title: Action of the bacterial alarmones (p)ppGpp on translational GTPases
Creators: name: Majkini, Mohamad
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2022
Subjects: Chemistry &amp; allied sciences
Chemie

description: Zusammenfassung Ribosomen sind hoch komplexe Makromoleküle, deren vollständige Assemblierung in funktionale Einheiten eine Vielzahl von akzessorischen Proteinen und Faktoren bedingt. Viele dieser Maturierungsfaktoren gehören der Proteinfamilie der GTPasen an. Im Kontext des Ribosoms sind GTPasen weiterhin an der Translation, der Übersetzung des genetischen Codes in Form von DNA-abhängig transkribierter mRNA in funktionale Proteine, beteiligt. Die Stressmoleküle ppGpp und pppGpp, oft auch als (p)ppGpp oder ‘Alarmone’ bezeichnet, sind nukleotidbasierte second messenger, deren Synthese den Beginn der bakteriellen Stressantwort auf eine Vielzahl von ungeeigneten Umweltbedingungen, insbesondere des Mangels an Aminosäuren, markiert. Aufgrund der strukturellen Ähnlichkeit von (p)ppGpp mit den Guanosinnukleotiden GTP und GDP ist eine direkte Regulierung von GTPasen naheliegend und in der Literatur dokumentiert. Ein tiefgründiges strukturelles und mechanistisches Verständnis der Wirkungsweise von (p)ppGpp, und dabei insbesondere wie diese die Funktionalität von GTPasen beeinflussen, fehlt bislang. Diese Arbeit versucht einen Beitrag zu einem verbesserten Verständnis beizutragen. Ausgewählte in der Maturierung von Ribosomen und Translation am Ribosom beteiligte GTPasen wurden gereinigt und auf ihre Fähigkeit zur Interaktion mit (p)ppGpp geprüft. Die Kristallstruktur des translationalen Elongationsfaktors Tu (EF-Tu) aus Escherichia coli konnte dargestellt werden und lieferte strukturelle Erkenntnisse über die Art und Weise, wie (p)ppGpp die Translation inhibiert. Weiterhin wurde die Bindung von Alarmonen an drei GTPasen, welche in der Maturierung von prokaryotischen Ribosomen beteiligt sind, durch verschiedene biophysikalische Methoden manifestiert. Diese Experimente zeigten, dass (p)ppGpp die untersuchten GTPasen durch kompetitive Inhibition mit deren natürlichem Substrat GTP in ihrer Funktion hemmt. Obwohl keine strukturellen Erkenntnisse über die genaue Art und Weise der Inhibition dieser GTPasen gewonnen werden konnten, ebnet diese Arbeit den Weg für
description: Abstract Ribosomes are intricate and highly complex macromolecular structures. Their maturation into fully functional entities is aided by a vast number of accessory proteins, many of which belong to the class of GTPases. GTPases do furthermore play pivotal roles during protein biosynthesis, during which the genetic code in the form of transcribed mRNA is translated into functional proteins. The nutritional alarmones ppGpp and pppGpp, collectively abbreviated as (p)ppGpp or alarmones, are nucleotide-based second messenger molecules, the synthesis of which is linked to the onset of numerous unfavorable environmental conditions, in particular limitations in the availability of amino acids. Owing to the similarities of the (p)ppGpp compounds with the GTPase-directed GTP and GDP molecules, a direct regulation of ribosomal and translational GTPases is highly conceivable and documented in literature. However, a structural and mechanistic understanding of the action of (p)ppGpp and how precisely they interfere with GTPase functionality, are less well understood. This work aimed to fill this gap of knowledge. Selected ribosomal and translational GTPases were purified and probed for their ability to interact with (p)ppGpp. The crystal structure of Escherichia coli elongation factor Tu (EF-Tu) could be obtained in presence of ppGpp and provides a rationale for inhibition of translation elongation by (p)ppGpp. Furthermore, alarmone binding to three GTPases involved in maturation of the prokaryotic ribosome was substantiated by various biophysical approaches evidencing that (p)ppGpp should interfere with their cellular function through competition with the natural substrate GTP. Although further implications of (p)ppGpp interference with ribosomal GTPases could not be substantiated in this work, it settles the stage for further in-depth mechanistic and functional studies on these target proteins.