Advanced

Major Intrinsic Proteins - Structure, function, interactions

KIRSCHT, ANDREAS LU (2016)
Abstract (Swedish)
Denna avhandling behandlar två essentiella ting, vatten som är grundläggande för allt liv på jorden och kväve, vilket är ett grundämne som återfinns i varje protein och DNA. Liksom allt annat, måste dessa ämnen hålla en lagom nivå i cellen. För att klara variationer i tillgänglighet av dessa ämnen, har alla livsformer hittat sätt att påverka upptag och frisättning av dem. För att realisera detta på ett specifikt sätt, bildar vissa proteiner kanaler i cellmembranen. Mutationer i dessa kanaler är kända för att orsaka defekter i människor och andra djur, medan växter har modifieras genetiskt med dessa kanaler för att växa bättre. Forskning på denna typ av proteiner har potential att identifiera läkemedel mot sjukdomar relaterade till dessa... (More)
Denna avhandling behandlar två essentiella ting, vatten som är grundläggande för allt liv på jorden och kväve, vilket är ett grundämne som återfinns i varje protein och DNA. Liksom allt annat, måste dessa ämnen hålla en lagom nivå i cellen. För att klara variationer i tillgänglighet av dessa ämnen, har alla livsformer hittat sätt att påverka upptag och frisättning av dem. För att realisera detta på ett specifikt sätt, bildar vissa proteiner kanaler i cellmembranen. Mutationer i dessa kanaler är kända för att orsaka defekter i människor och andra djur, medan växter har modifieras genetiskt med dessa kanaler för att växa bättre. Forskning på denna typ av proteiner har potential att identifiera läkemedel mot sjukdomar relaterade till dessa kanaler, samt att spara gödningsmedel inom jordbruket. Biotekniska framsteg har redan gjorts för att med hjälp av dessa kanaler skapa biomimetiska membraner kapabla att producera ultrarent vatten. Ett annat mål är att skapa saltvattenfilter som fungerar mycket mer energieffektivt än konventionella filter.
Vi har producerat de proteiner vi forskar på i jäst, varefter de har renats upp och analyserats. Funktionella studier utfördes i artificiella biomembraner. Vi lyckades få ett protein att bilda kristaller vilka sattes i en röntgenstråle för att avslöja en atomärbild av proteinstrukturen. Detta resulterade i en högupplöst struktur, vilken är den första i världen för denna typ av kanal - genomsläpplig för vatten och ammoniak - och utgör en viktig pusselbit i förståelsen av kväveanvändningen i växter. Strukturen utgör också basen för de modeller vi har byggt av relaterade proteiner från djur (inklusive människa). Dessa former deltar i produktion av urea och är t.ex. relevanta för en sjukdom som kallas hepatisk encefalopati. Dessutom har strukturella och funktionella egenskaper hos två närbesläktade proteiner vilka är specifika för vatten studerats för att förstå vilka regleringsmöjligheter det finns i växter.
(Less)
Abstract
Major intrinsic proteins, also referred to as aquaporins (AQPs) are localized in membranes of all domains of life to increase the permeability to water or other small, polar molecules. Several monophyletic groups can be discerned in this large and divergent protein superfamily. Members within these subfamilies commonly show a similar substrate selectivity established by conserved filters. Comparison of structurally known selectivity filters have elucidated some of the mechanisms underlying substrate profiles. However, the physiological function of these diverse and abundant proteins can only be fully appreciated in combination with an understanding of their regulatory properties.
This work provides the first molecular view on a... (More)
Major intrinsic proteins, also referred to as aquaporins (AQPs) are localized in membranes of all domains of life to increase the permeability to water or other small, polar molecules. Several monophyletic groups can be discerned in this large and divergent protein superfamily. Members within these subfamilies commonly show a similar substrate selectivity established by conserved filters. Comparison of structurally known selectivity filters have elucidated some of the mechanisms underlying substrate profiles. However, the physiological function of these diverse and abundant proteins can only be fully appreciated in combination with an understanding of their regulatory properties.
This work provides the first molecular view on a tonoplastic protein, AtTIP2;1, which is situated in the membrane of the plant vacuole and permeable to water, ammonia, but not glycerol. The novel selectivity filter with a fifth residue in direct contact to substrates is compared to structures of other subfamilies to explain the present selectivity. The mechanism of permeation is investigated with mutations, stopped-flow and by growth assays. The animal AQP8s, which have similar substrate profiles, are modeled on the plant protein and their expected functions are discussed in the light of their structures. Furthermore, protein interactions and interactions with small molecules are analyzed to develop a better understanding of potential regulatory features.
(Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
supervisor
opponent
  • Prof. Dr. Beitz, Eric, University of Kiel, Germany
organization
publishing date
type
Thesis
publication status
published
subject
keywords
Aquaporin, membrane proteins, crystallography, stopped-flow, molecular dynamics, structure modeling
pages
197 pages
publisher
Lund University, Faculty of Science, Department of Chemistry, Division of Biochemistry and Structural Biology
defense location
Center for chemistry and chemical engineering, lecture hall C, Naturvetarvägen 14, Lund
defense date
2016-11-03 09:15
ISBN
978-91-7422-480-1
language
English
LU publication?
yes
id
c434056d-37cb-40ac-b711-be09779322ea
date added to LUP
2016-10-11 20:41:41
date last changed
2016-10-17 14:54:56
@phdthesis{c434056d-37cb-40ac-b711-be09779322ea,
  abstract     = {Major intrinsic proteins, also referred to as aquaporins (AQPs) are localized in membranes of all domains of life to increase the permeability to water or other small, polar molecules. Several monophyletic groups can be discerned in this large and divergent protein superfamily. Members within these subfamilies commonly show a similar substrate selectivity established by conserved filters. Comparison of structurally known selectivity filters have elucidated some of the mechanisms underlying substrate profiles. However, the physiological function of these diverse and abundant proteins can only be fully appreciated in combination with an understanding of their regulatory properties. <br/>This work provides the first molecular view on a tonoplastic protein, AtTIP2;1, which is situated in the membrane of the plant vacuole and permeable to water, ammonia, but not glycerol. The novel selectivity filter with a fifth residue in direct contact to substrates is compared to structures of other subfamilies to explain the present selectivity. The mechanism of permeation is investigated with mutations, stopped-flow and by growth assays. The animal AQP8s, which have similar substrate profiles, are modeled on the plant protein and their expected functions are discussed in the light of their structures. Furthermore, protein interactions and interactions with small molecules are analyzed to develop a better understanding of potential regulatory features.<br/>},
  author       = {KIRSCHT, ANDREAS},
  isbn         = {978-91-7422-480-1},
  keyword      = {Aquaporin,membrane proteins,crystallography,stopped-flow,molecular dynamics,structure modeling},
  language     = {eng},
  pages        = {197},
  publisher    = {Lund University, Faculty of Science, Department of Chemistry, Division of Biochemistry and Structural Biology},
  school       = {Lund University},
  title        = {Major Intrinsic Proteins - Structure, function, interactions},
  year         = {2016},
}