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Was sind AAA+ Enzyme?

AAA+ Enzyme (ATPasen, die mit verschiedenen zellulären Aktivitäten assoziiert sind) sind eine heterogene Gruppe molekularer Motorproteine. Sie erzeugen normalerweise mechanische Arbeit aus der Bindung und Umsetzung von ATP (Adenosintriphosphat), der universellen Energiequelle in der Zelle. AAA+ Proteine ​​wirken normalerweise als Oligomere und befinden sich häufig im Kern essentieller Multiproteinanordnungen, die an Reorganisations- und Recyclingprozessen von Proteinen, Membranen oder DNA in der Zelle beteiligt sind. Trotz der gemeinsamen Nutzung einer stark konservierten Nukleotidbindungsdomäne (siehe Abbildung) weist jedes AAA+ Protein eine einzigartige funktionelle Spezifität und Substratselektivität auf. Es wird angenommen, dass akzessorische Domänen und Proteine ​​die Feinabstimmung der AAA+ Motoraktivität erleichtern und somit Spezifität verleihen. Die Art dieser Wechselwirkungen sowie ihre Auswirkungen auf die motorische Aktivität der AAA+ Domänen müssen jedoch noch ermittelt werden. Unser Labor möchte einen strukturellen Überblick über die komplexe Konformationsdynamik dieser faszinierenden molekularen Maschinen in Aktion erhalten. Insbesondere möchten wir verstehen, wie allosterische Wechselwirkungen zwischen AAA+ Modulen im aktiven Oligomer die ATPase-Aktivität regulieren und wie akzessorische Faktoren die komplexe Aktivität beeinflussen. Das ultimative Ziel besteht darin, Strukturdaten, die durch Kryo-Elektronenmikroskopie und Röntgenkristallographie erhalten wurden, in Mutationsanalysen und biophysikalische Experimente zu integrieren, um schwere Störungen und Krankheiten zu bekämpfen, die auf fehlerhafte molekulare Maschinen zurückzuführen sind.

Übersichtsartikel zu AAA+ Proteinen:

Wendler, P., S. Ciniawsky, M. Kock, S. Kube (2012). Structure and function of the AAA+ nucleotide binding pocket. Biochim Biophys Acta  1823(1):2-4.

http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0167488911001790

 

Das NorQD Chaperonsystem

Metalloproteine machen etwa 30 % aller bekannten Proteine aus, und die Hälfte aller Enzyme enthält Metallkofaktoren. Der Einbau des richtigen Metallions in das aktive Zentrum metallhaltiger Enzyme ist entscheidend für deren Funktion und hängt häufig von Metallchaperonen ab. Die Einlagerung des Nicht-Häm-Eisens FeB in die Cytochrom-c-abhängige Stickstoffmonoxid-Reduktase (cNOR) ist von den beiden Chaperon-Proteinen NorQ und NorD abhängig. NorQ (30 kDa) gehört zur großen Familie der AAA+-ATPasen, genauer gesagt zur Pre-Sensor-2-Insert-Klade (Klade 7) der AAA+-Proteine, die aus MoxR-ähnlichen Proteinen gebildet wird. Ihr charakteristisches Merkmal ist ein Beta-Hairpin-Insert an Helix 2 (H2i) in der Nähe der Substratbindungsschleife. MoxR-ähnliche Proteine benötigen häufig ein Partnerprotein mit einer von-Willebrand-Faktor-Typ-A-Domäne (VWA), um das Zielprotein bearbeiten. Das 69 kDa-Protein NorD ist der VWA-Domänen-Partner von NorQ. Unsere aktuelle Studie in Zusammenarbeit mit dem Labor von Prof. Pia Ädelroth an der Universität Stockholm präsentiert Kryo-EM-Strukturen verschiedener NorQD-Komplexe aus Paracoccus denitrificans und Jhaorihella thermophila, die in Kombination mit Mutagenese-Studien, Enzymaktivitätsdaten und AlphaFold-Vorhersagen Aufschluss über die Funktion des NorQD-Komplexes geben. Wir zeigen, dass ein aus der VWA-Domäne herausragendes Fingermotiv an die Pore von NorQ bindet und dass diese Wechselwirkung für die cNOR-Aktivierung erforderlich ist. Unsere Daten zeigen, dass die NorQ-Aktivität eine Linkerregion in NorD umgestaltet, die für den Metalleinbau unerlässlich ist. Zusammengenommen stützen diese Ergebnisse ein Modell, nach dem der NorQ-Komplex eine verdrehende und dehnende Kraft auf den NorD-Linker ausübt und dadurch den Metalleinbau in das Ziel-NOR ermöglicht. 

