Structure-function relationships in transmembrane transporters

Abstract

Transporters are transmembrane proteins that mediate the selective translocation of solutes across biological membranes. Members of the ubiquitous Nucleobase Ascorbate Transporter (NAT) family are H+ or Na+ symporters specific for the cellular uptake of either purines and pyrimidines or L-ascorbic acid [1]. Despite the fact that several members have been extensively characterized at a genetic, biochemical or cellular level, and crystal structures of NAT members from Escherichia coli and Aspergillus nidulans have been determined pointing to a mechanism of transport, the current knowledge cannot explain how substrate selectivity is determined [2,3]. Functionally characterized NATs from bacteria, fungi and plants are specific for nucleobases, but rather surprisingly, mammals and other vertebrates possess NAT homologues that are specific for L-ascorbate transport (SVCT1/2) in addition to nucleobase specific members (i.e. rSNBT1) [4,5]. Vertebrates also include a third distinct paralogue of unknown function called SVCT3 [5]. High-resolution crystal structures from two NAT members have been obtained [2,3,6]. These are the UraA uracil transporter of E. coli and the UapA uric acid-xanthine transporter of A. nidulans. Both proteins are composed of 14 transmembrane segments characterized by a 7 helix inverted repeat (7+7) forming a core and a dimerization domain. Additionally, these proteins exist as dimers, the formation of which is essential for transport activity. UapA is considered the prototypic eukaryotic member of this family as it is one of the most extensively studied eukaryotic transporters in respect to structure-function relationships, substrate specificity, regulation of expression and subcellular trafficking.All NATs include a highly conserved motif in TMS10 historically referred as the NAT signature motif which includes residues critical for substrate binding and specificity or transport catalysis [1,8]. Previous studies on UapA reported that most specificity substitutions in UapA, selected by direct genetic screens, map outside the major substrate binding site and the NAT signature motif [9,10,13]. The most prominent specificity substitutions concerned residues Arg481, Thr526 or Phe528, which are located along the proposed sliding trajectory of the core domain in the UapA dimer. Moreover, it has been shown recently that specific interactions with plasma membrane phospholipids at the dimer interface of UapA are essential for the formation and/or stability of functional dimers [12]. More specifically, UapA co-purifies with lipid and delipidation results in dissociation into monomers. Addition of PIs or PEs resulted in the re-formation of the UapA dimer. MDs predicted a specific lipid binding site at the dimer interface that is formed by three arginine residues Arg287, Arg478 and Arg479. Replacement of these arginines by alanine residues led to total loss of UapA function and both native MS and bifluorescence complementation (BiFC) assays indicated that a major fraction of UapA cannot dimerize. This study is divided in three distinct chapters. In the first one the molecular aspects of NAT substrate specificity and the evolution of ascorbate transporters were investigated by making at first an extensive phylogenetic analysis and then a mutational analysis on the NAT signature motif of UapA. This mutational analysis was coupled with a rational combination of substitutions while new substitutions were also isolated by novel genetic screens. Overall, the results revealed cryptic context-dependent roles of partially conserved residues in the NAT signature motif in determining the specificity of the UapA transporter. Additionally we provided novel findings concerning how Phe528, a residue outside the substrate binding site, might function as a key amino acid in determining UapA specificity. The second part of the study was focused on the role of lipid interactions in UapA function, stability and trafficking. In particular, the role of UapA-lipid interactions at the dimer interface was further examined and the possible role of other predicted, by MDs, interactions at the membrane facing regions of the core domain of the UapA dimer was identified. We found that distinct interactions of UapA with membrane lipids are essential for ab initio formation of functional dimers in the ER, or ER exit and further subcellular trafficking. Additionally, through genetic screens, we identified substitutions that restore defects in dimer formation and/or trafficking. Finally, in the third part of the present study, using knowledge acquired from this work we achieved for the first time the functional expression of a mammalian NAT homologue in A. nidulans.

