Mechanismen der Bildung und funktionelle Eigenschaften von Lipoprotein-Discs, die durch amphiphile Maleinsäure enthaltende alternierende Copolymere stabilisiert werden
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In der Membranproteinforschung führte die Anwendung von Copolymeren, in denen sich Maleinsäureeinheiten mit (variablen) Kohlenwasserstoffeinheiten abwechseln (MACPs), zu einem wichtigen methodischen Durchbruch. Verschiedene MACPs können Membranproteine sowohl aus künstlichen als auch aus natürlichen Lipiddoppelschichten herauslösen und dabei scheibenförmige von MACPs eingeschlossene Lipid / Lipoprotein-Partikel mit einheitlichen Durchmesser im Bereich von 10 - 30 nm bilden. Die Enzyme scheinen in den MACP-Partikeln funktionsfähig zu bleiben. Daher macht diese Methode nun selbst solche Membranproteine, die in Gegenwart von Detergenzien instabil sind, für Techniken zugänglich, die homogene wasserlösliche (einzelne) Partikel erfordern. Optimierte Protokolle für die Proteinextraktion durch MACPs sollten zu nativ-ähnliche Umgebungen innerhalb der MACP-Lipid/Lipoprotein-Partikel führen. Das vorliegende Projekt zielte darauf ab, ein physikalischchemisches Bild der Bildung von MACP-Nanopartikeln zu zeichnen, die Wechselwirkungen zwischen ihren Komponenten zu analysieren und mögliche Auswirkungen der eingeschränkten Lipidumgebung in diesen Partikeln auf die Konformationsdynamik des enthaltenen Membranproteins zu bewerten. Molekulardynamiksimulationen von Styrol-Maleinsäure (SMA)-Copolymeren mit Lipiddoppelschichten zeigten die spontane Bildung von scheibenförmigen SMA-Lipidpartikeln (SMALPs) mit statistischen und periodischen 3:1-SMA-Copolymeren. Dabei können die Mechanismen der Wechselwirkung von SMA-Copolymeren mit Lipiddoppelschichten je nach Zusammensetzung und Kettenlänge der SMA-Copolymere unterschiedlich sein. Im Vergleich zu Liposomen ist die Lipiddynamik in SMALPs eingeschränkt, wie die mittels ESR-Spektroskopie ermittelte Reorientierungsdynamik von lipidgebundenen Nitroxiden zeigt. In Diisobutylen/Maleinsäure-Lipidpartikeln (DIBMALPs) unterschiedlicher Lipidzusammensetzung ist die Lipiddynamik unabhängig von der Größe der Nanopartikel und ähnelt der in Liposomen. Der Photozyklus und die Konformationsdynamik des rekonstituierten Lichtsensorkomplexes NpSRII/NpHtrII, der hier als Modellsystem diente, bleiben in SMALPs und DIBMALPs im Allgemeinen erhalten. Das Protein erwies sich in SMALPs als weniger flexibel, wobei großräumige Konformationsänderungen (im Millisekundenbereich) der Transmembranregion von NpSRII stärker eingeschränkt waren. Die Optimierung unserer Protokolle ermöglichte eine Ausweitung der Anwendung von MACPs und führte zu einer erfolgreichen Solubilisierung von in Säugetier- oder Hefezellen exprimierten Membranproteinen. So konnten die porenbildenden α-Untereinheiten hKCNH5 und hKCNQ1 menschlicher neuronaler und kardialer spannungsabhängiger Kaliumkanäle in voller Länge und das Fusionskonstrukt von hKCNQ1 mit seiner regulatorischen transmembranen KCNE1 β-Untereinheit (hKCNE1-hKCNQ1) als Tetramere in SMALPs rekonstituiert werden. Strukturelle Informationen über den Hefezellwandsensor Wsc1 konnten nach seiner detergenzfreien Extraktion aus der Hefeplasmamembran in eine nativ-ähnliche Membranumgebung durch SMA gewonnen werden. Die Anwendung von SMALPs und DIBMALPs eröffnet somit neue Perspektiven für strukturelle, dynamische und funktionelle in-vitro- Untersuchungen von Membranproteinen, wobei mögliche Einschränkungen der Konformationsdynamik in der Transmembranregion der eingeschlossenen Proteine berücksichtigt werden müssen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Conformational dynamics of sensory rhodopsin II in nanolipoprotein and styrene-maleic acid lipid particles. Photochem Photobiol.
Mosslehy W, Voskoboynikova N, Colbasevici A, Ricke A, Klose D, Klare JP, Mulkidzhanyan AY, Steinhoff HJ
(Siehe online unter https://doi.org/10.1111/php.13096) - Styrene/Maleic Acid Copolymers Form SMALPs by Pulling Lipid Patches out of the Lipid Bilayer. Langmuir
Orekhov PS, Bozdaganyan ME, Voskoboynikova N, Mulkidjanian AY, Steinhoff HJ, Shaitan KV
(Siehe online unter https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.8b03978) - Lipid dynamics in nanoparticles formed by maleic acidcontaining copolymers: EPR spectroscopy and molecular dynamics simulations. BBA Biomembranes 1862
Colbasevici A, Voskoboynikova N, Orekhov PS, Bozdaganyan ME, Karlova MG, Sokolova OS, Klare JP, Mulkidjanian AY, Shaitan KV, Steinhoff HJ
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.bbamem.2020.183207) - A Three-Dimensional Model of the Yeast Transmembrane Sensor Wsc1 Obtained by SMA- Based Detergent-Free Purification and Transmission Electron Microscopy. J.Fungi 2021,7, 118
Voskoboynikova N, Karlova M, Kurre R, Mulkidjanian A.Y, Shaitan K.V, Sokolova O.S, Steinhoff HJ, Heinisch JJ
(Siehe online unter https://doi.org/10.3390/jof7020118) - Detergent-free solubilization of human Kv channels expressed in mammalian cells. Chem Phys Lipids. 219:50-57
Karlova MG, Voskoboynikova N, Gluhov GS, Abramochkin D, Malak OA, Mulkidzhanyan A, Loussouarn G, Steinhoff HJ, Shaitan KV, Sokolova OS
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.chemphyslip.2019.01.013) - Evaluation of DIBMA nanoparticles of variable size and anionic lipid content as tools for the structural and functional study of membrane proteins. BBA - Biomembranes 2021
Voskoboynikova N, Margheritis EG, Kodde F, Rademacher M, Schowe M, Budke-Gieseking A, Psathaki OE, Steinhoff HJ, Cosentino K
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.bbamem.2021.183588) - Lipid Dynamics in Diisobutylene-Maleic Acid (DIBMA) Lipid Particles in Presence of Sensory Rhodopsin II. International Journal of Molecular Sciences 2021
Voskoboynikova N, Orekhov P, Bozdaganyan M, Kodde F, Rademacher M, Schowe M, Budke- Gieseking A, Brickwedde B, Psathaki OE, Mulkidjanian AY, Cosentino K, Shaitan KV, Steinhoff HJ
(Siehe online unter https://doi.org/10.3390/ijms22052548) - Mechanisms of Formation, Structure, and Dynamics of Lipoprotein Discs Stabilized by Amphiphilic Copolymers: A Comprehensive Review. Nanomaterials 2022, 12, 361
Orekhov PS, Bozdaganyan ME, Voskoboynikova N, Mulkidjanian AY, Karlova MG, Yudenko A, Remeeva A, Ryzhykau YL, Gushchin I, Gordeliy VI, Sokolova OS, Steinhoff H-J, Kirpichnikov MP, Shaitan KV
(Siehe online unter https://doi.org/10.3390/nano12030361)
