Mechanisms of subcellular membrane trafficking: the unexpected pleiοtroptic functional role of cytoplasmic tails of the Fur transporters

Abstract

Transporters are membrane proteins that mediate the import and export of nutrients, metabolites, signaling molecules or drugs in and out of cells, and thus are essential for their communication with the environment. In the recent years, genetic, biochemical and biophysical data for several transporters have come to provide us with new knowledge concerning structure-function relationships and mechanisms of substrate recognition and transport. Despite their evolutionary, structural and functional differences all transporters use an alternating-access mechanism where a substrate binding site, in allosteric co operation with gating domains, alternates between multiple conformations for receiving and delivering specific substrate(s) from one side of the membrane to the other. This basic mechanism, carried out by dynamic movements of the main transmembrane body and assisted by the flexibility of interconnecting hydrophilic loops, exists in different variations, known as the rocker-switch, the rocking-bundle or the elevator sliding mechanisms. One of the largest families of transporters is the amino acid/polyamine/organocation (APC) superfamily, which includes members that function as solute:cation symporters and solute: solute antiporters with varying specificities. The Nucleobase Cation Symporter 1 (NCS1) family consists one of the best-studied subfamilies of the APC superfamily and is present in prokaryotes, fungi and some plants. This is due to a plethora of genetic and biochemical findings concerning fungal members of the family, as well as, extensive structural and biophysical data concerning a bacterial homologue, namely the benzyl-hydantoin/Na+ Mhp1 symporter. Absence of NCS1 homologues in mammals makes this family an ideal, highly specific gateway to target nucleobase-specific drugs to microbial pathogens. NCS1 proteins consist of 12 transmembrane α helical segments (TMS) interconnected with rather short loops and cytosolic N- and C-termini. TMSs 1-10 are arranged as a 5-helix intertwined inverted repeat (5HIRT), the so called LeuT-fold, also found in different transporter families involved in neurotransmitter, sugar, amino acid or drug transport. The last two TMSs (11 and 12) in all LeuT-like proteins seem to be crucial for the oligomerization state of some NCS1-similar transporters, rather than being involved in the mechanism of transport. However, formal evidence for their structural and/or functional role is missing. Fungal NCS1 proteins are among the best-studied transporters at a genetic, biochemical and cellular level. Structural models of fungal NCS1 transporters, based on several distinct crystal structures of the bacterial homologue Mhp1 are fully supported by genetic studies that identify the substrate binding site and putative gating elements determining specificity. More specifically, a major novel finding that has originated from our work on fungal NCS1 transporters (both on Fur and Fcy members) is that substrate specificity is determined not only by residues of the substrate binding site (TMS1, TMS3, TMS6 or TMS8), but also by dynamic movements of the TMS9-TMS10 region, acting as an outward facing gate. In work described herein, we provide experimental and in silico evidence that the turnover, function, and interestingly, the specificity of an Aspergillus nidulans NCS1 homologue, namely the FurE uracil-allantoin-uric acid transporter, depends on dynamic interactions of the N- and C-terminal cytoplasmic regions with each other and the main body of the transporter. We specifically show that the N- and C-terminal domains of FurE are involved in intramolecular dynamics critical for the fine regulation of the mechanism of gating that controls substrate selection. Using Molecular Dynamics (MD) and mutational analysis we postulate that this occurs via interactions of the cytoplasmic tails with the cytoplasmic loops, which in turn affect the gating process at the extracellular side of the plasma membrane (PM) in a pH dependent manner. Next, using the information from extensive MD analysis, we performed a targeted systematic mutational and functional analysis to characterize the substrate translocation trajectory in FurE, during its transition from the outward open to the inward open conformation. Additionally, we provide experimental evidence that the nature of the amino acid residues of the last two transmembrane domains of FurE is not critical for the transport catalysis. However, a single tyrosine residue is absolutely necessary for the proper trafficking of the transporter to the plasma membrane. Finally, in the last part of this work we wanted to combine biophysical techniques and computational modeling in order to better understand the mechanism underlying the functional role of cytoplasmic tails in substrate selection and translocation, which seems to reflect a more general mechanism that controls APC transporters. In general, our work supports the emerging concept that the size of eukaryotic transporter termini increased during evolution and adds more and different modes of regulation.

