Published 2012 | Version v1
Miscellaneous

Single molecule force spectroscopy characterization of avidin-based receptors and nuclear pore proteins

Description

Molecular interaction forces play a key role in many essential physiological processes. Gaining knowledge of such intermolecular interactions mechanisms is of fundamental importance for understanding living systems, improving medical diagnosis and treatment, and developing new biotechnologies. Atomic Force Microscopy-based Molecular Recognition Force Spectroscopy (MRFS) allows the measurement of interaction forces between two single molecules with nanometer accuracy and piconewton force sensitivity. Thus MRFS provides detailed insights into structure, dynamics and function of single molecules, as well as complex physiological mechanisms. The aims of this thesis were firstly to characterize the interaction of new receptors capable to detect testosterone on the single molecule level and, secondly, to obtain a detailed view and molecular understanding of the transport mechanism between the cytoplasm and the nucleus of a cell. Avidin-biotin technology has been used for many years in a variety of applications in many different fields of bio-science. Its biological, chemical, and physical properties, such as femto-molar affinity or stability under harsh conditions, make the avidin-biotin system also to a promising candidate for protein engineering. Using random mutagenesis in the biotin binding area of avidin and phage display as a selection tool, new receptors with the ability to bind other small ligands can be generated. Here, two recently developed steroid-binding avidin mutans called Tes29 and TesATVN were investigated. Using MRFS it was shown that both molecules are able to specifically bind testosterone in their biotin-binding pocket. Furthermore, dynamic MRFS and competitive binding experiments with testosterone and biotin imply a decreased cross-reactivity of TesATVN for biotin. The nuclear pore complex (NPC) is a huge protein assembly embedded in the nuclear membrane, which mediate the transport of molecules between the cytoplasm and the nucleus. The key players of the selective transport and the constructor of a highly-selective permeability barrier are intrinsically disordered proteins containing phenylalanine-glycine motifs (FG nups), which line the periphery and the interior of the NPC transport conduit. Their FG repeats serve as ligands for transport shuttling factors (karyopherines), which use this interaction to open and pass the barrier, thereby chaperoning macromolecules through the pore. The mechanisms of molecule translocation and the architecture of the NPC permeability barrier are still unclear. So as to elucidate structure and function of the nuclear barrier, the interaction force between two FG nups, and between karyopherines (here importin) and FG nups were measured and the molecular dissociations rates were determined. It was shown that the forces and molecular dissociation rates of two FG motifs interacting as a pair are essentially equal to the interaction between importin and one FG motif. This implies that importins can diffuse across the nuclear pore barrier by temporarily substituting FG repeat interactions of nups with energetically equivalent importin-FG repeat interactions. Furthermore, the experiments revealed that importin recognized varied FG domains differently, indicating distinct pathways in the pore channel. Additionally, importin induced an aggregation of FG nups resulting in the formation of a hydrogel shell around itself. (author)

Availability note (English)

Available from JKU University Library, Altenberger Strasse 69, 4040 Linz (Austria)

Abstract (German)

Spezifische intermolekulare Wechselwirkungen spielen eine entscheidende Rolle, um grundlegende Zellfunktionen aufrecht zu erhalten. Es ist daher von essentieller Bedeutung, solche molekularen Mechanismen aufzuklären, um physiologische Prozesse zu verstehen und neue diagnostische und therapeutische Methoden für zelluläre Fehlfunktionen zu entwickeln. Rasterkraftmikroskopie (engl. Atomic Force Microscopy, AFM) bietet die Möglichkeit, Wechselwirkungen zwischen zwei Molekülen zu untersuchen. Die sogenannte Einzelmolekül-Erkennungskraft-Spektroskopie (engl. Molecular Recognition Force Spectroscopy, MRFS) erlaubt einzelne intermolekulare Wechselwirkungen zu detektieren und dessen Kraft zu quantifizieren. Mit einer Positionsgenauigkeit von unter einem Nanometer und einer Kraftauflösung von wenigen Piconewton können Struktur, Dynamik und Funktion von Biomolekülen sowie komplexen biologischen Systemen aufgeklärt werden. Ziel dieser Doktorarbeit war es, mit Hilfe der MRFS Einzelmolekül- Wechselwirkungen zu charakterisieren. Einerseits wurde die Bindungskapazität von speziellen Avidin-Mutanten auf neue Liganden getestet, andererseits der Transport-Prozess zwischen Zytoplasma und Zellkern untersucht. Die Avidin-Biotin Technologie ist universell und weit einsetzbar um molekulare Mechanismen zu studieren. Aufgrund der biologischen, chemischen und physikalischen Eigenschaften, wie beispielsweise die hohe spezifische Affinität oder Stabilität selbst unter extremen Bedingungen, eignet sich Avidin besonders, um durch spontane Mutationen und gezielter Auslese neue Rezeptoren zu generieren. Hier wurden zwei auf der Avidin-Struktur basierende Steroid Rezeptoren charakterisiert, die Avidin-Mutanten Tes29 und TesATVN. Es konnte gezeigt werden, dass beide Proteine Biotin, als auch das Hormon Testosteron spezifisch in ihrer Biotin-Bindung-Tasche binden. Ergebnisse der dynamischen MRFS mit verschiedenen kompetitiven Kontrollexperimenten ließen außerdem auf eine bereits erniedrigte Kreuzreaktivität von TesATVN zu Biotin schließen. Der Kernporenkomplex (engl. nuclear pore complex, NPC) ist ein riesiger Proteinkanal, welcher den Austausch von Molekülen zwischen Zytoplasma und Zellkern einer Zelle gewährleistet. Eine Hauptrolle in diesem Transport Mechanismus spielen sogenannte FG-Nups, ungefaltene Proteine mit einer sich wiederholenden Aminosäurensequenz (Phenylalanin-Glycin, FG). Diese FG Nups befinden sich im Inneren des NPC Kanals und bauen durch gegenseitiges Wechselwirken miteinander eine Barriere auf. Makromoleküle können die hoch-selektive permeable Barriere nur passieren, wenn sie von sogenannten Karyopherinen erkannt und durch die Pore hindurch geschleust werden. Der genaue Zusammenhang zwischen Struktur und Funktion der FG Nups und das Zusammenspiel untereinander, aber auch mit anderen Molekülen ist noch immer unklar. Um Struktur und Mechanismen der NPC Barriere auf molekularer Ebene zu erschließen, wurde die Wechselwirkung zwischen zwei FG Nups und zwischen FG Nups und Karyopherinen (hier Importin) untersucht. Es wurde festgestellt, dass sowohl die Interaktionskräfte, als auch die Dissoziationsraten der verschiedenen Molekülkomplexe nahezu identisch sind. Daraus lässt sich schließen, dass Importin ohne zusätzliche Energiezufuhr durch die Barriere diffundieren kann. Darüber hinaus wurden unterschiedliche Bindungscharakteristika von Importin mit verschiedenen FG Nups beobachtet, welche auf bestimmte Transportpfade in der Pore hinweisen. Zuletzt konnte gezeigt werden, dass Importin eine Art Gel-Ausbildung der FG Nups induziert. (author)

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84 p.