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Röntgenstrukturanalyse der GTPase-Domäne von Dynamin 1 und der Motordomäne von Myosin II

Reubold, Thomas

English Title: X-ray structural analysis of the GTPase domain of dynamin 1 and the motor domain of myosin II

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PDF, German
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Abstract

Im Rahmen dieser Arbeit konnten die Strukturen der GTPase-Domäne von Dynamin 1 aus Rattus norvegicus sowie der Motordomäne von Myosin II aus Dictyostelium discoideum in atomarem Detail aufgeklärt werden. Die vorgelegte Kristallstruktur der nukleotidfreien GTPase-Domäne von Dynamin 1 zeigt, daß die GTPase-Domäne in Säugerdynamin sehr ähnlich gefaltet ist wie in Dynamin A aus D. discoideum. Das vorgelegte Strukturmodell enthält alle Schlaufenbereiche und erlaubt somit erstmals die vollständige Beschreibung der Nukleotidbindungsregion eines Dynamins. Im Gegensatz zu anderen GTPasen ist das switch I-Threonin, das für die GTP-Koordination wichtig ist, in Dynamin 1 in seiner katalytisch aktiven Konformation gehalten. Desweiteren konnte anhand des Strukturmodells für Arg59 eine Funktion als Beschleuniger der GTP-Hydrolyse vorgeschlagen werden. Die Kristallstruktur der Myosin-Kopfdomäne zeigt eine neue Konformation des Motorproteins, in der sich beide nukleotidbindenden Schalter in der offenen Stellung befinden. Dieser bislang nicht beobachtete Zustand wird in einer neuen Nomenklatur als O/O-Konformation bezeichnet. Aus dem Strukturmodell wird deutlich, daß Nukleotid- und Aktinbindungsstelle nicht nur über switch II, sondern auch über switch I miteinander kommunizieren können. Umschalten von switch I verändert über das zentrale Faltblatt die Geometrie der Aktinbindungsstelle am äußeren Ende der 50K-Spalte. Dabei sind die Schalterstellungen nicht vollständig entkoppelt. Switch I kann erst öffnen, wenn switch II bereits offen ist. In der O/O-Konformation ist switch II weiter geöffnet als bisher beobachtet, was in Kombination mit der offenen Stellung von switch I zur Freisetzung von ADP führen kann. Durch die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit konnte das bisherige Bild des Akto-Myosin-ATPase-Zyklus ergänzt werden, indem neben der Stellung von switch II auch die Stellung von switch I berücksichtigt wird. Nach dem Kraftschlag und der Dissoziation von Phosphat durch Öffnen von switch II muß switch I öffnen, um auch ADP freizusetzen. Nach Erreichen des Rigorzustands schließt sich switch I mit der Bindung von ATP und der Myosinkopf dissoziiert vom Aktinfilament. Die O/O-Konformation kann im Akto-Myosin-ATPase-Zyklus in unmittelbarer Nähe zum Rigorzustand eingeordnet werden.

Translation of abstract (English)

This work describes the crystal structures of the GTPase domain of dynamin 1 from Rattus norwegicus and the motor domain of myosin II from Dictyostelium discoideum in atomic detail. The crystal structure of the nucleotide-free GTPase domain of dynamin 1 shows that the fold of the GTPase domain in mammalian dynamin closely resembles that in dynamin A from D. discoideum. The presented structural model contains all loop regions and therefore allows for the first time the complete description of the nucleotide binding region of a dynamin family member. In contrast to other GTPases the switch I threonine, which is important for the coordination of GTP is kept in its catalytically active conformation in dynamin 1. Furthermore, on the basis of the structural model it was possible to propose a role for Arg59 as accelerator of GTP hydrolysis. The crystal structure of the myosin head domain shows a novel conformation of the motor protein wherein both nucleotide-binding switch motives are in an open position. This hitherto unknown state is referred to as O/O conformation in a new nomenclature. From the structural model it becomes apparent that both nucleotide and actin binding region are not only able to communicate via switch II but also via switch I. Positional change of switch I alters the geometry of the actin binding site at the outer end of the 50K cleft via the central sheet. Thereby the switch positions are not entirely uncoupled. Switch I can only open if switch II is already open. In the O/O conformation switch II is more open than observed in previous structures, which in combination with an open switch I could result in release of ADP. The results of this work complement the previous picture of the actomyosin ATPase cycle accounting for both the position of switch II and switch I. After the power stroke and the dissociation of phosphate by opening of switch II, switch I has to open as well to release ADP. After reaching the rigor state switch I closes upon ATP binding and the myosin head dissociates from the actin filament. In the actomyosin ATPase cycle the new O/O conformation can be placed in immediate vicinity to the rigor state.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Wolfrum, Prof. Dr. Jürgen
Date of thesis defense: 13 June 2003
Date Deposited: 09 Jul 2003 11:06
Date: 2003
Faculties / Institutes: Fakultät für Chemie und Geowissenschaften > Institute of Physical Chemistry
Subjects: 540 Chemistry and allied sciences
Controlled Keywords: Dynamin, Myosin, Röntgenstrukturanalyse
Uncontrolled Keywords: dynamin , myosin , X-ray crystallography
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