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In-cell analysis of FK506 binding protein 51-glucocorticoid receptor-heat shock protein 90 interaction at single residue resolution

Baischew, Asat (2023)
In-cell analysis of FK506 binding protein 51-glucocorticoid receptor-heat shock protein 90 interaction at single residue resolution.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00024106
Ph.D. Thesis, Primary publication, Publisher's Version

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Item Type: Ph.D. Thesis
Type of entry: Primary publication
Title: In-cell analysis of FK506 binding protein 51-glucocorticoid receptor-heat shock protein 90 interaction at single residue resolution
Language: English
Referees: Hausch, Prof. Dr. Felix ; Kolmar, Prof. Dr. Harald
Date: 2023
Place of Publication: Darmstadt
Collation: iii, 127 Seiten
Date of oral examination: 24 May 2023
DOI: 10.26083/tuprints-00024106
Abstract:

The large immunophilins FKBP51 and FKBP52 play key roles in the Hsp90-mediated maturation of steroid hormone receptors, which is crucial for stress-related disorders and correct sexual embryonic development, respectively. A prominent regulatory target is the glucocorticoid receptor (GR), whose activation is repressed by FKBP51 and facilitated by FKBP52. Despite their vital roles, the molecular modes of action of FKBP51 and FKBP52 are poorly understood since the transient key states of FKBP-mediated GR-regulation have remained experimentally elusive. This work presents a systematic incorporation of a photoreactive amino acid inside human cells that allows capture of the transient FKBP51-GR-Hsp90 interactions. A photoreactive, unnatural amino acid is site specifically incorporated by amber suppression and acts as a proximity sensor to map the interaction at single residue resolution. This is first established for FKBP51, where the FKBP51-Hsp90 interaction interface is explored well beyond the known FKBP51-TPR-domain mediated interaction including both the FK1- and FK2-domain of FKBP51. Additionally, the Hsp90 cochaperone p23 is identified as a direct interaction partner of FKBP51 suggesting that a multi-protein complex is needed for a functional Hsp90 machinery. Creating a suitable, high-throughput analysis for mapping protein interaction via ELISA allows the elucidation of the GR-FKBP51 interaction interface in great detail. The identified crosslinking sites all depend on a functional Hsp90 chaperone cycle, are disrupted by GR activation, and cluster in characteristic patterns, defining the relative orientation and contact surfaces within the FKBP51/p23-apoGR complexes. Moreover, the developed ELISA enables quantification of in-cell activation of the GR by its synthetic agonist dexamethasone. GR-->FKBP52 crosslinks were found to be 5-fold more sensitive to GR activation compared to GR-->FKBP51 crosslinks. The ELISA data show that GR activation is facilitated in the context of a FKBP52-Hsp90-GR complex compared to GR in a FKBP51-Hsp90-GR complex. This in accordance with the well-documented GR-facilitating effect of FKBP52 and the GR-repressing effect of FKBP51. Taken together, this work presents the architecture and functional annotation of FKBP51-, and p23-containing Hsp90-apoGR pre-activation complexes, trapped by large scale in-cell photocrosslinking.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Die Immunophiline FKBP51 und FKBP52 spielen eine Schlüsselrolle bei der Hsp90-vermittelten Reifung von Steroidhormonrezeptoren, die für Stressverarbeitung und eine korrekte geschlechtsspezifische Embryonalentwicklung entscheidend sind. Ein wichtiger Vertreter ist der Glucocorticoidrezeptor (GR), dessen Aktivierung durch FKBP51 unterdrückt und durch FKBP52 beschleunigt wird. Trotz ihrer wichtigen Rolle sind die molekularen Wirkungsweisen von FKBP51 und FKBP52 nur unzureichend verstanden, da die dynamischen Interaktionen der FKBP-vermittelten GR-Regulierung experimentell schwer zu analysieren sind. In dieser Arbeit wird der systematische Einbau einer photoreaktiven Aminosäure in menschliche HEK-Zellen vorgestellt, der die Erfassung der dynamischen FKBP51-GR-Hsp90-Interaktionen ermöglicht. Photoreaktive, unnatürliche Aminosäuren werden durch die Erweiterung des genetischen Codes ortsspezifisch eingebaut und fungieren als Sensor für die räumliche Nähe von Proteinen, um die Interaktion mit einer aminosäure-genauen Auflösung zu erfassen. Dies wird zuerst an FKBP51 durchgeführt, wobei die Interaktionsfläche zwischen FKBP51 und Hsp90 weit über die bekannte FKBP51-TPR-Domäne vermittelte Interaktion hinaus gezeigt wird. Sie umfasst zusätzlich die FK1- als auch die FK2-Domäne von FKBP51. Darüber hinaus wird das Hsp90-Cochaperon p23 als direkter Interaktionspartner von FKBP51 identifiziert, was darauf hindeutet, dass für eine funktionierende Hsp90-Maschinerie ein Multiproteinkomplex erforderlich ist. Die Entwicklung einer geeigneten Hochdurchsatzanalyse für die Charakterisierung von Proteininteraktionen mittels ELISA ermöglicht die detaillierte Aufklärung der GR-FKBP51-Interaktionsfläche. Die identifizierten Crosslink-Stellen sind abhängig von einer funktionierenden Hsp90-Cochaperon-Maschinerie und werden durch die Aktivierung des GR gestört. Die Crosslinks zeigen ein charakteristisches Muster und erlauben die relative Orientierung sowie die Interaktionsflächen innerhalb der FKBP51/p23-apoGR-Komplexe zu definieren. Des Weiteren ermöglicht der hier entwickelte ELISA die Quantifizierung der intrazellulären Aktivierung des GR durch Dexamethason. Es wird gezeigt, dass die GR-->FKBP52 Crosslinks fünfmal empfindlicher für die Aktivierung des GR sind als die GR-->FKBP51 Crosslinks. Die ELISA-Daten zeigen, dass die GR-Aktivierung des FKBP52-Hsp90-GR-Komplexes im Vergleich zum FKBP51-Hsp90-GR-Komplex schneller ist. Dies bestätigt die bekannte aktivierende Wirkung von FKBP52 auf den GR sowie der inhibierenden Wirkung von FKBP51. Durch den Einbau von Photocrosslinkern in eine umfassende FKBP51 und GR Mutantenbibliothek wird in dieser Arbeit die Architektur und funktionelle Charakterisierung der FKBP51- und p23-Hsp90-apoGR-Preaktivierungskomplexe gezeigt.

German
Status: Publisher's Version
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-241069
Classification DDC: 500 Science and mathematics > 540 Chemistry
Divisions: 07 Department of Chemistry > Clemens-Schöpf-Institut > Fachgebiet Biochemie
Date Deposited: 29 Jun 2023 11:51
Last Modified: 30 Jun 2023 10:53
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/24106
PPN: 509180183
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