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Crystallographic studies on the outer membrane heme receptor HasR from Serratia marcescens

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Kristallographische Untersuchungen des Aussenmembranrezeptors HasR von Serratia marcescens
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Dissertation
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Zusammenfassung

The work presented here is focused on crystallographic studies on the outer membrane receptor HasR from Serratia marcescens. S. marcescens is an opportunistic pathogen which has become one of the prevalent organisms causing hospital-acquired infections. One of its main virulence factors is its ability to acquire iron from its host, primarily in form of heme. The receptor HasR can take up free heme or heme bound to the hemophore HasA, a soluble heme-binding protein secreted by S. marcescens. HasA can acquire heme from hemoglobin or hemoglobin-haptoglobin. The transport of heme through the outer membrane requires energy, which is provided by the periplasmic protein HasB. Here, HasR was studied alone as well as regarding its interactions with the hemophore HasA and the energy-providing protein HasB. When this work was started, no structures were known for any member of the heme receptor family.

In this work, HasR and several mutants were crystallized in complex with HasA and heme and several 3D-structures determined providing insights into different stages of binding of the two proteins and heme transfer from HasA to HasR. Attempts to crystallize HasR alone and in complex with HasB have so far not been successful.

HasR consists of a 22-stranded ß-barrel closed by an N-terminal globular domain. The ß-strands are connected by long and flexible extracellular loops and short periplasmic turns. The soluble extracellular hemophore HasA binds to HasR and transfers heme to the receptor. This process of binding and heme transfer occurs spontaneously and does not require energy.

Based on the structures and in accord with functional data, we propose a model describing a four-step process of protein-protein binding coupled with heme transfer. In the first step, HasA contacts HasR mainly due to electrostatic interactions and binds in a first transition complex. This complex is seen in a mutant crystal structure. In the second step, the proteins rearrange and HasA closes in on HasR to cover a larger interface. In this step, one of the two heme coordinating loops of HasA becomes disordered, but the heme is still bound to HasA. This step is trapped in another mutant crystal structure. In the third step, a localized steric clash between heme and one residue of HasR triggers the movement of heme to its new binding site on HasR. This is the conformation that is seen in the crystal structure of the wild type complex. After the heme transfer, as a fourth step, a residue of HasA changes its conformation to prevent heme from sliding back to its binding site on HasA, which is confirmed by the HasA-HasR complex without heme. We think that this ensures close to 100% effciency of transfer from HasA to HasR without heme being lost to the environment.

This model might be generally valid for ligand transfer from a protein with a higher to one with a lower ligand affnity, as is the case, for example, for receptors interacting directly with host proteins (e.g. hemoglobin, transferrin, lactoferrin).

All studies were performed in tight cooperation with several collaborators: Philippe Delepelaire and coworkers in the Bacterial Membranes Unit at the Institut Pasteur in Paris did the genetic, micobiological and biochemical work which provide the functional examinations complementing our structural studies. Nadia Izadi-Pruneyre and coworkers in the Unit of NMR of Biomolecules at the Institut Pasteur in Paris provided NMR studies on HasB and ITC measurements on the interactions between HasB and HasR as well as HasA and HasR. Simon Becker in the group of Kay Diederichs (Fachbereich Biologie, Universität Konstanz) and Thomas Exner (Fachbereich Chemie, Universität Konstanz) performed molecular dynamics simulations based on our structures.

Zusammenfassung in einer weiteren Sprache

Die hier vorgelegte Arbeit beschäftigt sich mit kristallographischen Untersuchungen an dem Außenmembranrezeptor HasR aus Serratia marcescens.

S. marcescens ist ein opportunistisches Pathogen und einer der häufigsten Krankenhauskeime. Dabei ist einer der bestimmenden Faktoren für seine Virulenz die Fähigkeit, Eisen aus dem Wirtskörper aufzunehmen. Dieses ist hauptsächlich in Form von Häm verfügbar. Das hier untersuchte Häm-Aufnahme-System besteht aus dem Außenmembranrezeptor HasR, der freies Häm oder Häm von dem extrazellulären Häm-Binde-Protein HasA aufnehmen kann. HasA seinerseits kann freies Häm oder an Hämoglobin oder den Hämoglobin-Haptoglobin-Komplex gebundenes Häm binden. Die für den Transport durch die Außenmembran des Häms benötigte Energie wird von dem periplasmatischen Protein HasB an den Rezeptor übertragen. Die hier gezeigten Untersuchungen konzentrieren sich
auf den Rezeptor HasR und seine Interaktionen mit HasA und HasB. Zu Beginn dieser Arbeit war noch keine Struktur eines Häm-Rezeptors bekannt.

