Zur molekularen Architektur von Cu(I)-Thiolatzentren in Cu-Thioneinen

Abstract

Zwei mittels Festphasenpeptidsynthese hergestellte Fragmente von Hefe-MT wurden mit spektroskopischen Methoden, die Rückschlüsse auf die räumliche Struktur zulassen, untersucht und mit den Eigenschaften des intakten Proteins verglichen. Elektronenabsorptions-, CD- und Lumineszenzspektren der mit Cu(I) rekonstituierten Polypeptide waren nahezu identisch mit denen des isolierten intakten Hefe-MT. Die Spinsysteme in den 2D-1H-1H-NOESY-Spektren blieben durch die Verkürzung unbeeinträchtigt. Aus den NMR-Daten wurden die 3D-Strukturen des längeren Fragments und des intakten MT ermittelt. Die Proteinfaltung war in beiden Fällen dieselbe, insbesondere die Cysteinylschwefel fanden sich an unveränderten Positionen innerhalb der jeweiligen Polypeptidmatrix wieder. Aufgrund der spektroskopischen Ähnlichkeit aller drei Spezies wurde angenommen, dass auch das kürzere Fragment die gleiche Polypeptidfaltung besitzt. Das kürzere der beiden Fragmente kristallisierte als Einkristall. Die Kristallstruktur lieferte Erkenntnisse über die Art der Kupferkoordination in diesem Protein. Insgesamt waren 8 Cu(I) an 10 Cysteinylthiolate gebunden. Während 6 Cu(I) trigonale Koordinationsgeometrie besaßen, wurden zwei Cu(I) von je zwei Thiolatschwefeln koordiniert.

Durch Messung der Lumineszenz-, CD- und 1H-1H-NOESY-Spektren wurde die Cu(I)-Titration der chemisch synthetisierten Domänen von Maus-MT-1 verfolgt. Lumineszenz- und CD-Daten, die zur Bewertung der Probenpräparations-bedingungen herangezogen wurden, stimmten weitgehend mit denen bereits veröffentlichter Arbeiten überein. Für die Ausgangspunkte der Titration, Zn4-alpha-MT und Zn3-beta-MT, wurden NOESY-Spektren erhalten, die mit den publizierten Daten für Cd7-MT übereinstimmten. Aufgrund dessen wurde postuliert, dass die Proteinfaltung der beiden Domänen unabhängig davon, ob Zn(II) oder Cd(II) gebunden ist, die gleiche sei. Im Fall von Zn4-alpha-MT wurde dies durch Strukturberechnungen bestätigt. Nach Zugabe von 3 Äquivalenten Cu(I) zu alpha-MT und 4 Äquivalenten zu beta-MT bildeten sich Spezies, deren NOESY-Spektren auf ordentlich gefaltete Strukturen schließen ließen. Bereits deren Spinmuster wiesen große Unterschiede zu denen von Zn3-alpha-MT und Zn4-beta-MT auf. Strukturberechnungen für diese Spezies bestätigten jeweils eine im Cu(I)-beladenen Zustand veränderte Proteinfaltung, die auch bei gemeinsamer Inkubation von ZnxCu3-alpha-MT und ZnyCu4-beta-MT erhalten blieb. Die Zugabe von mehr als drei und vier Cu(I) zu alpha- bzw. beta-MT führte zum kompletten Verlust der NOESY-Signale.

Two truncated forms of yeast metallothionein (MT) were prepared employing solid phase peptide synthesis. Their spectroscopic properties, including electron absorption, circular dichroism, luminescence, and 1H-NMR, were compared with those of the native protein and proofed to be virtually identical. The spin systems observed in the 2D 1H-1H-NOESY spectra remained unaffected by the shortening of the polypeptide chains. 3D structures were calculated on the basis of the NMR data for the native MT and its longer fragment confirming their structural identity. Particularly the cysteinyl sulphurs were found in unchanged positions within the polypeptide matrix. Due to the spectroscopic similarity of all three species, the shorter fragment was assumed to possess the same polypeptide folding. Single crystals of the shorter fragment were obtained. Its crystal structure provided insight into the copper co-ordination features of this protein. Altogether eight Cu(I) were bound to ten cysteinyl thiolates. Six of them were co-ordinated trigonally, the remaining two revealing a digonal binding geometry.

A second project dealt with the structural consequences of Cu(I) binding to the domains of mammalian MT. Therefore, the synthetic domains of murine metallothionein-1 were titrated with Cu(I). After each step luminescence, cirular dichroism, and 1H-1H-NOESY spectra were measured. Luminescence and CD features were used to assess the conditions of sample preparation and were in good accordance with previously published data of other groups addressing Cu(I) binding to the single domains of mammalian metallothionein. The 1H-1H-NOESY spectra of the starting points, Zn4-alpha-MT and Zn3-beta-MT, aligned well with established NMR data for murine Cd7-MT. Regardless of Zn(II) or Cd(II) co-ordination to the two domains an identical protein folding was assumed. For Zn4-alpha-MT, this was further confirmed by structure calculations. The addition of three equivalents Cu(I) to alpha-MT and four equivalents Cu(I) to beta-MT led to the formation of properly folded species with NOESY spectra being significantly different to those of the corresponding starting spectra. Hence Cu(I) binding to the MT domains was expected to cause major structural changes within the MT domains. Structure calculations based on the NMR data elucidated their completely new polypeptide foldings that remained intact upon mixed incubation of ZnxCu3-alpha-MT and ZnyCu4-beta-MT. Additions of more than three and four equivalents Cu(I) to alpha- and beta-MT, respectively, led to the complete loss of NOESY signals.