Οι μεταφορείς είναι διαμεμβρανικές πρωτεΐνες που πραγματοποιούν την επιλεκτική μεταφορά ουσιών μέσω των μεμβρανών. Τα μέλη της οικογένειας μεταφορέων NAT (Nucleobase Ascorbate Transporter family) είναι συμμεταφορείς H+ ή Na+ ειδικοί για την πρόσληψη είτε πουρινών και πυριμιδινών είτε L-ασκορβικού οξέος [1]. Παρά το γεγονός ότι αρκετά μέλη έχουν μελετηθεί εκτενώς σε γενετικό, βιοχημικό και κυτταρικό επίπεδο και οι δομές μελών από το βακτήριο Escherichia coli and τον μύκητα Aspergillus nidulans έχουν δημοσιευθεί παρέχοντας μια πληθώρα δεδομένων για τον μηχανισμό λειτουργίας, τα υπάρχοντα δεδομένα δεν είναι ικανά να εξηγήσουν πλήρως το πως καθορίζεται η εκλεκτικότητα των υποστρωμάτων [2,3]. Καλά χαρακτηρισμένα μέλη από τα βακτήρια, τους μύκητες και τα φυτά μεταφέρουν ειδικά πουρίνες η/και πυριμιδίνες ενώ τα θηλαστικά και άλλα σπονδυλωτά διαθέτουν μέλη που είναι ειδικά για L-ασκορβικό οξύ (SVCT1/2) αλλά και μέλη ειδικά για νουκλεοτιδικές βάσεις (π.χ. rSNBT1) [4,5]. Τα σπονδυλωτά διαθέτουν ένα επιπλέον παράλογο άγνωστης λειτουργιας (SVCT3) [5].Οι δομές από δυο μέλη της NAT οικογένειας είναι γνωστές [2,3,6]. Αυτές είναι η δομή του μεταφορέα ουρακίλης της E.coli UraA και του μεταφορέα ουρικού οξέος-ξανθίνης του A. nidulans UapA. Και οι δυο πρωτεΐνες αποτελούνται από 14 διαμεμβρανικά τμήματα που χαρακτηρίζονται από δύο ανεστραμμένες επαναλήψεις (7+7) που αντιστοιχούν σε δύο επικράτειες, την επικράτεια πυρήνα (core domain) και την επικράτεια διμερισμού (dimerization domain). Και οι δύο πρωτεΐνες σχηματίζουν διμερή, ο σχηματισμός των οποίων είναι απαραίτητος για την λειτουργία των μεταφορέων. Ο UapA είναι ένας συμμεταφορέας ουρικού οξέος-ξανθίνης/H+ του μύκητα A. nidulans και θεωρείται το πρότυπο, ευκαρυωτικό μέλος αυτής της οικογένειας επειδή είναι ένας από τους πιο εκτενώς χαρακτηρισμένους ευκαρυωτικούς μεταφορείς σε ότι αφορά τις σχέσεις-δομής λειτουργίας, την εκλεκτικότητα υποστρώματος, την ρύθμιση της έκφρασης και την υποκυτταρική διακίνηση [7]. Όλοι οι ΝΑΤ μεταφορείς περιέχουν ένα συντηρημένο μοτίβο στο 10ο διαμεμβρανικό τμήμα που ονομάστηκε ιστορικά σαν αλληλουχία-αναγνώρισης ΝΑΤ (NAT signature motif) το οποίο περιλαμβάνει κατάλοιπα που είναι απαραίτητα για την δέσμευση υποστρώματος και την εκλεκτικότητα ή για την κατάλυση της μεταφοράς [1,8]. Προηγούμενες μελέτες στον UapA έδειξαν ότι οι περισσότερες μεταλλαγές που επηρεάζουν την εκλεκτικότητα του, που έχουν προκύψει από τυχαίες μεταλλαξιγενέσεις, βρίσκονται εκτός της θέσης δέσμευσης υποστρώματος και της αλληλουχίας-μοτίβου ΝΑΤ [9–11]. Από αυτές οι πιο γνωστές μεταλλαγές αφορούν τα κατάλοιπα Arg481, Thr526 και Phe528 που εντοπίζονται κατά μήκος της πορείας κύλισης της επικράτειας πυρήνα πάνω στο διμερές. Επιπλέον, πρόσφατες μελέτες έδειξαν ότι