Anwendungen kovalenter Split-Isopeptidsysteme in vitro und in planta

Language
de
Document Type
Doctoral Thesis
Granting Institution
Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Naturwissenschaftliche Fakultät
Issue Date
2024
Authors
Lang, Martina
Editor
Abstract

Split-Isopeptidsysteme sind kovalente Proteininteraktionssysteme, die auf der natürlichen Ausbildung intramolekularer Isopeptidbindungen innerhalb von Domänen des CnaB-Typs basieren. Diese Art von Domänen ist besonders in Oberflächenproteinen Gram-positiver Bakterien zu finden (Pröschel et al., 2017). Die Spaltung einer solchen Domäne in zwei individuelle Teile, einem Tag-Peptid und einem größeren Catcher-Protein, markierte den Beginn der Split-Isopeptidsysteme. Daraus entwickelten sich zahlreiche weitere Systeme, wie das bekannte Spy-System, bestehend aus SpyTag und SpyCatcher. Treffen die Interaktionspartner Tag und Catcher aufeinander, rekonstituieren diese spontan unter Ausbildung einer kovalenten Isopeptidbindung, die zwischen den Reaktionspartnern ausgebildet wird und sie irreversibel miteinander verknüpft. Die kovalente Kopplung wird durch die räumliche Nähe der reaktiven Aminosäuren ermöglicht, welche bei der Rekonstitution eine katalytische Triade bilden. Somit erfolgt die Ausbildung der Isopeptidbindung spontan und ohne den Bedarf zusätzlicher Energie, wie beispielsweise ATP. Genutzt werden kann diese Interaktion z.B. durch die individuelle Fusion von Tag und Catcher an gewünschten Proteinen, um diese kovalent miteinander zu verknüpfen oder an Oberflächen zu immobilisieren. Seit der Erfindung des Spy-Systems 2012 von Zakeri et al., wurde das Prinzip der Domänen-Spaltung auf weitere Oberflächenproteine Gram-positiver Bakterien, die eine Faltung des CnaB-Typs aufweisen, übertragen. Das am besten charakterisierte Split-Isopeptidsystem stellt jedoch das Spy-System dar. Aufgrund der hohen Effizienz und Stabilität unter einer Bandbreite von Bedingungen (pH, Temperatur, Detergenzien) und der Funktionalität sowohl in vitro als auch in vivo, wurde es für eine Vielzahl an Anwendungen herangezogen. Dazu zählen unter anderem die Herstellung von Proteinkomplexen, Hydrogelen, thermostabiler Enzyme, bis hin zu Vakzinen. Bei vielen der publizierten Methoden wurde meist ausschließlich das Spy-System verwendet. Die Kombination von zwei oder mehr orthogonalen Interaktionssystemen ermöglicht den spezifischen, gerichteten Aufbau komplexer Strukturen verbunden mit einem breiteren Anwendungsgebiet. Im Rahmen dieser Arbeit wurden verschiedene Split-Isopeptidsysteme, sowohl in vitro als auch im in planta Bereich eingesetzt, um das Anwendungsspektrum besonders durch die Kombination orthogonaler Interaktionssysteme zu erweitern und neue Methoden in planta zu entwickeln. In dieser Arbeit wurden Multiproteinkomplexe mit Hilfe des Spy-, Snoop- und 4oq1-Systems konstruiert, die Bausteine rekombinant in E. coli hergestellt, in vitro zusammengebaut und der entstandene Komplex auf dessen Funktionalität überprüft. Dazu zählt die lineare Hintereinanderschaltung funktionaler Proteine innerhalb eines Komplexes, um diese in enge räumliche Nähe zu zwingen, die geometrische Lage der Proteine zu beeinflussen, sowie die Stöchiometrie der Komponenten zu bestimmen. Angewandt wurde dies in vitro bei der linearen Verknüpfung dreier Fluoreszenzproteine, mCherry, eGFP und mTagBFP, zur Herstellung weiß-emittierender Bio-LEDs (white hybrid light-emitting diodes; WHLED). Der fluoreszente Proteinkomplex wurde in eine stabilisierende Matrix eingebettet und als Beschichtung von UV-LEDs verwendet. Die kovalente Verknüpfung der Fluoreszenzproteine verbesserte den Energietransfer zwischen den Komponenten und ermöglichte die Emission weißen Lichtes. Das Prinzip der Kombination des Spy- und Snoop-Systems zur linearen Hintereinanderschaltung konnte auch bei der Herstellung