lösen der 2.6 und 1.3 Å
      Kristallstrukturen der T. thermophilus Dodecin R45A- und
      R65A-Mutanten gezeigt werden konnte. Spektroskopische
      Untersuchungen des T. thermophilus WT-Proteins und seiner
      W38Y- und W38F-Mutanten zur Charakterisierung der Funktion
      der aromatischen Tetrade geben deutliche Hinweise auf
      elektronische Interaktionen zwischen Flavin und der
      benachbarten aromatischen Aminosäure, die letztendlich im
      Falle des WT Dodecins innerhalb von nur 70 fs zur kompletten
      Deaktivierung des angeregten Flavinzustandes führt. Neben
      Flavin-Dimeren enthalten eubakterielle Dodecine endogen
      gebundenes Coenzym A wie durch Röntgenkristallographie und
      massenspektrometrische Untersuchungen nachgewiesen werden
      konnte. Die CoA-Moleküle sind in den dreizähligen
      symmetrischen Stellen II als Trimere nicht-kovalent so
      gebunden, dass die freie Thiol-Gruppe von Protein umgeben
      ist. Eine solche trimere Anordnung von CoA ist bis jetzt -
      ebenso wie die des FMN-Kofaktors - einzigartig und ein
      Kennzeichen eubakterieller Dodecine. Erstmals konnte zudem
      ein Dodecin-Datensatz in atomarer Auflösung (1.08 Å)
      aufgenommen werden, der als Grundlage für zukünftige
      Berechnungen der Dodecin-Kofaktor-Interaktionen herangezogen
      werden kann. Aufgrund der gewonnenen Erkenntnisse kann die
      Funktion des Dodecins als bifunktionales Speicherprotein
      postuliert werden, das sowohl CoA als auch Flavine in
      nicht-reaktiver Formen speichert und somit die zelluläre
      Photoschädigung aufgrund dieser Kofaktoren reduziert.
description: Dodecins are small flavin binding
      proteins, which were discovered during an inverse structural
      genomics project in the archaebacterium H. salinarum. The
      monomeric subunits, which are only 7.4 kDa in size consist of
      a simple beta-alpha-beta-beta-fold and adopt a hollow spheric
      dodecameric complex with cubic 23-point symmetry. The flavins
      are bound as dimers along the twofold symmetry axes of the
      dodecameric complex and are sandwiched between two
      neighbouring tryptophan residues resulting in an aromatic
      tetrade, which is unique so far. This work is the basis for
      the understanding of flavin binding in eubacterial dodecins.
      Solving the 2.6 and 1.7 Å crystal structures of the
      heterologously expressed dodecins from T. thermophilus and M.
      tuberculosis showed a different flavin-binding mode for
      eubacterial dodecins than published for the H. salinarum
      dodecin. Single point mutations of residues, which differ in
      the eubacterial dodecins and the haloarchaeal type showed the
      same binding mode as observed for the wild type T.
      thermophilus dodecin, as was shown by the 2.6 and 1.3 Å
      crystal structures of the T. thermophilus dodecin R45A and
      R65A mutants. Spectroscopic investigation of the T.
      thermophilus dodecin and its W38Y and W38F mutants which were
      performed in order to investigate the function of the
      aromatic tetrade give clear indication of electronic
      interaction between the flavin and its neighbouring amino
      acid, which results in case of the WT dodecin in complete
      deactivation of the flavin activated state in only 70 fs.
      Beside flavin dimers eubacterial dodecins also contain
      endogenously bound coenzyme A, as was shown by X-ray
      crystallography and mass spectrometry. The CoA molecules are
      bound non-covalently as trimers in the threefold symmetric
      face II in such a way that the free thiol group is surrounded
      by the protein. Such a trimeric assembly of CoA molecules has
      never been reported in literature before. Also for the first
      time a dodecin dataset with atomic resolution (1.08 Å) was
      collected, that can serve as a basis for further calculations
      of dodecin-flavin interactions. Based on the obtained
      knowledge the function of dodecin as bifunctional cofactor
      storage protein can be postulated; this protein binds CoA and
      flavins in a non-reactive state und reduces cellular
      photosensitive effects resulting from these
      cofactors.