Οι μεταφορείς, είναι διαμεμβρανικές πρωτεΐνες μέσω των οποίων πραγματοποιείται η διακίνηση θρεπτικών συστατικών, μορίων σηματοδοτών ή άλλων ουσιών εντός και εκτός του κυττάρου. Αυτό τις καθιστά απαραίτητα μόρια για την επικοινωνία του κυττάρου με το περιβάλλον. Τα τελευταία χρόνια, γενετικά, βιοχημικά και βιοφυσικά δεδομένα που προέρχονται από τη μελέτη αρκετών μεταφορέων, συνέβαλλαν στην κατανόηση των σχέσεων δομής λειτουργίας και των μηχανισμών αναγνώρισης και μεταφοράς υποστρώματος. Παρά τις εξελικτικές, δομικές και λειτουργικές διαφορές τους, όλοι οι μεταφορείς χρησιμοποιούν έναν κοινό μηχανισμό εναλλασσόμενης πρόσβασης, όπου μια θέση πρόσδεσης υποστρώματος εναλάσσεται μεταξύ πολλαπλών διαμορφώσεων προκειμένου να μεταφέρει ένα υπόστρωμα από τη μία πλευρά της μεμβράνης στην άλλη. Αυτός ο βασικός μηχανισμός που διεξάγεται από δυναμικές κινήσεις του κύριου διαμεμβρανικού σώματος και υποβοηθείται από την ευελιξία υδρόφιλων βρόχων, συναντάται σε διάφορες παραλλαγές, γνωστές ως rocker-switch, rocking-bundle και μηχανισμός elevator. Μία από τις μεγαλύτερες οικογένειες δευτερογενών μεταφορέων είναι η υπεροικογένεια amino acid/polyamine/organocation (APC), η οποία περιλαμβάνει μεταφορείς που λειτουργόυν ως συμμεταφορείς διαλυτής ουσίας κατιόντος και αντιμεταφορείς διαλυτών ουσιών με μεγάλη ποικιλία υποστρωμάτων. Η οικογένεια Nucleobase Cation Symporter 1 (NCS1) αποτελεί μία από τις πιο καλά μελετημένες υποοικογένειες της APC υπεροικογένειας, και εκπρόσωποί της συναντώνται σε προκαρυωτικούς οργανισμούς, μύκητες και μερικά φυτά. Αυτό οφείλεται στην πληθώρα γενετικών και βιοχημικών δεδομένων που αφορούν μέλη της οικογένειας σε μύκητες, καθώς και σε εκτεταμένες δομικές και βιοφυσικές μελέτες ενός βακτηριακού ομολόγου, του συμμεταφορέα υδαντοΐνης/Na+, Mhp1. Η οικογένεια NCS1 δεν έχει αντιπροσώπους στα θηλαστικά, κάτι που την καθιστά ιδανική για τη στόχευση ειδικών φαρμάκων κατά των μικροβιακών παθογόνων. Οι μεταφορείς της οικογένειας NCS1 αποτελούνται από 12 διαμεμβρανικά τμήματα (ΔΤ) με δομή α έλικας, που συνδέονται με σχετικά μικρές ενδιάμεσες αλληλουχίες και έχουν κυτταροπλασματικά αμινο και καρβοξυτελικά άκρα. Τα ΔΤ1 10 οργανώνονται σε μια δομή ανεστραμμένης επανάληψης ανά 5 (5-helix intertwined inverted repeat; 5HIRT) που ονομάζεται αλλιώς και LeuT-fold, και συναντάται σε μεταφορείς πολλών διαφορετικών οικογενειών που εμπλέκονται στη μεταφορά νευροδιαβιβαστών, σακχάρων, αμινοξέων ή φαρμάκων. Τα δύο τελευταία διαμεμβρανικά τμήματα (11 και 12) μερικών μεταφορέων που έχουν παρόμοια δομή με τον LeuT, φαίνεται να εμπλέκονται στον ολιγομερισμό, παρά στο μηχανισμό λειτουργίας τους αυτό καθαυτό. Παρόλα αυτά, δεν υπάρχουν επαρκή δεδομένα για το δομικό ή/και λειτουργικό τους ρόλο. Μεταφορείς που ανήκουν στην οικογένεια NCS1 στους μύκητες, είναι από τους πιο καλά μελετημένους σε γενετικό, βιοχημικό και κυτταρικό επίπεδο. Δομικά μοντέλα μυκητιακών μεταφορέων NCS1 