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Authors: Martin, Andreas G.
Title: 10 Å cryo-EM structure of Drosophila melanogaster hexamerin and Limulus polyphemus hemocyanin
Online publishing date: 31-Jan-2007
Language : english
Abstract: In the present study, the quaternary structures of Drosophila melanogaster hexamerin LSP-2 and Limulus polyphemus hemocyanin, both proteins from the hemocyanin superfamily, were elucidated to a 10 Å resolution with the technique of cryo-EM 3D-reconstruction. Furthermore, molecular modelling and rigid-body fitting allowed a detailed insight into the cryo-EM structures at atomic level. The results are summarised as follows: Hexamerin 1. The cryo-EM structure of Drosophila melanogaster hexamerin LSP-2 is the first quaternary structure of a protein from the group of the insect storage proteins. 2. The hexamerin LSP-2 is a hexamer of six bean-shaped subunits that occupy the corners of a trigonal antiprism, yielding a D3 (32) point-group symmetry. 3. Molecular modelling and rigid-body fitting of the hexamerin LSP-2 sequence showed a significant correlation between amino acid inserts in the primary structure and additional masses of the cryo-EM structure that are not present in the published quaternary structures of chelicerate and crustacean hemocyanins. 4. The cryo-EM structure of Drosophila melanogaster hexamerin LSP-2 confirms that the arthropod hexameric structure is applicable to insect storage proteins. Hemocyanin 1. The cryo-EM structure of the 8×6mer Limulus polyphemus hemocyanin is the highest resolved quaternary structure of an oligo-hexameric arthropod hemocyanin so far. 2. The hemocyanin is build of 48 bean-shaped subunits which are arranged in eight hexamers, yielding an 8×6mer with a D2 (222) point-group symmetry. The 'basic building blocks' are four 2×6mers that form two 4×6mers in an anti-parallel manner, latter aggregate 'face-to-face' to the 8×6mer. 3. The morphology of the 8×6mer was gauged and described very precisely on the basis of the cryo-EM structure. 4. Based on earlier topology studies of the eight different subunit types of Limulus polyphemus hemocyanin, eleven types of interhexamer interfaces have been identified that in the native 8×6mer sum up to 46 inter-hexamer bridges - 24 within the four 2×6mers, 10 to establish the two 4×6mers, and 12 to assemble the two 4×6mers into an 8×6mer. 5. Molecular modelling and rigid-body fitting of Limulus polyphemus and orthologous Erypelma californicum sequences allowed to assign very few amino acids to each of these interfaces. These amino acids now serve as candidates for the chemical bonds between the eight hexamers. 6. Most of the inter-hexamer contacts are conspicuously histidine-rich and evince constellations of amino acids that could constitute the basis for the allosteric interactions between the hexamers. 7. The cryo-EM structure of Limulus polyphemus hemocyanin opens the door to a fundamental understanding of the function of this highly cooperative protein.
In der vorliegenden Arbeit wurden die Quartärstrukturen des Hexamerins LSP-2 von Drosophila melanogaster und des Hämocyanins von Limulus polyphemus, zwei Proteine der Hämocyanin-Superfamilie, mit einer Auflösung von 10 Å mittels Kryoelektronenmikroskopie (Kryo-EM) drei-dimensional rekonstruiert. Weiterhin wurde durch die Methoden des "molecular modelling" und "rigid-body fitting" eine detaillierte Beschreibung der Strukturen auf atomarem Niveau möglich. Die Ergebnisse lassen sich wie folgt zusammenfassen: Hexamerin 1. Die Kryo-EM-Struktur des Hexamerins LSP-2 von Drosophila melanogaster ist die erste hochaufgelöste Quartärstruktur eines Proteins der Gruppe der Insekten-Speicherproteine. 2. Das Hexamerin LSP-2 ist ein Hexamer aus sechs nierenförmigen Untereinheiten, die die Ecken eines trigonalen Antiprismas besetzten und somit in einer D3 (32) Punktsymmetrie angeordnet sind. 3. "Molecular modelling" und "rigid-body fitting" der Sequenz des Hexamerins LSP-2 ergaben eine klare Korrelation zwischen Insertionen von Aminosäuren in der Primärsstruktur und zusätzlichen Massen der Kryo-EM Struktur; letztere sind in den publizierten Quartärstrukturen der Cheliceraten- und Crustaceen- Hämocyanine nicht vorhanden. 4. Die Kryo-EM-Struktur von LSP-2 bestätigt, dass die hexamere Struktur der Arthropoden-Hämocyanine auch bei den Insekten-Speicherproteinen vorliegt. Hämocyanin 1. Die Kryo-EM-Struktur des 8x6-Hämocyanins von Limulus polyphemus ist die bislang höchstaufgelöste Quartärstruktur eines oligo-hexameren Arthropoden-Hämocyanins. 2. Das Hämocyanin ist aus 48 nierenförmige Untereinheiten aufgebaut, die in acht Hexameren (1×6mer) angeordnet sind, letztere nehmen eine D2 (222) Punktsymmetrie im nativen 8×6mer Molekül ein. Die strukturelle Grundeinheit bilden die vier 2×6mere, die in antiparalleler Ordnung zwei 4×6mere bilden; diese wiederum aggregieren "face-to-face" zum 8×6mer. 3. Die Morphologie des 8×6mers konnte auf Basis der Kryo-EM-Struktur erstmalig sehr genau vermessen und beschrieben werden. 4. Basierend auf frühere topologische Studien der acht unterschiedlichen Untereinheitstypen des Hämocyanins von Limulus polyphemus wurden elf Arten von Verbindungen zwischen den Hexameren identifiziert, die im nativen Molekül eine Gesamtzahl von 46 Brücken ausbilden - 24 innerhalb der vier 2×6mere, zehn um beide 4×6mere zu bilden und letztlich 12 um diese zum 8×6mer zu verbinden. 5. "Molecular modelling" und "rigid-body fitting" von Limulus polyphemus und orthologer Erypelma californicum Sequenzen ermöglichten die Identifizierung der Aminosäuren, welche die Brücken bilden. Viele dieser Aminosäuren sind überzeugende Kandidaten für chemische Bindungen zwischen den acht Hexameren. 6. Die meisten der Inter-Hexamer-Kontakte sind auffällig histidinreich und weisen Aminosäurekonstellationen auf, die die Basis für die Übertragung allosterischer Wechselwirkungen zwischen den Hexameren darstellen könnten. 7. Die Kryo-EM-Struktur des Hämocyanins von Limulus polyphemus öffnet so die Tür für ein grundlegendes Verständnis der Funktion dieses hochkooperativen Proteins.
DDC: 570 Biowissenschaften
570 Life sciences
Institution: Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department: FB 04 Medizin
Place: Mainz
Version: Original work
Publication type: Dissertation
License: in Copyright
Information on rights of use: https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
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