Unraveling molecular mechanisms involved in the action of Cytotoxic Necrotizing Factors (CNFs)
Cytotoxic necrotizing factors (CNFs) are protein toxins that are produced by a variety of pathogenic bacteria. As AB-type toxins, CNFs consist of a translocation subunit and a catalytic domain that deaminates Rho GTPases and induces toxicity resulting in the formation of stress fibers and multi-nuclei of host cells. Over 40 years ago, the first CNF member, CNF1, was discovered in E. coli isolated from enteritis-infected children. Research into the action mechanism of CNF has been commenced since then, and steps involved in the action process have been roughly studied, but there are still key details that need to be revealed. CNFs share high sequence similarity, while they exhibit different properties in certain aspects. Therefore, it is interesting to study the mechanism by comparing different members and investigating the reasons for the dissimilarity. In this thesis, the crystal structure of CNF1 has been determined and compared to the crystal structure of the CNF from Yersinia pseudotuberculosis (CNFY), which was published several years ago. Like CNFY, CNF1 can be divided into five domains, although they arrange in a different way resulting in a less compact particle. The endocytosis of CNFs is a procedure that depends on a receptor and on low pH. The initial step is binding the receptor(s). It is well-known that CNFY does not bind to the receptors that have been identified as the receptors of CNF1, but the reasons have never been clarified before. Hence, the complex of CNF1 and its known receptor Lu/BCAM has been prepared and analyzed by means of X-ray diffraction. From the structure of the complex, three regions located in two loops and one β-sheet, respectively, have been determined as interaction sites between CNF1 and Lu/BCAM. Swapping these three regions in CNF1 with the corresponding sequences of CNFY abolished the affinity of CNF1 for Lu/BCAM. The catalytic domains of CNFs function as deaminases, specifically removing the amine group of certain glutamines in small GTPases, leading to their constitutively active forms. Although the structures of CNF1 and CNFY catalytic domains have been elucidated, no crystal structures of CNFs in complex with their substrates have been obtained, leaving the question of what determines their distinct substrate specificities open. To shed light on the underlying mechanism of CNFs' distinct substrate specificities, a complex of the CNF1 catalytic domain and its substrate, RhoA, with a linker connecting the two proteins was prepared. After crystallizing the complex, an analysis of the resulting crystal structure suggested that two loops in the catalytic domain are crucial in determining the substrate specificities of CNFs. An unknown domain that enters the cytosol along with the catalytic domain was discovered within the structures of CNFY and CNF1. Efforts have been made in this thesis to elucidate the function of this domain, but no clear role could be assigned to this domain. However, the conducted experiments exclude some hypotheses and probably could provide some useful information for future work.
Cytotoxische nekrotisierende Faktoren (CNFs) sind Proteintoxine, die von einer Vielzahl pathogener Bakterien produziert werden. Als AB-Typ-Gifte bestehen CNFs aus einer Translokationseinheit und einer katalytischen Domäne, die Rho-GTPasen deaminieren und Toxizität induzieren, einschließlich der Bildung von Stressfasern und Multikernbildung in Wirtszellen. Vor mehr als 40 Jahren wurde das erste CNF-Mitglied, CNF1, aus E. coli isoliert, welches aus an Enteritis erkrankten Kindern stammte. Seitdem wurde der Wirkmechanismus von CNF untersucht, und die Schritte, die am Wirkungsprozess beteiligt sind, wurden grob verstanden. Allerdings gibt es hier immer noch entscheidende Punkte, die auf ihre Aufklärung warten. CNFs weisen eine hohe Sequenzähnlichkeit auf, während sie in bestimmten Aspekten unterschiedliche Eigenschaften zeigen. Daher ist es sinnvoll, den Mechanismus zu untersuchen, indem man verschiedene Mitglieder vergleicht und die Gründe für diese Unterschiede untersucht. In dieser Arbeit wurde die Kristallstruktur von CNF1 gelöst und mit der Kristallstruktur des CNF von Yersinia pseudotuberculosis (CNFY), die vor mehreren Jahren veröffentlicht wurde, verglichen. Sowohl CNFY als auch CNF1 können in fünf Domänen unterteilt werden, allerdings ordnen diese sich in CNF1 im Gegensatz zu CNFY zu einem weniger kompakten Partikel an. Die Endozytose von CNFs ist ein Prozess abhängig von Rezeptor(en) und niedrigem pH-Wert. Der erste Schritt besteht darin, an einen oder mehrere Rezeptoren zu binden. Es ist allgemein bekannt, dass CNFY nicht die Rezeptoren nutzen kann, die als Rezeptoren für CNF1 identifiziert wurden. Da der Grund bisher nicht geklärt wurde, wurde im Rahmen dieser Arbeit der Komplex aus CNF1 und seinem bekannten Rezeptor Lu/BCAM hergestellt und die Kristallstruktur mittels Röntgenbeugung analysiert. Aus der Struktur des Komplexes wurden drei Regionen in zwei Schleifen und einem β-Faltblatt separat als Wechselwirkungsstellen zwischen CNF1 und Lu/BCAM bestimmt. Das Austauschen dieser drei Regionen in CNF1 durch die entsprechenden Sequenzen von CNFY entzog CNF1 die Affinität zu Lu/BCAM. Die katalytischen Domänen von CNFs fungieren als Deaminasen und entfernen spezifisch die Aminogruppe bestimmter Glutamine in kleinen GTPasen, was zu ihren konstitutiv aktiven Formen führt. Obwohl die Strukturen der katalytischen Domänen von CNF1 und CNFY aufgeklärt wurden, wurden keine Kristallstrukturen von CNFs in Komplex mit ihren Substraten erhalten, was die Frage offen lässt, was ihre unterschiedlichen Substratspezifitäten bestimmt. Um den zugrunde liegenden Mechanismus der unterschiedlichen Substratspezifitäten von CNFs zu untersuchen, wurde ein Komplex der katalytischen Domäne von CNF1 und seinem Substrat RhoA, verbunden durch einen Linker, vorbereitet. Nach der Kristallisation des Komplexes deutete eine Analyse der resultierenden Kristallstruktur darauf hin, dass zwei Schleifen in der katalytischen Domäne entscheidend für die Bestimmung der Substratspezifitäten von CNFs sind.
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