eines Multienzymkomplexes Anwendung finden. Die Enzyme Invertase, Hexokinase und Phosphoglucoisomerase wurden mit den jeweiligen Interaktionsdomänen fusioniert und bildeten nach der Herstellung der modularen Bausteine und deren kovalenter Interaktion einen funktionalen Multienzymkomplex, der in der Lage war, Saccharose zu Glucose-6-Phosphat abzubauen. Über Anwendungen von Split-Isopeptidsystemen in planta wurde bisher nur wenig berichtet. Es ist lediglich bekannt, dass das Spy- und 4oq1-System erfolgreich und funktional in N. benthamiana hergestellt werden konnten, wohingegen das Snoop-System keine Funktionalität aufgrund fehlender Expression zeigte. Mit Hilfe der Kombination von Organell-spezifischen Lokalisationssequenzen und Komponenten des Spy- und 4oq1-Systems wurde in dieser Arbeit ein kovalenter Baukasten zur spezifischen Markierung pflanzlicher Organellen geschaffen, der sich individuell und einfach an verschiedene Anwendungen im in planta Bereich anpassen lässt. So führte die transiente Co-Expression von Tag-Lokalisationskonstrukten und fluoreszenten Catcher-Konstrukten zur spezifischen Markierung und Visualisierung von Chloroplasten, Mitochondrien und des Zellkerns in N. benthamiana. Die parallele Dekoration eines Organellentyps mit Catcher-Protein und eines anderen Organells mit Tag konnte für die Verknüpfung zweier unterschiedlicher Organellenarten verwendet werden. Dies konnte am Beispiel der Komplexbildung von Chloroplasten und Mitochondrien gezeigt werden (Organellenkleber). Die Kombination des Spy- und 4oq1-Systems konnte außerdem zur simultanen Kopplung von zwei Liganden an ein Organell herangezogen werden. Die Verknüpfung erfolgte entweder linear durch Hintereinanderschaltung oder durch Bindung an ein Gerüstprotein (Scaffold). Als Liganden wurden die Fluoreszenzproteine mCherry und eGFP verwendet, die spezifisch an Chloroplasten dirigiert wurden. Beide Ansätzen könnten als Plattform für die Kopplung funktionaler Proteine an Organellen verwendet werden und als kovalentes Werkzeug für das plant metabolic engineering dienen. Zusätzlich konnte eine Methode zur einfachen und spezifischen Isolation SpyTag-markierter Chloroplasten und Mitochondrien aus Blattrohextrakt mit Hilfe magnetischer SpyCatcher-beschichteter beads entwickelt werden. Die Isolation benötigte wenig Zeit und Ausgangsmaterial und lieferte Organellen mit hoher Reinheit und guter Ausbeute.
Wie auch in Lang et al., 2020 beschrieben, ist die Besonderheit das breite Anwendungsspektrum von Split-Isopeptidsystemen in planta und die Möglichkeit, verschiedene Ziele und Strukturen spezifisch zu markieren, wodurch ein kovalenter Baukasten für die Pflanzenmanipulation entstand. Als langfristiges Ziel kann die Kombination verschiedener, orthogonaler Split-Isopeptidsysteme, in Verbindung mit zellspezifischen Promotoren, sowie die parallele Markierung und Isolierung verschiedener Organellen (wie Zellkerne, Chloroplasten und Mitochondrien), Polysomen und intrazellulärer Vesikel (aus dem ER, aus dem Golgi usw.) angesehen werden. Einzeln isolierte Organellen in Verbindung mit anschließender Analytik (Proteomik, Metabolomik) könnten einen tieferen Einblick in den zelltypspezifischen Stoffwechsel, die Signalübertragung und andere Mechanismen ermöglichen (M. Lang et al., 2020). Des Weiteren bildet die Möglichkeit der simultanen stabilen Kopplung mehrerer Liganden an Organellen ein großes Potential für die gezielte Manipulation des Pflanzenstoffwechsels, die genauer untersucht werden sollte. Die in dieser Arbeit entwickelten Methoden bilden somit die Grundlage für die Weiterentwicklung des kovalenten Baukastens basierend auf Split-Isopeptidsystemen im in vitro und in planta Bereich sowie ein nützliches Werkzeug zur Herstellung funktionaler, kovalenter Proteinkomplexe.

DOI
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