βασίζονται σε πολλές διακριτές κρυσταλλικές δομές του βακτηριακού ομολόγου Mhp1 και υποστηρίζονται από γενετικές μελέτες που προκαθόρισαν τη θέση δέσμευσης του υποστρώματος και τα πιθανά στοιχεία που δρουν σαν πύλες, καθορίζοντας την εξειδίκευση. Πιο συγκεκριμένα, ένα σημαντικό εύρημα που προέρχεται από έρευνα του εργαστηρίου μας πάνω στους μυκητιακούς μεταφορείς της NCS1 οικογένειας (τόσο σε μέλη της Fcy όσο και της Fur υποοικογένειας) είναι ότι η εξειδίκευση δεν καθορίζεται μόνο από κατάλοιπα που βρίσκονται στο σημείο πρόσδεσης του υποστρώματος (ΔΤ1, ΔΤ3, ΔΤ6 ή ΔΤ8) αλλά και από δυναμικές κινήσεις του τμήματος ΔΤ9 ΔΤ10 που δρα σαν εξωκυτταρική πύλη.Σε αυτή τη διατριβή, παρέχουμε πειραματικά και in silico δεδομένα που αποδεικνύουν ότι η ενδοκύτωση, η λειτουργία και περιέργως η εξειδίκευση του FurE, ενός μεταφορέα του Aspergillus nidulans που ανήκει στην NCS1 οικογένεια και μεταφέρει ουρακίλη-αλλαντοΐνη και ουρικό οξύ, εξαρτάται από δυναμικές αλληλεπιδράσεις των άμινο και καρβοξυτελικών άκρων μεταξύ τους και με το βασικό σώμα του μεταφορέα. Πιο συγκεκριμένα, τα καρβοξυτελικά άκρα εμπλέκονται σε ενδομοριακές δυναμικές αλληλεπιδράσεις που είναι απαραίτητες για την εκλεπτυσμένη ρύθμιση των πυλών που ελέγχουν την επιλογή των υποστρωμάτων. Πραγματοποιώντας Μοριακές Δυναμικές (ΜΔ) και αναλύσεις μεταλλαγών στο γονίδιο του μεταφορέα, υποθέσαμε ότι αυτό συμβαίνει μέσω αλληλεπιδράσεων των κυτταροπλασματικών ουρών με ενδοκυττάριες θηλιές, οι οποίες με τη σειρά τους επηρεάζουν τη διαδικασία διαλογής υποστρωμάτων μέσω των πυλών στην εξωκυττάρια πλευρά της πλασματικής μεμβράνης. Επιπρόσθετα, τα αποτελέσματά μας έδειξαν ότι αυτές οι αλληλεπιδράσεις εξαρτώνται άμεσα από το pH. Στη συνέχεια, αξιοποιώντας τις πληροφορίες από εκτεταμένες αναλύσεις ΜΔ, πραγματοποιήσαμε συστηματική και στοχευμένη λειτουργική ανάλυση μεταλλαγών στο μόριο του μεταφορέα FurΕ, προκειμένου να χαρακτηρίσουμε το μονοπάτι μετατόπισης του υποστρώματος κατά τη διάρκεια της μετάβασής του από τις διακριτές διαμορφώσεις του. Επιπροσθέτως, παρέχουμε πειραματικά στοιχεία που δείχνουν πως η ταυτότητα των αμινοξέων που απαρτίζουν τα δύο τελευταία ΔΤ του FurE, δεν καθορίζει την κατάλυση της μεταφοράς. Ωστόσο, ένα συντηρημένο κατάλοιπο τυροσίνης είναι απολύτως απαραίτητο για τη σωστή στόχευση του μεταφορέα στην πλασματική μεμβράνη. Στο τελευταίο μέρος αυτής της δουλειάς, συνδυάζουμε βιοφυσικές τεχνικές και υπολογιστικές μεθόδους για να καταλάβουμε σε βάθος το μηχανισμό που διέπει το λειτουργικό ρόλο των κυτταροπλασματικών άκρων στη διαλογή και μεταφορά του υποστρώματος, κάτι που φαίνεται να αντικατοπτρίζει ένα γενικότερο μηχανισμό που χαρακτηρίζει τους μεταφορείς της APC υπεροικογένειας. Το σύνολο της διατριβής αυτής, υποστηρίζει την ευρύτερη ιδέα ότι το μέγεθος των άκρων των ευκαρυωτικών μεταφορέων αυξήθηκε κατά τη διάρκεια της εξέλιξης, προσδίδοντας περισσότερους διακριτούς τρόπους ρύθμισης της λειτουργίας τους.