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  • D o c t o r a l T h e s i s i n B i o c h e m i s t r y , S t o c k h o l m U n i v e r s i t y S w e d e n

    Integration and topology of membrane proteins related to

    diseases

    P a t r i c i a L a r a V a s q u e z

  • Cover illustration Lipids and membrane proteins in the membrane. The lipids are represented as dancers and the membrane proteins as colourful boxes. Patricia Lara Vasquez, Stockholm University 2015 ISBN 978-91-7649-094-5 Printed in Sweden by Publit Sweden AB, Stockholm 2015 Distributor: Department of Biochemistry and Biophysics, Stockholm University

  • Integration and topology of membrane proteins related to diseases

    Patricia Lara Vasquez

  • A mis padres, hermanos y sobrinos

  • List of publications

    I. Wanngren J*, Lara P*, jemalm K, Maioli S, Moradi N, Chen L,

    Tjernberg LO, Lundkvist J, Nilsson I, Karlstrm H. (2014) Changed

    membrane integration and catalytic site conformation are two mech-

    anisms behind the increased Ab42/Ab40 ratio by presenilin 1 familial

    Alzheimer-linked mutations.

    FEBS Open Bio 4:393-406

    II. Ostuni A*, Lara P*, Armentano MF, Miglionico R, Salvia AM,

    Mnnich M, Carmosino M, Lasorsa FM, Monn M, Nilsson I, Bis-

    saccia F. (2013) The hepatitis B x antigen anti-apoptotic effector

    URG7 is localized to the endoplasmic reticulum membrane.

    FEBS lett. 587(18):3058-62

    III. Saenz A, Presto J*, Lara P*, Akinyl OL, Nilsson I, Johansson J, Ca-

    sals C. Folding and intramembraneous BRICHOS binding of the

    proSP-C transmembrane segment.

    Submitted

    IV. Lee H*, Lara P*, Ostuni A, Presto J, Johansson J, Nilsson I, Kim H.

    (2014) Live-cell topology assessment of URG7, MRP6102 and SP-C us-

    ing glycosylatable green fluorescent protein in mammalian cells.

    Biochem. Biophys. Res. Commun. 450(4):1587-92

    * These authors contributed equally

  • Additional publications

    V. Gadalla SE, jemalm K, Lara P, Nilsson I, Ericsson C, Zhao J,

    Nistr M. (2013) EpCAM associates with endoplasmic reticulum aminopeptidase 2 (ERAP2) in breast cancer cells Biochem Biophys Res Commun 439(2): 203-208

    VI. Goel, S, Palmkvist M, Moll K, Joannin N, Lara P, Akhouri R, Mo-radi N, jemalm K, Westman M, Angeletti D, Kjellin H, Lehti J, Hult AK, Olsson ML, von Heijne G, Nilsson I, and Wahlgren M RIFINs are Adhesins Implicated in Severe Plasmodium falciparum Malaria Nature Medicine just accepted

    VII. Nilsson I, Lara P, Hessa T, Johnson AE, von Heijne G, Kara-

    myshev AL. The code for directing proteins for translocation across ER membrane: SRP cotranslationally recognizes specific features of a signal sequence. J Mol Biol in press

  • Abstract

    Membranes are boundaries that separate the cell from the external environ-

    ment. Membrane proteins can function as e.g. receptors and channels, al-

    lowing cells to communicate with the exterior and molecules to pass through

    the membrane. The biogenesis of membrane proteins involves a protein-

    conducting channel that aids the hydrophobic segments to partition into the

    membrane and translocate the hydrophilic loops. Membrane proteins need to

    fold to its native conformation including post-translational modifications and

    assembly with other proteins and/or cofactors. If this regulated pathway goes

    wrong the degradation machinery degrades the protein. If the system is fail-

    ing can result in serious disorders. The main focus in this thesis is membrane

    proteins associated to diseases.

    We have studied mutations in the gene of presenilin 1, which is involved in

    Alzheimers disease. We found that some mutations affect the structure and

    other the function of the PS1. URG7 is an unknown protein associated with

    liver cancer. We suggest it is localized and targeted to the ER membrane,

    having an NoutCin topology. SP-C is important for our lungs to function. Mu-

    tations can cause the protein to aggregate. We have studied the highly Val-

    rich transmembrane segment (poly-Val) and its analogue (poly-Leu) and

    show that poly-Leu folds into a more compact conformation than poly-Val.

    We show that the C-terminal chaperon-like BRICHOS domain interacts with

    the ER membrane, suggesting an involvement in poly-Val folding. We have

    also confirmed the topology of URG7, MRP6 and SP-C poly-Val/Leu using

    gGFP that is fused to the C-terminal of the protein.

