Structural and biochemical studies of a posttranslational modification platform in early Eukaryota

Show full item record



Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-7578-6
Title: Structural and biochemical studies of a posttranslational modification platform in early Eukaryota
Author: Chiarini, Valerio
Other contributor: Helsingin yliopisto, bio- ja ympäristötieteellinen tiedekunta
Helsingfors universitet, bio- och miljövetenskapliga fakulteten
University of Helsinki, Faculty of Biological and Environmental Sciences
Integroivien biotieteiden tohtoriohjelma
Doktorandprogrammet i integrerande biovetenskap
Doctoral Programme in Integrative Life Science
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2021-10-28
Language: en
URI: http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-7578-6
http://hdl.handle.net/10138/334806
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: “Structure is more conserved than sequence”. This unanimously accepted concept, which states that two proteins with low sequence similarity (~30%) still feature the same fold, holds true only regarding the correlation between the sequence and the secondary structure elements (mainly helices and sheets) thanks to which an ordinate, three-dimensional arrangement is formed (i.e. in globular domains). For this reason, proteins lacking defined secondary motifs usually display no tertiary structure and are therefore designated as “disordered”. As such, their sequence offers no information about their structure. Interestingly, multi-domain proteins face a similar problem. That is because, although the sequence is informative about the structure of the individual globular domains, their three-dimensional arrangement depends on the domains’ surfaces and degree of freedom upon folding, which cannot be drawn from the sequence. That also means that, while (as stated before) the fold of the individual domains is mainly resistant to mutations, their relative position may be easily altered by them. That is the reason why multi-domain proteins often exert the biological functions of adaptors or scaffold elements instead of performing catalytic activity, for which the formation of an active site at the domain-domain interface is usually required. Due to the limitations of deriving a biological function from sequences of multi-domain proteins, this study structurally and functionally characterizes a three-domain protein (BUBL), formed by an intein flanked by two ubiquitin-like-domains (ubl). It is here demonstrated that BUBL exerts both catalytic and decoying functions as it can conjugate by protein XI splicing one of the three domains (N-ubl) either to itself or to a separate protein (TthRas GTPase) which is specifically lured by the C-ubl (baiting function). Resulting non-canonical ubiquitination, occurring in a single, concerted step and without energy consumption, is a representative example of how molecular evolution can produce the same biological goal by subverting the structural conservation normally required for its achievement. In the case presented here, two different post translational modifications (ubiquitination and protein splicing) are shown to functionally coexist in a unique combination forming a post translational platform, originated by the serendipitous insertion of the intein domain which, in most cases, is biologically inconsequential. This thesis discusses the proposed scientific hypothesis by using bioinformatics, modelling and simulation approaches in combination with experimental techniques of biochemistry and structural biology.Struktuuri on konservoituneempi kuin sekvenssi” on yleisesti hyväksytty konsepti, jonka mukaan kaksi proteiinia jotka ovat sekvenssiltään erilaisia (~30% asti) silti omaavat saman laskostumisrakenteen. Tämä pitää paikkansa proteiinin sekundäärirakenteiden osalta (yleisimmin kierre- ja levyrakenteet), jotka vuorostaan määrittävät proteiinin kolmiulotteisen (tertiäärisen) rakenteen. Vastaavasti proteiinit, joiden sekundäärimotiivit eivät ole selviä, usein eivät myöskään omaa tertiäärirakennetta ja ovat siten ”epäjärjestäytyneitä”. Tällaisten proteiinien joukkoon kuuluvat myös monidomeeniset proteiinit, joiden laskostumisrakenne ja siten biologiset toiminnot eivät ole ennustettavissa sekvenssistä. Monidomeenisten proteiinien sekvenssin perusteella voidaan osittain ennustaa ketjun yksittäisiä pallomaisia rakenteita, mutta ei näistä muodostuvaa kolmiulotteista rakennetta. Kolmiulotteiseen rakenteeseen vaikuttavat laskostuvien domeenien rajapintojen lisäksi domeenien välisten ketjujen pituus ja sitä seuraava laskostumisen vapausaste. Muodostuvat kolmiulotteiset rakenteet ovat herkkiä mutaatioille, minkä vuoksi monidomeeniset proteiinit esiintyvät luonnossa usein toiminnoissa, jotka sallivat suuremman laskostumisen vapausasteen (kuten proteiinien sovitus). Vastaavasti, monidomeenisia proteiineja ei usein esiinny katalyyttisissä toiminnoissa, jotka vaativat luonnossa konservoituneen laskostumisrakenteen aktiivisen kohdan muodostumiseksi. Rakenteen vaikean ennustettavuuden vuoksi monidomeenisten proteiinien biologisista toiminnoista ymmärretään vielä rajallisesti. Tässä tutkimuksessa luonnehditaan erään kolmidomeenisen proteiinin (BUBL) biologisia toimintoja ja rakennetta, joka koostuu kahden ubikitiinin kaltaisen domeenin (ubl) ympäröimästä inteiinistä. Tutkimus kuvaa kuinka BUBL voi silmukoinnin avulla konjugoida yhden kolmesta domeenista (N-ubl) itseensä tai toiseen proteiiniin (TthRas GTPaasi), jonka houkuttelee paikalle C-ubl (houkutin toiminto). Väitöskirjassa osoitetaan että BUBL voi yhdessä askeleessa toimia sekä katalyyttisesti että houkuttimena ilman energiankulutusta. Tämä löydös toimii esimerkkinä siitä, miten molekulaarinen evoluutio voi johtaa vaihtoehtoisiin tapoihin suorittaa biologinen toiminto, jotka yleensä vaatii luonnossa konservoituneen tarkan laskostumisrakenteen. Tutkimuksessa esitetään kuinka kaksi eri translaation jälkeistä muutosta (ubikitinylaatio ja proteiinisilmukointi) voivat toimia samanaikaisesti ja muodostaa translaation jälkeisen alustan inteiinidomeenin lisäyksen aktivoimana – domeenilla ei useimmiten ei ole biologista toimintoa. Väitöskirja lähestyy esitettyjä tieteellisiä hypoteesejä hyödyntäen bioinformatiikan, mallintamisen ja simuloinnin menetelmiä, yhdessä kokeellisen biokemian ja rakenteellisen biologian menetelmien kanssa.
Subject: biochemistry and structural biology
Rights: Julkaisu on tekijänoikeussäännösten alainen. Teosta voi lukea ja tulostaa henkilökohtaista käyttöä varten. Käyttö kaupallisiin tarkoituksiin on kielletty.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
chiarini_valerio_dissertation_2021.pdf 3.161Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record