title: Crystal Structure of the Surfactin Synthetase Termination Module
title: Strukturmodell des Terminationsmoduls der Surfactin Synthetase
Creators: name: Tanovic, Alan
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2012
Subjects: Nichtribosomale Peptidsynthetasen
NRPS
Röntgen-Kleinwinkelstreuung
NRPS mode of action
Nonribosomal petide synthetase
Strukturmodel
Kristallstruktur
Strukturverfeinerung
Assembly Line
Biochemie
COM-Hand-Helix-Motiv
Chemie
Peptidsynthetasen
Surfactin
COM-Hand-Nelix-Motif
Domäne

description: Nichtribosomale Peptidsynthetasen
      (NRPS) zeigen, trotz der hohen Anzahl ihrer Bausteine und der
      somit großen Vielfalt ihrer Produkte, eine konstante
      strukturelle Verwandtschaft. Die NRPS‐Systeme sind modular
      aufgebaut, wobei definierte Domänen die einzelnen Reaktionen
      katalysieren. Neben den katalytischen Domänen ist die Rolle
      des dynamischen Peptidyl‐Carrier‐Proteins (PCP) für das
      Verständnis der NRPS‐Wirkungsweise entscheidend. Studien
      vergleichbarer Systeme zeigen, dass die das Carrier‐ Protein
      umgebenden Linkerregionen aus Prolin‐ und Alanin‐reichen
      Sequenzen bestehen, wodurch die Bildung von
      Sekundärstrukturen erschwert und die Dynamik dieser Domänen
      unterstützt wird. Erst die in dieser Arbeit durchgeführte
      Arretierung der dynamischen PCP‐Domäne durch rationale
      Mutagenese ermöglichte die Beobachtung des Kristallwachstums
      und somit die erste Strukturaufklärung eines vollständigen
      NRPS‐Moduls. Die Struktur des Terminationsmoduls der
      Surfactin Synhtetase (SrfACS1003A) zeigt die Interaktion der
      dynamischen PCP‐Domäne mit der katalytischen
      Kondensationsdomäne (C‐Domäne). Das SrfAC‐Strukturmodell
      beschreibt die erste Struktur einer DC L‐Domäne. Desweiteren
      konnte die Bildung einer engen Interaktion zwischen der
      Kondensations‐ und den zwei Subdomänen der
      Adenylierungsdomäne (Acore‐ und Asub‐Domäne), die als
      Workbench bezeichnet wird, festgestellt werden. Dabei nimmt
      die Asub‐Domäne eine bisher nicht beobachtete Konformation
      ein. Die C‐ und Acore‐Domäne repräsentieren 83% der Masse
      eines Elongationsmodules (C‐, A‐ und PCP‐Domäne), auf deren
      starrem Gerüst die dynamische Asub‐ und PCP‐Domäne
      interagieren. Anschließende Untersuchungen mittels der
      Kleinwinkel‐Streuung (SAXS) zeigten, dass diese enge
      Interaktion auch im solvatisierten Zustand bestehen bleibt.
      Somit konnte die wichtige Rolle der Workbench, auch als
      Modell‐System für das generelle Verständniss der
      NRPS‐Systeme, bestätigt werden. Die Strukturaufklärung des
      vollständigen NRPS‐Moduls ermöglicht die eindeutige
      Definition der flankierenden PCP‐Linkerbereiche. Ihre
      sequenzielle Analyse zeigt, dass diese Bereiche aus Prolin‐
      und Alanin‐reichen Sequenzen bestehen und somit nicht zur
      Bildung von Sekundärstrukturen neigen. Dagegen teilt der
      α‐helikale Linkerbereich zwischen der C‐ und A‐Domäne nicht
      die Affinität zu Prolin‐ und Alaninreichen Sequenzen und ist
      zur Bildung von Sekundärstrukturen fähig. Zusätzlich konnte
      in dem SrfAC‐S1003A‐Strukturmodell die spezifische
      Interaktion zweier Synthetasen über ein Helix‐Hand‐Motiv
      gezeigt werden. Dabei interagiert die C‐terminale α‐Helix
      (COM‐Helix) der ersten Synthetase mit dem in die C‐Domäne
      integrierten Hand‐Motiv der nachfolgenden Synthetase. Dadurch
      ist die spezifische Erkennung der Synthetasen untereinander
      gewährleistet, wodurch die Synthesereihenfolge erhalten
      bleibt (assembly line). Durch die Kombination mit der
      Bidomänen‐Struktur aus TycC konnte desweiteren ein
      multimodulares NRPS‐Modell erstellt werden. Dieses Modell
      zeigt eine linksläufige Schraubachse, bei der jedes Modul
      entlang der Assembly‐Line um 120° gedreht ist. Weitere
      Untersuchungen mittels CyoEM an trimodularen NRPS‐Systemen
      sollen diese Modul‐Anordnung bestätigen. Neben der globalen
      Architektur der NRPS, zeigt das Akzeptor‐Modell auch die
      ersten strukturell aufgeklärten Linkerbereiche einer swinging
      domain. Die in dieser Arbeit erstmals aufgeklärte Struktur
      eines NRPS‐Moduls ermöglicht neue synthetische und
      chemoenzymatische Ansätze für rationales Design und protein
      engineering an den nichtribosomalen Peptidsynthetasen und so
      den Zugang zu neuen biologisch wirksamen
      Peptidverbindungen.
description: Nonribosomal peptide synthetases
      (NRPSs) utilize complex regiospecific and stereospecific
      reactions to assemble structurally and functionally diverse
      peptides. Despite the large number of their components and
      the great diversity of products, the NRPS systems hold a
      close structural relationship. The NRPS systems shows a
      modular organisation with defined domains which catalyzing
      the single reactions. In addition to the catalytic domains
      the role of dynamic peptidyl carrier protein (PCP) is crucial
      for understanding of the NRPS mode of action. In this work
      the disruption of the PCP dynamic via serine to alanin
      variation or attached pantotheine derivatives and whose
      effect on the global structure was investigated. Freezing the
      PCP domain in the AH state allowed the structure
      determination of a complete termination module of the
      surfactin synthetase. This structure model shows various
      unique properties, describing the domain interactions between
      the condensation domain and PCP, the first DC L domain
      structure model, an artificial COM helix � COM hand motif as
      well as a novel orientation of the adenylation subdomain
      relating to the adenylation coredomain. Furthermore, the
      formation of a close interaction between the condensation and
      the two subdomains of the adenylation domain (Acore and
      Asub), which is called the workbench be noted. Subsequent
      studies using small-angle scattering (SAXS) showed that this
      close interaction persists even in the solvated state. This
      studies confirm the important role of the workbench as a
      model system for the general understanding of NRPS systems.
      By combining the structural data of the bidomain structure of
      TycC5-6 with the surfactin termination module SrfAC a
      multimodulare NRPS model can be created. This model shows a
      counter clockwise screw axis where each module along the
      assembly line ist rotated by 120� as well the complete
      structural model of the different linker regions. The
      knowledge about the NRPS organization increase the
      possibility of constructing active chimeric enzymes, where
      intact modules or even single domains are exchanged to allow
      the biosynthesis of novel nonribosomal peptides and
      facilitate the access to new biologically active peptide
      compounds.