In dieser Arbeit wurden HasR und mehrere HasR-Mutanten im Komplex mit HasA kristallisiert und mehrere 3D-Strukturen bestimmt, die verschiedene Stadien der Bindung der beiden Proteine zeigen. Versuche, HasR allein oder im Komplex mit HasB zu kristallisieren,
blieben bisher erfolglos. HasR besteht aus einem 22-strängigen ß-barrel mit langen extrazellulären Loops und kurzen periplasmatischen Turns. Die die Membran durchspannende Pore des Proteins ist von einer sogenannten Plug-Domäne verschlossen. Das lösliche extrazelluläre Protein HasA bindet an den Rezeptor und überträgt dabei das Häm. Sowohl die Bindung der beiden Proteine als auch die Übertragung des Häms erfolgen spontan und benötigen keine zusätzliche Energie.

In dieser Arbeit schlagen wir, basierend auf den Strukturen, und unter Einbeziehung funktioneller Daten ein Modell vor, das beschreibt, wie die beiden Proteine schrittweise miteinander interagieren und dabei das Häm übertragen wird: Der erste Kontakt der beiden Proteine wird hauptsächlich durch elektrostatische Interaktionen verursacht und führt zu einem ersten schwachen Komplex. Dieser wurde in einer Struktur einer Mutante festgehalten. Eine Konformationsänderung in HasR bewirkt dann eine weitere Annäherung von HasA an HasR und die beiden Proteine bilden einen stabilen Komplex. Während dieser Annäherung lässt zunächst einer der beiden HasA-Loops, die das Häm koordinieren, dieses los und verliert seine stabile Konformation. Das Häm bleibt aber noch an HasA gebunden. Dieses Stadium wurde in einer weiteren Mutantenstruktur eingefangen. Das Häm wird dann aufgrund der sterischen Behinderung einer Aminosäure von HasR aus seiner Bindetasche in HasA verdrängt und von dem Rezeptor gebunden. Dieser letzte Schritt in dem Prozess der Bindung der beiden Proteine und damit gekoppelten Übertragung des Häms ist in der Struktur des wildtyp HasA-HasR-Häm-Komplexes zu sehen. Während oder nach der Bewegung des Häms von HasA zu HasR verändert eine Aminosäure von HasA ihre Konformation so, dass ein Zurückwandern des Häms zu HasA unterbunden wird. Dies zeigt der Vergleich der Strukturen des wildtyp Komplexes mit und ohne Häm. Dieser mehrstufige Prozess verhindert vermutlich, dass das Häm beide Proteine verlässt und wieder an die Umgebung abgegeben wird. Das hier erstellte Modell könnte allgemeine Gültigkeit besitzen für Protein-Protein-Interaktionen, die mit der Übertragung eines Liganden gekoppelt sind. Dies ist zum Beispiel auch der Fall bei Rezeptoren, die ihren Liganden direkt von Wirtsproteinen übernehmen.

Unsere Arbeit wird von mehreren kooperierenden Gruppen unterstützt und ergänzt. Philippe Delepelaire und Mitarbeiter aus der Arbeitsgruppe für Biologische Membranen am Institut Pasteur in Paris führten alle genetischen, mikrobiologischen und biochemischen
Studien an HasA und HasR durch, die die Grundlage für die strukturellen Untersuchungen bilden und unsere Ergebnisse funktionell ergänzen. Nadia Izadi-Pruneyre und Mitarbeiter aus der Arbeitsgruppe NMR an Biomolekülen am Institut Pasteur in Paris stellten uns NMR-Untersuchungen an HasB und ITC-Messungen an den Interaktionen zwischen HasA und HasR und zwischen HasB und HasR zur Verfügung. Simon Becker aus der Arbeitsgruppe von Kay Diederichs (AG Bioinformatik, Fachbereich Biologie, Universität Konstanz) führte mit Unterstützung von Thomas Exner (Fachbereich Chemie, Universität Konstanz) molekulardynamische Studien basierend auf den Kristallstrukturen durch.

Fachgebiet (DDC)
570 Biowissenschaften, Biologie

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ISO 690BECKER, Stefanie, 2012. Crystallographic studies on the outer membrane heme receptor HasR from Serratia marcescens [Dissertation]. Konstanz: University of Konstanz
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March 20, 2012
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