Structural Proteomics of the Fungal Cell Wall

Autor: Reithofer, Viktoria, Essen, Lars-Oliver (Prof. Dr.)
Jazyk: angličtina
Rok vydání: 2021
Předmět:
DOI: 10.17192/z2021.0105
Popis: Fungi are surrounded by a thick layer of carbohydrates and proteins, which is essential for the cell’s viability – the fungal cell wall. Proteins are incorporated into this organelle in different ways: some are covalently linked to the carbohydrate moiety of the cell wall via Glycosylphosphatidylinositol (GPI)-anchors or alkali-sensitive linkages, others are indirectly attached to the cell wall via disulfide bonds. Cell wall proteins are involved in various cellular functions, such as cell wall biosynthesis, adhesion to external surfaces, or sensing. The GPI-anchored cell wall proteome of the thermophilic model organism Chaetomium thermophilum was identified in the first part of this thesis. First, a prediction of GPI-proteins, anchored to the cell wall and the plasma membrane was done. The prediction was then complemented by mass-spectrometric identification of GPI-anchored cell wall proteins in isolated cell walls. The detected proteins were then analyzed concerning their functions and putative roles and interesting targets for pharmaceutical applications and fundamental research were established, including Gel1/2, Kre9/Knh1, and Ecm33. In addition, the ultrastructure of the C. thermophilum cell wall was analyzed via transmission electron microscopy, revealing short microfibrils in its outer layer and its similarity to the cell wall of S. cerevisiae. The thesis then advances to the analysis of the A-domains of the Candida glabrata adhesins Awp1 and Awp3, which are members of adhesin cluster VI. Although the fungal pathogen lacks certain virulence factors – such as hyphae formation – C. glabrata infections are commonly observed; its large repertoire of adhesins is believed to be the reason therefore. Awp1A and Awp3A both consist of a β helix domain and an α crystallin domain. They are structurally similar to carbohydrate binding proteins, e. g. polysaccharide lyases, but carbohydrate binding could not be observed. A sequence similarity network (SSN) elucidates their high similarity to cluster V adhesins Awp2 and Awp4 and thereby reinforces previous classifications. The structures of Awp1 and Awp3 provide first insights into new types of adhesins in C. glabrata that include the adhesin clusters V and VI. Furthermore, the G-protein coupled receptor Pth11 from C. thermophilum was analyzed. It contains an N-terminal CFEM domain – a domain exclusively found in fungal cell wall and plasma membrane proteins – that is predicted to be the ligand binding site. The CtPth11 CFEM domain consists of five α helices and reveals two potential binding sites, divided by F48. Distinct conformers of F48 allow formation of a tunnel through the domain. A model of the CtPth11 CFEM domain and transmembrane region – based on prediction of neighboring residues via sequence covariation analysis – shows that both potential binding sites are accessible. In a fragment screen, four fragments were bound in the same cavity; three of them could be fitted into their respective electron densities. These hydrophobic fragments are placed in the hydrophobic cavity, with only few additional interactions, which is in accordance with the proposal that Pth11 senses hydrophobic cues on the plant surface.
Pilze sind von einer dicken Schicht aus Kohlenhydraten und Proteinen umgeben, die für die Lebensfähigkeit der Zelle essentiell ist – der pilzlichen Zellwand. Proteine sind auf unterschiedliche Arten in dieses Organell integriert: einige sind kovalent an den Kohlenhydratanteil der Zellwand gebunden, entweder über Glycosylphosphatidylinositol (GPI)-Anker oder alkaliempfindliche Bindungen, andere indirekt über Disulfidbindungen. Zellwandproteine sind an unterschiedlichen zellulären Funktionen beteiligt, wie der Zellwandbiosynthese, der Adhäsion an Oberflächen oder der Sensorik. Im ersten Teil dieser Arbeit wurden die GPI-verankerten Proteine des thermophilen Modellorganismus Chaetomium thermophilum identifiziert. Zunächst wurde eine Vorhersage der an Zellwand und Plasmamembran befindlichen GPI-Proteine durchgeführt. Die Vorhersage wurde durch den massenspektrometrischen Nachweis der GPI-verankerten Zellwandproteine in isolierten Zellwänden ergänzt. Die detektierten Proteine wurden hinsichtlich ihrer Funktionen und mutmaßlichen Rollen analysiert. Interessante Targets für pharmazeutische Anwendungen und Grundlagenforschung konnten ermittelt werden, u. a. Gel1/2, Kre9/Knh1 und Ecm33. Zusätzlich wurde die Ultrastruktur der Zellwand von C. thermophilum mittels Transmissionselektronenmikroskopie analysiert, wobei kurze Mikrofibrillen in der äußeren Zellwandschicht und Ähnlichkeit zu der Zellwand von S. cerevisiae festgestellt werden konnten. Die Arbeit behandelt im zweiten Teil die Analyse der A-Domänen der Candida glabrata Adhäsine Awp1 und Awp3, die Mitglieder des Adhäsinclusters VI sind. Obwohl diesem humanpathogenen Pilz bestimmte Virulenzfaktoren - z. B. zur Hyphenbildung - fehlen, werden C. glabrata Infektionen häufig beobachtet, wobei sein großes Repertoire an Adhäsinen einer der wesentlichen Gründe sein sollte. Awp1A und Awp3A bestehen beide aus einer β-Helix-Domäne und einer α-Kristallin-Domäne. Sie ähneln strukturell kohlenhydratbindenden Proteinen, z. B. Polysaccharid-Lyasen. Allerdings konnte keine Bindung von Kohlenhydraten an Awp1-Typ Adhäsinen nachgewiesen werden. Ein Sequenzähnlichkeitsnetzwerk leitet eine hohe Ähnlichkeit zu den Adhäsinen Awp2 und Awp4 des Adhäsinclusters V ab und untermauert damit frühere Klassifizierungen. Die Strukturen von Awp1 und Awp3 geben erste Einblicke in neue Typen von Adhäsinen in C. glabrata, zu denen Adhäsine der Cluster V und VI gehören. Weiterhin wurde der G-Protein-gekoppelte Rezeptor Pth11 aus C. thermophilum analysiert. Er enthält eine N-terminale CFEM-Domäne - diese Domäne kommt ausschließlich in Pilzzellwand- und Plasmamembranproteinen vor -, die als Ligandenbindungsstelle vorhergesagt wurde. Die CFEM-Domäne von CtPth11 besteht aus fünf α-Helices und weist zwei potenzielle Bindungsstellen auf, die durch F48 geteilt werden. Bestimmte Orientierungen des Aminosäurerestes F48 ermöglichen die Bildung eines Tunnels durch die Domäne. Ein Modell der CtPth11-CFEM-Domäne und der Transmembranregion - basierend auf der Vorhersage benachbarter Reste mittels Sequenzkovarianzanalyse - zeigt, dass beide potenziellen Bindungsstellen zugänglich sind. In einem Fragment-Screen wurden vier Fragmente an der gleichen Bindestelle gebunden; drei davon konnten in die jeweiligen Elektronendichten modelliert werden. Diese hydrophoben Fragmente sind in der hydrophoben Bindestelle platziert und weisen nur wenige zusätzliche Interaktionen auf, was zu der Hypothese passt, dass Pth11 hydrophobe Charakteristika auf der Pflanzenoberfläche wahrnimmt.
Databáze: OpenAIRE
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