Analysis of substrate specificity and mechanism of GlpG, an intramembrane protease of the rhomboid family.

Abstract

Proteiny z rodiny rhomboidů jsou široce konservované v evoluci a obsahují dvě velké podskupiny, proteolyticky aktivní intramembránové proteasy serinového typu (rhomboidy) a rhomboidům podobné proteiny, které během evoluce ztratily proteolytickou aktivitu, ale zachovaly si schopnost vázat membránový helix jiných proteinů. Zástupci obou těchto skupin hrají významnou roli v celé řadě biologických procesů, jako například v buněčné signalizaci, v mechanismech podílejících se na kontrole kvality sbalení proteinů v endoplasmatickém retikulu, v mitochondriální dynamice a také v hojení ran. Ačkoliv medicinský potenciál proteinů z rodiny rhomobidů vzrůstá, pochopení strukturní podstaty jejich funkce pokulhává. Hlavním strukturním a mechanistickým modelem pro pro rodinu rhomboidů a vlastně pro intramembránové proteasy obecně se stal rhomboid GlpG z E.coli, který byl první intramembránovou proteasou jejíž rentgenová struktura byla vyřešena. Substráty GlpG jsou membránové proteiny s jedním transmembránovým helixem a ke štěpení dochází v jejich transmembránové části, ale mechanismus vazby substrátu na enzym ani podstata substrátové specifity nejsou plně pochopeny. Tato práce se zabývá charakterizací významu transmembránové domény substrátu pro jeho rozpoznání proteasou GlpG a využívá hlavně enzymové kinetiky a...

Membrane proteins of the rhomboid-family are evolutionarily widely conserved and include rhomboid intramembrane serine proteases and rhomboid-like proteins. The latter have lost their catalytic activity in evolution but retained the ability to bind transmembrane helices. Rhomboid-family proteins play important roles in intercellular signalling, membrane protein quality control and trafficking, mitochondrial dynamics, parasite invasion and wound healing. Their medical potential is steeply increasing, but in contrast to that, their mechanistic and structural understanding lags behind. Rhomboid protease GlpG from E.coli has become the main model rhomboid-family protein and the main model intramembrane protease - it was the first one whose X-ray structure was solved. GlpG cleaves single-pass transmembrane proteins in their transmembrane helix, but how substrates bind to GlpG and how is substrate specificity achieved is still poorly understood. This thesis investigates the importance of the transmembrane helix of the substrate in its recognition by GlpG using mainly enzyme kinetics and site-directed mutagenesis. We find that the transmembrane helix of the substrate contributes significantly to the binding affinity to the enzyme, hence to cleavage efficiency, but it also plays a role in cleavage site...