Dokument: Neue Einblicke in die strukturelle Proteindynamik mittels Kernspinresonanz-Spektroskopie: Von Membranproteinen zu intrinsisch ungefalteten Proteinen

Titel:	Neue Einblicke in die strukturelle Proteindynamik mittels Kernspinresonanz-Spektroskopie: Von Membranproteinen zu intrinsisch ungefalteten Proteinen
Weiterer Titel:	Novel Insights into Structural Protein Dynamics by Nuclear Magnetic Resonance: From Membrane Proteins to Intrinsically Disordered Proteins
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=73311
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20260616-111431-9
Kollektion:	Publikationen
Sprache:	Deutsch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Habilitation
Medientyp:	Text
Autor:	Dr. Lakomek, Nils-Alexander [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 2,69 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 20.05.2026 / geändert 20.05.2026
Stichwörter:	Biophysik, Strukturbiologie, Proteindynamik, NMR, Membranproteine, intrinsisch ungeordnete Proteine
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie
Beschreibungen:	Die Dynamik von Proteinen ist essenziell für ihre Funktion. So treten Proteine häufig in verschiedenen räumlichen Konformationen auf. Den Übergang zwischen unterschiedlichen Konformationen bezeichnet man als strukturelle Proteindynamik. Ein besonderes Maß an Dynamik zeigen intrinsisch ungefaltete Proteine und Membranproteine, die an Membranfusion beteiligt sind und dafür mehrere Konformationsumwandlungen durchlaufen. Sie stehen im Fokus meiner Habilitationsschrift, insbesondere das HIV-1 Membranprotein gp41, das die Fusion der Virusmembran mit der Membran der Wirtszelle vorantreibt, und die SNARE Proteine, die eine zentrale Rolle bei der Fusion synaptischer Vesikel und der damit verbundenen Freisetzung von Neurotransmittern spielen. Zwischen beiden Proteinsystemen gibt es Parallelen hinsichtlich der Membranfusion, da beide die Membranfusion durch die Ausbildung kompakter Helixbündel vorantreiben. Ziel meiner Arbeiten ist ein besseres Verständnis der strukturellen Dynamik dieser Proteine auf molekularer Ebene und mit Aminosäurereste-spezifischer Auflösung. Zur Charakterisierung der strukturellen Dynamik intrinsisch ungeordneter Proteine oder von Membranproteinen wurden NMR-Relaxationsmethoden weiterentwickelt. Diese lassen sich auf eine Vielzahl von Proteinen anwenden. Wir beobachteten eine hohe strukturelle Dynamik von HIV-1 gp41 auf mehreren Zeitskalen, sowohl auf der schnellen Piko- bis Nanosekunden-Zeitskala, die man an als Flexibilität des Proteins interpretieren kann, wie auch auf einer Mikrosekunden-Zeitskala, auf der strukturelle Umlagerungsprozesse und Konformationsänderungen stattfinden. Unsere Daten deuten auf die Population eines Prä-Fusions-Zwischenzustands hin. Für das vesikuläre SNARE-Protein Synaptobrevin-2 finden wir, dass es in seinem monomeren Zustand vor der Fusion intrinsisch ungefaltet ist und eine hohe intrinsische Flexibilität aufweist. Eine zunehmende Steifigkeit vom N- zum C-Terminus, die mit einer Steigerung der Lipidbindungsaffinität korreliert, wird beobachtet, ebenso wie eine schwache Lipidbindung des gesamten SNARE-Motivs, was eine Überarbeitung der derzeitigen Modelle der vesikulären Membranfusion nahelegt, die bisher von einer Membranbindung allein über die Transmembranregion ausgehen. Unsere Ergebnisse für das SNARE-Protein SNAP25a zeigen, dass es in seinem monomeren Zustand vor der Fusion hauptsächlich intrinsisch ungeordnet vorliegt, inklusive des C-terminalen SNARE-Motivs. Nur die N-terminalen 35 Aminosäurereste von SNAP25a weisen eine α-helikale Konformation auf. Dies legt eine Funktion als Nukleationspunkt für die Assemblierung des SNARE Komplexes nahe. Um die Größenlimitierung für eine Untersuchung des Proteinrückgrats mittels Lösungs-NMR (im Bereich von 100 kDa bis 200 kDa) zu überwinden, haben wir die Protonen-detektierte Festkörper-NMR-Spektroskopie für die Anwendung an Membranproteinen optimiert. Wir konnten die ersten hochauflösenden Protonen-detektierten Festkörper-NMR-Spektren des β Fass-Membranproteins OmpX in einer Lipid-Nanodisc-Umgebung mit schnellem MAS (100 kHz) aufnehmen. Darüber hinaus konnten Protonen-detektierte dreidimensionale Zuordnungsexperimente für die Nichtstrukturproteine NS4B und NS5A des Hepatitis C-Virus aufgenommen und strukturelle Einblicke in ihre Membrantopologie und Domänendynamik gewonnen werden. Protein dynamics are essential for protein function. Proteins often exist in various spatial conformations. The transition between different conformations is called structural protein dynamics. Intrinsically disordered proteins and membrane proteins that are involved in membrane fusion undergo multiple conformational changes and exhibit a particularly high degree of dynamics. They are the focus of my habilitation thesis, particularly the HIV-1 membrane protein gp41, which drives the fusion of the viral membrane with the host cell membrane, and the SNARE proteins, which play a central role in the fusion of synaptic vesicles and the associated release of neurotransmitters. There are parallels between the two protein systems in membrane fusion, as both drive it through the formation of compact helix bundles. The goal of my work is to gain a better understanding of the structural dynamics of these proteins at the molecular level and with amino acid residue-specific resolution. NMR relaxation methods have been further developed to characterize the structural dynamics of intrinsically disordered proteins or membrane proteins. These methods can be applied to a wide variety of proteins. We observed high structural dynamics in HIV-1 gp41 across multiple timescales, ranging from the fast picosecond to nanosecond timescale, which can be interpreted as protein flexibility, to the microsecond timescale, where structural rearrangements and conformational changes occur. Our data suggest the existence of a pre-fusion intermediate state. For the vesicular SNARE protein synaptobrevin-2, we find that it is intrinsically disordered in its monomeric state prior to fusion and exhibits high intrinsic flexibility. An increasing stiffness from the N- to the C-terminus, which correlates with an increase in lipid-binding affinity, is observed. Weak lipid binding of the entire SNARE motif suggests a revision of current models of vesicular membrane fusion, which have so far assumed membrane binding solely via the transmembrane region. Our results for the SNARE protein SNAP25a show that, in its monomeric state prior to fusion, it is predominantly intrinsically disordered, including the C-terminal SNARE motif. Only the N-terminal 35 amino acid residues of SNAP25a exhibit an α-helical conformation. This suggests a function as a nucleation site for the assembly of the SNARE complex. To overcome the size limit for studying the protein backbone using solution NMR (100-200 kDa), we have optimized proton-detected solid-state NMR spectroscopy for membrane proteins. We recorded the first high-resolution proton-detected solid-state NMR spectra of the β-barrel membrane protein OmpX in a lipid nanodisc environment using fast MAS (100 kHz). Furthermore, proton-detected three-dimensional mapping experiments were performed for the non-structural proteins NS4B and NS5A of the hepatitis C virus, providing structural insights into their membrane topology and domain dynamics.
Lizenz:	Dieses Werk ist lizenziert unter einer Creative Commons Namensnennung 4.0 International Lizenz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Biologie » Physikalische Biologie
Dokument erstellt am:	16.06.2026
Dateien geändert am:	16.06.2026