συγκεκριμένες αληλλεπιδράσεις του UapA με μεμβρανικά λιπίδια στην επιφάνεια διμερισμού είναι απαραίτητες για τον σχηματισμό ή/και την σταθερότητα των λειτουργικών διμερών [12]. Πιο συγκεκριμένα, κατά την διαδικασία απομόνωσης του UapA συγκατακρημνίζονται και λιπίδια και η απομάκρυνση αυτών των λιπιδίων οδηγεί σε διάλυση του διμερούς συμπλόκου σε μονομερή. Προσθήκη φωσφο-ινοσιτιδίων (PIs) ή φωσφατιδυλοαιθανολαμίνης (PEs) οδήγησε στον επανασχηματισμό του διμερούς. Προσομοιώσεις μοριακής δυναμικής (MDs) προέβλεψαν την ύπαρξη μιας ειδικής θέσης δέσμευσης λιπιδίων στην επιφάνεια διμερισμού που αποτελείται από τρία κατάλοιπα αργινίνης Arg287, Arg478 και Arg479. Η αντικατάσταση αυτών των καταλοίπων οδήγησε σε πλήρη απώλεια λειτουργίας η οποία οφείλεται στην απώλεια σχηματισμού του λειτουργικού διμερούς σε μεγάλο ποσοστό της πρωτεΐνης όπως αποδείχτηκε από φασματομετρία μάζας (native MS) και δοκιμασίες εντοπισμού πρωτεϊνικών αλληλεπιδράσεων με το σύστημα BiFC. H παρούσα διατριβή είναι χωρισμένη σε τρία κεφάλαια. Στο πρώτο ερευνήθηκε η μοριακή βάση της εξειδίκευσης υποστρώματος στην ΝΑΤ οικογένεια και μελετήθηκε η εξέλιξη των μεταφορέων ασκορβικού πραγματοποιώντας αρχικά μια εκτενή φυλογενετική ανάλυση και στη συνέχεια μεταλλαγές στο μοτίβο ΝΑΤ του UapA. Την παραπάνω συστηματική μεταλλαξιγένεση ακολούθησε ορθολογικά σχεδιασμένος συνδυασμός υποκαταστάσεων ενώ απομονώθηκαν νέες επιπλέον υποκαταστάσεις μέσω τυχαίων μεταλλαξιγενέσεων. Τα αποτελέσματα συνολικά υποστηρίζουν ότι ο ρόλος κάποιων μερικώς συντηρημένων καταλοίπων του μοτίβου NAT στην εξειδίκευση του μεταφορέα UapA εξαρτάται από την ύπαρξη συγκεκριμένων αμινοξέων σε άλλες θέσεις. Επιπλέον παρουσιάζονται νέα δεδομένα για το πώς το κατάλοιπο Phe528, που βρίσκεται εκτός της θέσης πρόσδεσης υποστρώματος, μπορεί να επηρεάζει την εκλεκτικότητα του UapA. Tο δεύτερο μέρος αυτής της διατριβής αφορά τον ρόλο των αλληλεπιδράσεων του UapA με λιπίδια στη λειτουργία, τη σταθερότητα και τη μεταφορά του στη μεμβράνη. Πιο συγκεκριμένα, εξετάστηκε περαιτέρω ο ρόλος των αλληλεπιδράσεων στην επιφάνεια διμερισμού και διερευνήθηκε ο πιθανός ρόλος άλλων αλληλεπιδράσεων, που έχουν προβλεφθεί από MDs, στην περιφέρεια της επικράτειας πυρήνα του UapA. Βρέθηκε πως διακριτές αλληλεπιδράσεις του UapA με μεμβρανικά λιπίδια είναι απαραίτητες για τον εξαρχής σχηματισμό διμερών στο ενδοπλασματικό δίκτυο, ή την έξοδο από αυτό και την περαιτέρω στόχευση του στη μεμβράνη. Επιπλέον, μέσω τυχαίων μεταλλαξιγενέσεων απομονώθηκαν μεταλλαγές που επαναφέρουν τον σχηματισμό διμερών ή/και τη στόχευση στη μεμβράνη. Τέλος, στο τρίτο μέρος, χρησιμοποιώντας αποτελέσματα της παρούσας διατριβής έγινε για πρώτη φορά λειτουργική ετερόλογη έκφραση μιας NAT ομόλογης πρωτεΐνης από τα θηλαστικά στον A. nidulans.