University of Groningen
Insights into the transport mechanism of energy-coupling factor transporters
Stanek, Weronika Karolina
IMPORTANT NOTE: You are advised to consult the publisher's version (publisher's PDF) if you wish to cite from it. Please check the document version below.
Document Version
Publisher's PDF, also known as Version of record
Publication date: 2018
Link to publication in University of Groningen/UMCG research database
Citation for published version (APA):
Stanek, W. K. (2018). Insights into the transport mechanism of energy-coupling factor transporters. University of Groningen.
Copyright
Other than for strictly personal use, it is not permitted to download or to forward/distribute the text or part of it without the consent of the author(s) and/or copyright holder(s), unless the work is under an open content license (like Creative Commons).
Take-down policy
If you believe that this document breaches copyright please contact us providing details, and we will remove access to the work immediately and investigate your claim.
Downloaded from the University of Groningen/UMCG research database (Pure): http://www.rug.nl/research/portal. For technical reasons the number of authors shown on this cover page is limited to 10 maximum.
169
STRESZCZENIE W JĘZYKU POLSKIM
Witaminy są składnikami odżywczymi niezbędnymi dla organizmów żywych. Wiele z nich jest wytwarzana w komórkach. Jednak u niektórych organizmów zdolność do wytwarzania wszystkich niezbędnych składników nie rozwinęła się i muszą one pozyskiwać je ze środowiska zewnętrznego. Kolejną opcją jest, że organizmy są w stanie same wytwarzać dany składnik, ale dodatkowo posiadają systemy pozwalające na wychwytywanie tego składnika z otoczenia.1 Pobieranie składników odżywczych ze środowiska odbywa się za
pomocą tak zwanych transporterów czyli białek osadzonych w błonie otaczającej komórkę i jej różne błonowe komponenty. Transportery pozwalają na selektywny przepływ cząsteczek pomimo ich wyższego stężenia wewnątrz komórek. O znaczeniu białek transportowych w organizmach prokariotycznych, czyli tych nie posiadających jądra komórkowego (bakterie i Archaea), świadczy wysoka zawartość (do 16%) genów kodujących tego typu białka w tych organizmach.2 Transportery są białkami wyspecjalizowanymi dla określonych
cząsteczek lub grup cząsteczek. Mechanizmy, które pozwalają na transport niezbędnych składników do wnętrza komórek, mogą znacząco się różnić. Niezmiernie interesujące jest jak odmienne sposoby transportu ewoluowały, aby dostosować się do transportu różnych substratów. Zainteresowaniem naszej grupy są transportery typu ECF (z ang. Energy-Coupling factor transporters).3 Te wyjątkowe transportery używają energię z hydrolizy
wysokoenergetycznego wiązania w cząsteczkach ATP aby transportować witaminy i mikroelementy przez błonę komórkową.3–7 Transportery ECF są zbudowane modułowo.8–10
Składają się z czterech głównych składowych tworzących kompleks: dwóch domen wiążących ATP nazywanych krótko EcfA i EcfA’ oraz dwóch domem całkowicie zanurzonych w błonie (EcfS, również nazywany S-komponentem, oraz EcfT). S-komponent odpowiedzialny jest za wyspecjalizowanie danego ECF transportera gdyż wiąże on substrat. Obecny model transportu w transporterach ECF bazujący na zgromadzonej do tej pory wiedzy to model zaproponowany w 2016 roku.6 Zakłada on, że jedna z błonowych domen, S-komponent, musi
ulegać odłączeniu (oddysocjowaniu) od reszty kompleksu oraz przewróceniu się (toppling) w płaszczyźnie błony do pozycji, w której może związać swój substrat ze środowiska zewnętrznego. W celu udowodnienia, że oddysocjowanie jest niezaprzeczalnie częścią mechanizmu transportu w interesujących nas białkach przeprowadziliśmy eksperymenty ze znakowanymi radioaktywnie witaminami. Zarówno analiza transportu witamin w żywych komórkach Escherichia coli (Rozdział 2) jak i w sztucznych systemach jakimi są liposomy (Rozdział 3) potwierdziła nasze przypuszczenia o odłączaniu się i ponownym przyłączaniu S-komponentów do kompleksu. W kolejnym rozdziale (Rozdział 4) staraliśmy się uchwycić proces dysocjacji oraz ponownej asocjacji na poziomie pojedynczych cząsteczek przy pomocy mikroskopii. Dalej (Rozdział 5), staraliśmy się nadać transportowi konkretny wymiar i scharakteryzowaliśmy transportery wyspecjalizowane w transporcie kwasu pantotenowego i foliowego. Rozpoczęliśmy również badania nad wpływem lipidów, składowych błony komórkowej, na stabilność i aktywność transporterów (Rozdział 6). W Rozdziale 7 opisane zostały próby wykorzystania różnych metod do detekcji zmiany konformacji S-komponentu z prostopadłego do powierzchni błony (wiązanie witamin na zewnątrz komórki) aż do prawie równoległego do błony komórkowej (uwolnienie substratu wewnątrz komórki). W ostatnim rozdziale przedstawione są poszukiwania alternatywnych wektorów pozwalających na
170
efektywną ekspresję transporterów ECF.
Opisane tutaj badania powiększają naszą wiedzę o mechanizmie działania i zachowaniu transporterów ECF. Jednakże nie udało nam się odpowiedzieć na wszystkie pytania dotyczące tego mechanizmu co wskazuje, że dalsze badania muszą być przedsięwzięte w celu całkowitego poznania działania tych transporterów. Rozwianie wszelkich nieścisłości pozwoli na zastosowanie zdobytej wiedzy do stworzenia specyficznych molekuł skierowanych przeciwko patogennym mikroorganizmom posiadającym transportery ECF.
REFERENCES
1. Jaehme, M. & Slotboom, D. J. Diversity of membrane transport proteins for vitamins in bacteria and archaea. Biochim. Biophys. Acta 1850, 565–576 (2015).
2. Ren, Q. & Paulsen, I. T. Large-scale comparative genomic analyses of cytoplasmic membrane transport systems in prokaryotes. J. Mol. Microbiol. Biotechnol. 12, 165– 179 (2007).
3. Henderson, G. B., Zevely, E. M. & Huennekens, F. M. Mechanism of folate transport in Lactobacillus casei: Evidence for a component shared with the thiamine and biotin transport systems. J. Bacteriol. 137, 1308–1314 (1979).
4. Henderson, G. B., Zevely, E. M. & Huennekens, F. M. Coupling of energy to folate transport in Lactobacillus casei. J. Bacteriol. 139, 552–559 (1979).
5. Karpowich, N. K. & Wang, D. Assembly and mechanism of a group II ECF transporter. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 110, 2534–9 (2013).
6. Swier, L. J. Y. M., Guskov, A. & Slotboom, D. J. Structural insight in the toppling mechanism of an energy-coupling factor transporter. Nat. Commun. 7, 11072 (2016). 7. ter Beek, J., Duurkens, R. H., Erkens, G. B. & Slotboom, D. J. Quaternary structure
and functional unit of energy coupling factor (ECF)-type transporters. J. Biol. Chem.
286, 5471–5475 (2011).
8. Rodionov, D. A. et al. A novel class of modular transporters for vitamins in prokaryotes. J. Bacteriol. 91, 42–51 (2009).
9. Slotboom, D. J. Structural and mechanistic insights into prokaryotic energy-coupling factor transporters. Nat. Rev. Microbiol. 12, 79–87 (2014).
10. Erkens, G. B., Majsnerowska, M., Ter Beek, J. & Slotboom, D. J. Energy coupling factor-type ABC transporters for vitamin uptake in prokaryotes. Biochemistry 51, 4390–4396 (2012).
11. Mehmood, S., Domene, C., Forest, E. & Jault, J.-M. Dynamics of a bacterial multidrug ABC transporter in the inward- and outward-facing conformations. Proc. Natl. Acad. Sci. 109, 10832–10836 (2012).
12. Swier, L. J. Y. M. On the transport mechanism of energy-coupling factor transporters. (University of Groningen, 2016).
13. Birkner, J. P., Poolman, B. & Kocer, a. Hydrophobic gating of mechanosensitive channel of large conductance evidenced by single-subunit resolution. Proc. Natl. Acad. Sci. 109, 12944–12949 (2012).
14. Champdoré, M. de, Staiano, M., Rossi, M. & D’Auria, S. Proteins from extremophiles as stable tools for advanced biotechnological applications of high social interest. J. R. Soc. Interface 4, 183–191 (2007).
171 15. Bao, Z. et al. Structure and mechanism of a group-I cobalt energy coupling factor
transporter. Cell Res. 27, 675–687 (2017).
16. Yu, Y. et al. Planar substrate-binding site dictates the specificity of ECF-type nickel/ cobalt transporters. Cell Res. 24, 267–77 (2014).
17. Chen, F. Y., Lee, M. T. & Huang, H. W. Evidence for membrane thinning effect as the mechanism for peptide-induced pore formation. Biophys. J. 84, 3751–3758 (2003).
18. Hsieh, M. H. et al. Measurement of Hanatoxin-Induced Membrane Thinning with Lamellar X-ray Diffraction. Langmuir 33, 2885–2889 (2017).
