Molecular mechanisms in homocystinuria: spatial arrangement of human cystathionine β-synthase

Abstract

Chybné sbalování proteinů je považováno za hlavní patogenetický mechanismus homocystinurie z deficitu cystathionin beta-synthasy (CBS). Cílem této práce bylo studium molekulových mechanismů, které vedou k chybnému sbalování mutantních forem CBS. V první části práce jsme studovali prostorové uspořádání normální lidské CBS. Pomocí diferenčního kovalentního značení povrchově dostupných aminokyselinových zbytků jsme identifikovali kontaktní plochu mezi katalytickým jádrem a regulační doménou v lidské CBS a následně jsme navrhli strukturní model plnodélkového enzymu. V další části práce jsme studovali evoluční divergenci proteinových struktur CBS. Provedli jsme fylogenetickou analýzu, která odhalila unikátní uspořádání pro CBS z třídy nematod; doménová architektura CBS z Caenorhabditis elegans byla podrobně studována experimentálně. Nakonec jsme studovali konformační vlastnosti vybraných mutantních forem lidské CBS, které měly do různé míry narušenou tvorbu tetrameru a sníženou enzymovou aktivitu. Pomocí proteolytických technik s využitím thermolysinu jsme analyzovali devět mutantních forem, které byly exprimovány v E.coli. Zjistili jsme, že rozbalení struktury je běžným jevem při chybném sbalování mutantních CBS. Důležitost rozbalení proteinů pro patogenesi deficitu CBS byla dále prokázána pomocí...

Protein misfolding is considered to be the major pathogenic mechanism in homocystinuria due to cystathionine beta-synthase (CBS) deficiency. The aim of this work was to study molecular mechanisms underlying protein misfolding of CBS mutants. Firstly, we studied spatial arrangement of normal human CBS protein. Using data from differential covalent labeling of solvent-exposed aminoacid residues, we identified interdomain contact area between the catalytic core and the regulatory domain in human CBS, and we subsequently generated the structural model of the full-length CBS. In the next step, we studied evolutionary divergence of CBS protein structures. We performed phylogenetic analysis that revealed unique spatial arrangement of CBS enzyme in nematodes; the domain architecture of CBS in Caenorhabditis elegans was studied experimentally in more detail. Finally, we determined conformational properties of a representative set of human CBS mutants that exhibited in various extent affected formation of tetramers and decreased catalytic activity. Using thermolysin-based proteolytic techniques for analysis of nine mutants expressed in E.coli, we found that an unfolded structure is a common intermediate occurring in CBS misfolding. The importance of protein unfolding for pathogenesis of CBS deficiency was...