Mechanismen von Hsp100 Chaperonen

• Antragsteller: Privatdozent Dr. Axel Mogk
• Fachliche Zuordnung: Biochemie ; Strukturbiologie
• Förderung: Förderung von 2008 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 62379277

Hsp100 Chaperone sind ring-bildende und ATP-getriebene Maschinen, welche Proteinsubstrate entfalten. Hsp100s haben wichtige Funktionen in bakterieller Physiologie, Virulenz und Stressresistenz, indem sie das Modellieren von Substraten an Degradations- und Rückfaltungsprozesse koppeln. Substratselektion sowie ATPase Aktivitäten von Hsp100s sind genau kontrolliert und der Verlust dieser Kontrolle ist toxisch für Zellen. Die Deregulation von Hsp100s durch kleine Moleküle stellt eine neue antibakterielle Strategie dar. Hsp100s sind im Grundzustand reprimiert und benötigen die Interaktion mit Partnerproteinen und Substraten um einen aktivierten Zustand zu erlangen, welcher hohe ATPase and Remodellierungsaktivitäten aufweist. Die Mechanismen der Aktivitätskontrolle, sowie das Ausmaß der Aktivierung sind divers und sind maßgeschneidert für die physiologischen Funktionen von Hsp100s.Unsere vorherigen Arbeiten ergaben verschiedene Punkte, welche für dieses Vorhaben relevant sind. Wir bestimmten die grundsätzlichen Kontrollmechanismen der Hsp100s ClpB und ClpC, welche durch Bindung von Partnerproteinen (Hsp70, MecA) an regulatorische M-Domänen (MDs) aktiviert werden. Ein genaue biochemische Untersuchung des Mechanismus der ATP Hydrolyse durch ClpB verbunden mit cryo EM Strukturanalyse impliziert, dass die Aktivierung einen sequentiellen ATP Hydrolysemechanismus induziert, welcher mit koordinierter Substratmodellierung verbunden ist. Die Modellierungskraft von ClpB ist gering im Vergleich zu anderen Hsp100s und verweist auf unbekannte Mechanismen, welche die Aktivierung begrenzen. Wir zeigten weiterhin, dass die Kinase McsB sowie das antibakterielle Molekül Cyclomarin A (CymA) ClpC in einer MD-unabhängigen Weise aktivieren. Dies verweist auf neuartige Mechanismen der ClpC Aktivierung. Schließlich identifizierten wir ClpG als autonome Disaggregase, welche Bakterien eine höhere Hitzeresistenz verleiht. ClpG bindet direkt an Proteinaggregate mittels einer einzigartigen N-terminalen Domäne.Wir planen unsere Studien zu den diversen Kontrollmechanismen von Hsp100 Proteinen, welche essentiell für deren Funktion sind und gleichzeitig Zellen vor schädlichen Aktivitäten schützen, fortzuführen. Wir werden folgende Hauptfragen adressieren:- Wie treiben Kommunikationen innerhalb der ClpB Ringstruktur den sequentiellen ATPase Mechanismus voran? Welcher Mechanismus limitiert die ClpB Aktivierung und sorgt für maximale Disaggregationsaktivität?- Wie aktivieren CymA und McsB ClpC? Was ist die mechanistische Basis der toxischen ClpC Aktivierung durch CymA?- Was ist die strukturelle Basis der einzigartigen Fähigkeit von ClpG mit aggregierten, nicht jedoch löslichen missgefalteten Proteinen zu interagieren?Mit diesen Ansätzen soll ein umfassendes Verständnis der einzelnen Schritte der Hsp100 Aktivitätskontrolle erzielt werden: Substratbindung, Aktivierung durch Partner und die Umwandlung erhöhter ATPase Aktivitäten in eine mechanische Kraft zur Substratmodellierung.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen