Vergleichende Struktur-/Funktionsanalyse von Adhäsionsdomänen pathogener und nicht-pathogener Hefen

Autor: Kock, Michael Alexander
Jazyk: němčina
Rok vydání: 2016
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DOI: 10.17192/z2015.0343
Popis: Yeasts are able to adapt to a broad variety of different ecological conditions and to therefore colonize a vast number of habitats. The first interface for interaction with the surrounding medium is the unique fungal cell wall with its embedded integral cell wall proteins. A huge number of these proteins serve in cell/cell- and cell/substrate-adhesion. They play a crucial role in many processes of fungal lifestyles. An important family of fungal adhesins uses a common domain architecture for binding of glycan structures. The A-domain, which works in a C-type-lectin like manner, is followed by a repetitive and highly O-glycosylated intermediate B-region. The fixation to the cell wall is provided by transglycosylation of a glycosylphosphatidylinositol-anchor (GPI-anchor), which is part of the terminal C-domain. The glycan recognizing A-domain is structurally related to the PA14 domain of the protective antigen of Bacillus anthracis. It harbours a unique motif of two consecutive aspartate-residues connected via a cis-peptide bond, which coordinate a Ca2+-ion. In combination with different loop-regions the affinity and specificity for specific glycans is generated. Using a global bioinformatical and phylogenetic analysis, new subtypes of these adhesins with conserved features could be identified in several ascomycetes. Cea1A, a member of a new subtype from Pichia pastoris, was investigated using X-ray crystallography and biophysical as well as in vivo studies. This adhesin binds to N-acetylglucosamine und mediates the highly specific and affine recognition of non-reducing ends of non-crystalline chitinous polymers. The structure of Cea1A shows, beside a unique stalk-shaped subdomain, a subtype-specific binding mode combining a compact binding pocket with ionic interactions. This adhesin may represent the molecular base of yeast/insect-symbiosis or pathogenesis. PpFlo1A is a further adhesin of this subtype, which is showing structural similarities, and which might be important in the recognition of Pichia-subpopulations. Three epithelial adhesins, Epa1A, Epa6A and Epa9A were structurally and functionally further characterized. This adhesin-subtype is used by the pathogenic yeast Candida glabrata for adhesion to epithelial cells via their recognition of surface galactosides. Different complex structures of these adhesins revealed that a functional classification is not strictly linked to phylogenetic dependencies. Flo10A belongs to the flocculin-subtype, which is applied by the budding yeast Saccharomyces cerevisiae in vegetative aggregation and floc formation. Structural investigations using this flocculin showed that the insertion of subdomains in the region of the flexible loops has a major effect on the conformation of the binding pocket and ligand recognition. The connection of intra-subtype investigations with a global analysis led to the picture of a complex yet highly adaptive kind of adhesion-proteins with conserved features.
Hefen sind in der Lage sich an unterschiedlichste Umweltbedingungen anzupassen und dadurch eine große Anzahl von Habitaten zu besiedeln. Die erste Kontaktfläche mit ihrer Umwelt bilden Hefen mit ihrer einzigartigen Zellwand und den darin integrierten Zellwandproteinen. Ein großer Teil dieser Proteine, darunter die GPI-verankerten Zellwandproteine (GPI-CWP), dient zur Zell/Zell- oder Zell/Substrat-Adhäsion und spielt damit eine essentielle Rolle in der Lebensweise der Hefen. Einige dieser Proteine sind in der Lage Glycanstrukturen zu binden und zeigen einen gemeinsamen Domänenaufbau. Einer C-Typ-Lektin-artigen A-Domäne folgt eine mittlere, hoch repetitive und O-glycosylierte B-Region. Die Fixierung dieser Zellwandproteine gelingt durch die Transglycosylierung eines in der C-Domäne befindlichen Glycosylphosphatidylinositolankers. Die Glycanbindedomäne basiert strukturell auf der PA14-Domäne des protektiven Antigens von Bacillus anthracis. Sie enthält ein ungewöhnliches Motiv aus zwei konsekutiven, mit einer cis-Peptidbindung verbundenen Aspartaten, welche ein Ca2+-Ion komplexieren. Zusammen mit Aminosäureresten aus verschiedenen Schleifenbereichen wird hiermit die Affinität und Spezifität der Glycanbindung erzeugt. In dieser Arbeit gelang es, mittels einer sorgfältigen bioinformatischen und phylogenetischen Studie, neue Subtypen mit konservierten Eigenschaften dieser Adhäsinfamilie in Ascomyceten zu identifizieren. Cea1A, ein charakteristisches Mitglied des Pichia-Subtyps, konnte hierbei funktionell sowie strukturell charakterisiert werden. Dieses Adhäsin bindet an N-Acetylglucosamin und vermittelt damit die spezifische und hochaffine Erkennung nicht-reduzierender Enden nicht-kristalliner chitinöser Polymere. Die Struktur von Cea1A zeigt, neben einer neuartigen, stielförmigen Subdomäne, einen eigenständigen Bindungsmodus, welcher eine kompakte Bindungstasche und ladungsgetriebene Interaktionen verbindet. Cea1A könnte hiermit die molekulare Grundlage der Vergesellschaftung von Hefen mit Insekten darstellen. PpFlo1A, ein weiteres Adhäsin dieser neuartigen Gruppe, zeigt strukturelle Ähnlichkeiten und dient möglicherweise zur Erkennung einer Subpopulation von Pichia-Hefen. Im Rahmen dieser Arbeit konnten weiterhin drei epitheliale Adhäsine aus dem Humanpathogen Candida glabrata, Epa1A, Epa6A und Epa9A, strukturell und funktionell weitergehend untersucht werden. Dieser Subtyp der pilzlichen Adhäsine dient, unter Bindung von Galactosiden auf Epithelzellen, zur Etablierung der Pathogenität von C. glabrata. Durch die Lösung von Komplexstrukturen konnte gezeigt werden, dass eine funktionelle Klassifizierung nicht zwingend mit phylogenetischer Verwandtschaft einhergeht. Mit der strukturellen Untersuchung von Flo10A, einem Adhäsin des Flokkulin-Subtyps, welcher zur vegetativen Zellaggregation in Saccharomyces cerevisiae dient, konnte schließlich gezeigt werden, dass die Insertion von Subdomänen im Bereich der flexiblen Loops einen direkten Einfluss auf die Konformation der Bindungstasche und damit die Bindungseigenschaften hat.
Databáze: OpenAIRE
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