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Master's Dissertation
DOI
10.11606/D.46.2018.tde-11122018-091550
Document
Author
Full name
Tatiana Comporte Stabelini
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Paulo, 2018
Supervisor
Committee
Salinas, Roberto Kopke (President)
Cilli, Eduardo Maffud
Farah, Shaker Chuck
Valente, Ana Paula Canedo
Title in Portuguese
Estudos estruturais de fragmentos do trocador de Na+/Ca2+ por RMN em solução
Keywords in Portuguese
CALX
Ressonância Magnética Nuclear
TMH5
Trocador Na+/Ca2+
XIP
Abstract in Portuguese
Proteínas de membrana estão envolvidas em processos fisiológicos essenciais como, por exemplo, a manutenção do equilíbrio iônico e sinalização intracelular. No entanto, apesar do envolvimento em inúmeros processos fisiológicos e de grande interesse farmacêutico, o estudo estrutural de proteínas de membrana ainda é um processo custoso e muito mais complexo do que o estudo estrutural de proteínas solúveis. Os trocadores de Na+/Ca2+ são proteínas de membrana que atuam na manutenção da homeostase de Ca2+ intracelular e estão envolvidos em processos patológicos como doenças cardíacas. Estes trocadores estão presentes em diversas espécies de mamíferos (NCX) e insetos, por exemplo, na mosca Drosophila melanogaster (CALX). A topologia destas proteínas é constituída de dois domínios. O domínio transmembranar, que contém dois segmentos de 5 hélices transmembranares (TMH) e é responsável por promover o transporte específico de íons Ca2+ e Na+ através da membrana, e o domínio citoplasmático, responsável por regular a atividade do trocador. O domínio citoplasmático consiste de uma alça que contém dois domínios sensores de Ca2+ intracelular (CBD1 e CBD2). Trabalhos mostraram que o trocador CALX é inibido pela ligação de Ca em CBD1, enquanto que trocadores NCX são ativados. As regiões citosólicas que conectam CBD1 e CBD2 à TMH5 e TMH6 são conservadas e ainda não foram caracterizadas estruturalmente. Adjacente à TMH5 há um segmento anfipático, denominado exchanger inhibitory peptide (XIP), que está envolvido no mecanismo de regulação do trocador. Na ausência de dados estruturais do CALX completo, o estudo de TMH5-XIP poderá aumentar a compreensão sobre a estrutura e o funcionamento do trocador. A construção TMH5-XIP foi fusionada à MBP no N-terminal e a uma sequência de 8 histidinas no C-terminal. Apesar da expressão da proteína de fusão ter sido bem sucedida, problemas de precipitação e ineficiência durante a clivagem da conexão com a MBP impediram a conclusão dos estudos estruturais. Logo, uma construção menor, contendo apenas a região equivalente ao XIP, foi estudada por espectroscopia de RMN em solução e dicroísmo circular. XIP forma uma 310-hélice a baixa temperatura, 7 oC, que se desestabiliza a maior temperatura, 27 oC. Estes dados permitem a formulação de hipóteses sobre o papel de XIP no mecanismo de regulação do domínio transmembranar de CALX.
Title in English
Structural studies of fragments derived from the Na+/Ca2+ exchanger by solution NMR
Keywords in English
CALX
Na+/Ca2+ Exchanger
Nuclear Magnetic Resonance
TMH5
XIP
Abstract in English
Membrane proteins are involved in essential physiological processes such as maintenance of the ionic balance and intracellular signaling. However, despite their role in numerous physiological processes of well-recognized pharmaceutical relevance, structural studies of membrane proteins remain being more complex than structural studies of globular proteins. Na+/Ca2+ exchangers (NCX) are membrane proteins that play essential roles in the maintenance of the intracellular Ca2+ homeostasis. Not surprisingly, the NCXs are involved in pathologies such as heart diseases. These exchangers are present in several species of mammals (NCX) and insects, for example, in the fly Drosophila melanogaster (CALX). The topology of these proteins consists of a transmembrane and a hydrophilic domain. The transmembrane domain corresponds to two segments of 5 transmembrane helices (TMH) forming a 10-helix bundle that is responsible for the specific transport of Ca2+ and Na+ across the cellular membrane. The hydrophilic domain is composed of a large cytoplasmic loop, which is associated with the regulation of the ion exchange activity of the transmembrane domain. The loop contains two Ca2+-sensors domains, CBD1 and CBD2, and uncharacterized regions. Studies showed that Ca2+ binding to CBD1 inhibits the CALX, whereas it activates the NCX. The juxtamembrane cytosolic regions linking the CBD1 and CBD2 domains to the TMH5 and TMH6, respectively, are highly conserved but have not yet been structurally characterized. The segment near TMH5 is amphipathic, and it is also called exchanger inhibitory peptide (XIP). In the absence of a three-dimensional structure of the complete CALX, the study of TMH5-XIP may contribute to our understanding of the structure and operation of the exchanger. In order to study TMH5-XIP, it was fused to an MBP tag at the N-terminus, and to a sequence of 8 histidines at the C-terminus. Although the expression of the fusion protein was successful, precipitation and inefficient MBP-tag cleavage prevented the isolation of pure TMH5-XIP for structural studies. Hence, a smaller construct, containing only the region equivalent to XIP, was studied by NMR spectroscopy in solution and circular dichroism. The structure assumed by XIP in solution is temperature dependent, being intrinsically disordered at 27 C or a 310-helix at 7 C, respectively. These findings allowed us to infer how XIP could participate in the CALX regulation mechanism.
 
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Publishing Date
2018-12-14
 
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