Substrate specificity, mechanism and activity regulation of the rhomboid family intramembrane proteases

Abstract

Intramembrane proteases from the rhomboid-like superfamily are enzymes widely distributed and conserved in all domains of life. They participate in many important processes such as membrane protein quality control or mitochondrial dynamics. Their activity is also linked with diseases like Parkinson's disease or cancer. This makes them potential therapeutic targets. In this work we tried to elucidate in more detail the mechanism of action of the main model intramembrane protease, GlpG from E. coli. We also focused on the mechanism of eukaryotic rhomboid RHBDL2, one of the four mammalian rhomboids, function of which is poorly understood. To acquire more detailed information about substrate-enzyme interaction, we synthesized a series of novel peptidyl-chloromethylketone inhibitors derived from natural rhomboid substrate TatA from P. stuartii. Crystal structure of the complex of GlpG with these inhibitors revealed four substrate binding subsites (S1 to S4) of the enzyme and explained its observed substrate specificity structurally. This study showed that substrate cleavage rate can be dramatically modified by changing the substrate sequence in positions P1 to P5. This helped us develop fluorogenic transmembrane peptide substrates for rhomboid proteases, which are usable in detergent and liposomes, and...

Intramembránové proteasy z rodiny rhomboidů jsou v přírodě široce rozšířeny a vyskytují se ve všech doménách života. Podílejí se na mnoha důležitých procesech, jako například kontrola kvality membránových proteinů nebo mitochondriální dynamika. Jejich aktivita souvisí s nemocemi jako Parkinsonova nemoc nebo rakovina. Proto se rhomboidy jeví jako potenciální terapeutické cíle. V této práci jsme se snažili objasnit detailní mechanismus fungování modelové proteasy GlpG z E. coli. Zaměřili jsme se i na mechanismus rhomboidu RHBDL2, což je jeden ze čtyř eukaryotických rhomboidů, jejichž funkce není příliš prostudována. Pro pochopení vazby mezi substrátem a enzymem jsme připravili řadu nových peptidyl-chlormethylketonových inhibitorů odvozených od proteinu TatA, což je substrát rhomboidu v P. stuartii. Díky krystalové struktuře komplexů GlpG s těmito inhibitory jsme prozkoumali vazebná místa substrátu S1 až S4, což nám umožnilo objasnit strukturní podstatu substrátové specifity enzymu. Ukázali jsme, že rychlost štěpení substrátu může být významně ovlivněna modifikací sekvence substrátu na pozicích P1 až P5. Na základě těchto pozorování jsme vyvinuli fluorogenní transmembránový peptidový substrát rhomboidových proteas, který je použitelný jak v detergentu, tak v liposomech, a je vhodný pro testování s...