  • Populrvetenskaplig sammanfattning

    En cell r den minsta byggstenen i alla levande organismer. Mnniskor bestr av

    flera miljarder celler medan t.ex. en bakterie bara bestr av en enda cell. Cellen

    innehller arvsmassan, DNA:t som kodar fr proteiner. Proteiner har livsvikta upp-

    gifter i cellen, man kan sga att proteiner r cellens maskineri. Cellen r omslutet av

    ett membran som bestr av lipider (fett) och membranproteiner som skiljer cellens

    inre frn yttre miljn. Membranproteiner har flera olika funktioner, som t.ex. kom-

    municera med omvrlden och tillta molekyler passera genom membranet som an-

    nars r hel impermeabel.

    Fr att membranproteiner ska kunna utfra sina uppgifter behver de anta sin kor-

    rekta struktur. Processen frn att proteinet tillverkas till att den r funktionsduglig r

    vldig komplex och kan ibland g fel. Cellen kan snabbt reparera alla misstag, dr-

    emot om systemet inte fungerar som det ska, kan defekta proteiner uppst och or-

    saka sjukdomar. Denna avhandling handlar om membranproteiner och deras roll i

    sjukdomar.

    Vi har underskt mutationer, som r kopplade till den rftliga, s kallad familjra

    Alzheimers sjukdom, som har en ldersmssigt tidig debut. Mutationerna i genen

    som kodar fr presenilin 1 (PS1) kan pverka strukturen och ven aktiviteten av

    PS1. URG7 r ett oknt protein, som r kopplad till levercancer. Vi har visat att det

    r ett membranprotein, som sitter i endoplasmatiska ntverket. Surfactant C (SP-C)

    r ett protein som kan aggregera, vilket resulterar i lungsjukdomar. Vi har underskt

    den transmembrana regionen av SP-C, som visar sig behva hjlp av en annan do-

    mn i proteinet, den s kallade BRICHOS, fr att anta sin korrekta struktur. Hur

    detta sker behvs underska ytterligare, men vi visar att BRICHOS domnen kan

    interagera med membran lipiderna. Vi har ven bekrftat topologin av URG7 och

    SP-C genom att anvnda oss av en metod som kan glykosylera ett grnt fluoresce-

    rande protein i celler.

  • Resumen en espaol

    Voy a tratar de explicar con lo que he trabajado durante estos 5 aos de doctorado en

    espaol, para que mis seres queridos puedan entender aunque sea un poquito mas:

    Una clula es la parte ms pequea de la que estn formados todo ser vivo. El nume-

    ro de clulas puede variar, nosotros los humanos tenemos mas de billones clulas, en

    cambio la bacteria solo tiene una. Todas las clulas estn rodeadas de una envoltura,

    una membrana de fosfolpidos y protenas, que mantiene el medio interno diferen-

    ciado del medio externo. Las protenas de membrana se encargan de comunicarse

    con el exterior. Adems pueden funcionar como canales o transportadoras, permi-

    tiendo que sustancias pueden entrar o salir de la clula. Para que las protenas de

    membrana puedan funcionar correctamente necesitan adoptar su estructura especifi-

    ca. Este proceso, en la cual la protena es sintetizada hasta que adopte su estructura

    en la membrana, es enormemente complejo y en ocasiones puede fallar. Sin embar-

    go, la celula esta preparada y puede rpidamente arreglar la falla. En cambio si el

    sistema no esta funcionando como debe, puede resultar en enfermedades. El objetivo

    de la tesis es estudiar protenas que estn relacionadas con enfermedades.

    La enfermedad de Alzheimer es la forma ms comn de demencia. Mutaciones en el

    gene de la protena presenilin 1 (PS1) puede resultar en una forma mas agresiva de

    Alzheimer, que aparece a menor edad. Hemos estudiado las mutaciones y pudimos

    ver que afectan la estructura y la actividad de PS1. URG7 es una protena descono-

    cida que esta asociada a cncer al hgado. Hemos demostrado que es una protena de

    membrana y esta localizada en el retculu endoplasmtico. Surfactant C (SP-C) es

    una protena que se puede agregar resultando en enfermedades en el pulmn. Hemos

    estudiado la transmembrana de SP-C y el carboxilo terminal, que contiene un domi-

    nio, BRICHOS, que ayuda la protena a adoptar su estructura. Hemos confirmado la

    topologa de URG7 y SP-C usando un mtodo donde una protena verde fluorescen-

    te es glicosilada.

  • Contents

    List of publications ..................................................................................... vi

    Additional publications ............................................................................. vii

    Abstract ...................................................................................................... viii

    Populrvetenskaplig sammanfattning .................................................... ix

    Resumen en espaol .................................................................................. x

    Contents ....................................................................................................... xi

    Abbreviations ............................................................................................ 14

    Amino acids ............................................................................................ 15

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