 

Veröffentlichungen:

  1. Kahle, M., Appelgren, S., König, F., Carroni, M., Ädelroth, P., Wendler, P. NorQD AAA+ complex drives metal insertion by a twisting mechanism. Nat Commun 17, 3032 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-71044-4
  2. Petrović, S., Wendler, P. A RADD approach to probing AAA+ protein function. Nat Struct Mol Biol (2021). https://doi.org/10.1038/s41594-021-00579-5
  3. Schieferdecker, A., Wendler, P. (2019) Structural Mapping of Missense Mutations in the Pex1/Pex6 Complex. Int. J. of Mol. Sci, 20(15), 3756. doi: 10.3390/ijms20153756
  4. Bhat, J. Y., G. Miličić, G. Thieulin-Pardo, A. Bracher, A. Maxwell, S. Ciniawsky, O. Mueller-Cajar, J. R. Engen, F. U. Hartl, P. Wendler, M. Hayer-Hartl (2017). Molecular Surgery: Enzyme Repair by the AAA+ Chaperone Rubisco Activase. Mol. Cell DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.molcel.2017.07.004
  5. Yedidi RS, Wendler P and Enenkel C (2017). AAA-ATPases in Protein Degradation. Front. Mol. Biosci. 4:42. doi: 10.3389/fmolb.2017.00042
  6. Saffert, P., C. Enenkel, P. Wendler (2017). Structure and function of p97 and Pex1/6 Type II AAA+ complexes. Front. Mol. Biosci. 4:33. doi: 10.3389/fmolb.2017.00033
  7. Hauser, T., J. Y. Bhat, G. Miličić, P. Wendler, F. U. Hartl, A. Bracher, M. Hayer-Hartl (2015). Structure and mechanism of the Rubisco assembly chaperone Raf1. Nat Struc Mol Biol. 22(9):720-8
  8. Ciniawsky, S., I. Grimm, D. Saffian, W. Girzalsky, R. Erdmann, P. Wendler (2015). Molecular snapshots of the Pex1/6 AAA+ complex in action. Nat Commun. 6:7331. doi:10.1038/ncomms8331
  9. Carroni, M., E. Kummer, Y. Oguchi, P. Wendler, D. K. Clare, I. Sinning, J. Kopp, A. Mogk, B. Bukau, H. Saibil (2014). Head-to-tail interactions of the coiled-coil domains regulate ClpB cooperation with Hsp70 in protein disaggregation. eLife 2014;10.7554/eLife.02481
  10. Desantis, M., E., E.A. Sweeny, D. Snead, E.H. Leung, M.S. Go, K Gupta, P. Wendler, J. Shorter (2013). Conserved distal loop residues in the Hsp104 and ClpB middle domain contact nucleotide-binding domain 2 and enable Hsp70-dependent protein disaggregation. J. Biol. Chem. 289(2):848-67, published online Nov 26, 2013
  11. Wendler, P., S. Ciniawsky, M. Kock, S. Kube (2012). Structure and function of the AAA+ nucleotide binding pocket. Biochim Biophys Acta  1823(1):2-4.
  12. Stotz M, O. Mueller-Cajar, S. Ciniawsky, P. Wendler, U. Hartl, A. Bracher, M. Hayer-Hartl (2011). Structure of green-type rubisco activase from tobacco. Nat Struc Mol Biol 18(12):1366-70.
  13. Mueller-Cajar, O., M. Stotz, P. Wendler, F.U. Hartl, A. Bracher, M. Hayer-Hartl (2011). Structure and function of the AAA+ protein CbbX, a red-type Rubisco activase. Nature 479(7372):194-9.
  14. Wendler, P., H. Saibil (2010). Cryo electron microscopy structures of Hsp100 proteins- crowbars in or out?. Biochem. Cell Biol. 88:89-96
  15. Wendler, P. (2010). Hsp104- ein eiskaltes Hitzeschockprotein. BIOspektrum 6:648-650.
  16. Wendler, P., J. Shorter, D. Snead, C. Plisson, D. K. Clare, S. Lindquist, H. Saibil (2009). Motor mechanism for protein threading through Hsp104. Mol Cell 34:81-92
  17. Wendler, P., J. Shorter, C. Plisson, A. Cashikar, S. Lindquist, H. Saibil (2007). Atypical AAA+ subunit packing creates an expanded cavity for disaggregation by the protein-remodeling factor Hsp104. Cell 131(7):1366-77
  18. Puri, T., P. Wendler*, B. Sigala, H. Saibil, IR. Tsaneva (2007). Dodecameric structure and ATPase activity of the human TIP48/TIP49 complex. J Mol Biol. 366(1):179-92