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Biochemical and Biophysical Characterization of the Human Ethylmalonic Encephalopathy non-Heme Sulfur [Fe]-Dioxygenase ETHE1, and X-ray Absorption Spectroscopy Applications and Methods Development

Salomone-Stagni, Marco

German Title: Biochemische und biophysikalische Charakterisierung der human Ethylmalonsäure Enzephalopathie Nicht-Häm-Schwefel [Fe]-Dioxygenase ETHE1 und Röntgen-Absorptions-Spektroskopie Anwendungen und Entwicklung von Methoden

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Abstract

This work focuses on the biochemical and biophysical characterization of highly interesting metallo-proteins and is divided in two main projects. The first project regards the characterization of the iron-based enzyme ETHE1 from Homo sapiens, which is fundamental for detoxification from highly reactive persulfide species and whose specific mutations on the structural gene or on its regulatory sequences cause ethylmalonic encephalopathy. Moreover, ETHE1 was reported to be involved in apoptosis and cancer through the interaction with transcription factors such as NF-kB and p53. The protein has been studied by a number of techniques, noticeably XAS (Xray-absorption spectroscopy), SAXS (Small Angle X-ray Scattering Spectroscopy), Mössbauer spectroscopy and ITC (Iso-Thermal Calorimetry). The second project is based on XAS analysis and method development applied to metallo-proteins that are likely to have a substantial impact on basic and applied science. The mononuclear [Fe]-hydrogenase Hmd from Methanocaldococcus jannaschii has been extensively investigated by XANES and EXAFS analysis in the native and inhibited forms. This study revealed the major determiners of the electronic structure of this unique hydrogenase iron site and shed light on the chemicophysical requirements for the heterolysis of molecular hydrogen. In addition, I contribute to the characterization of the optically excited state of a bis (μ-oxo)-dicopper(III) complex mimicking the potential di-oxo to μ-oxo transition in tyrosinases active site. We took advantage of two cooperative approaches: pumped-XAS and an innovative combination of EXAFS spectroscopy and resonant Raman scattering. I present also the XAS analysis results obtained on the protein ABCE1, which is one of the most conserved proteins in the evolution of eukaryotes and archaea. ABCE1 is essential for cell viability and is a unique ATP-binding-cassette protein bearing iron-sulfur clusters.

Translation of abstract (German)

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der biochemischen und biophsikalischen Charakterisierung von hochinteressanten Metalloproteinen und gliedert sich in zwei Hauptprojekte. Das erste Projekt behandelt das humane eisenabhängige Enzym ETHE1, welches essentiell für die Entgiftung reaktiver Persulfide ist und von dem Mutationen er kodierenden Gensequenz oder regulatorischer Sequenzen für die Entstehung von Ethylmalonsäure-Enzephalopathie verantwortlich sind. Darüber hinaus wurde berichtet, dass ETHE1 durch Interaktion mit den Transkriptionsfaktoren NF-kB und p53 an Apoptose und der Entstehung von Leber Krebs beteiligt ist. Dieses Protein wurde in E. coli überexpression und mittels XAS (Roentgenabsorptionsspektroskopie), SAXS (Roentgenkleinwinkelstreuung), Moessbauerspektroskopie und ITC (Isothermale Titrationskaloriemetrie) untersucht. Das zweite Projekt umfasst die XAS-Analyse und neuartiger Ausweitungs Methoden zum studium von Metalloproteinen, denen große Bedeutung in der Grundlagenforschung und angewandten Forschung zugeschrieben wird. Die mononukleare [Fe]-Hydrogenase Hmd von Methanocaldococcus jannaschii wurde eingehend in ihrer nativen und inhibierten Form durch XANES und EXAFS studiert. Diese Untersuchung deckte die wichtigsten Faktoren für die elektronische Strukturs der einzigartigen Hydrogenase-Eisenbindungsstelle auf, und brachte neue Erkenntnisse über die chemischphysikalischen Bedingungen der Heterolyse von molekularem Wasserstoff. Zusätzlich beschreibe ich die Charakterisierung des optisch angeregten Zustandes einer (μ-oxo)- dicopper(III) Verbindung, die den möglichen "di-oxo zu μ-oxo"-Übergang im aktiven Zentrum von Tyosinasen nachäffen. Dazu nutzten wir zwei komplementäre Ansätze: pumped XAS und eine innovative Kombination aus EXAFS und resonanter Raman- Streuung. Ich präsentiere desweiterer die Ergebnisse der XAS-Analyse des Proteins ABCE1, das eines der konserviertesten Proteine in der Evolution der Eukarya und Archaea darstellt. ABCE1 ist wichtig für das Ueberleben der Zelle und enthält eine einzigartige ATP-Bindungskassette, die auf Eisen-Schwefel Clustern basiert.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Meyer-Klaucke, Dr. Wolfram
Date of thesis defense: 11. November 2010
Date Deposited: 07. Dec 2010 08:36
Date: 2010
Faculties / Institutes: Service facilities > Centre for Organismal Studies Heidelberg (COS)
Subjects: 570 Life sciences
Controlled Keywords: Thesenblatt, Biochemische Methode, Biochemische Analyse, Molekulare Biophysik, Biophysik
Uncontrolled Keywords: Röntgen-Absorptions-Spektroskopie (XAS) , strukturelle Biochemie , Bioanorganische ChemieX-ray Absorption Spectruscopy (XAS) , structural biochemistry , bioinorganic chemistry
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