Biochemische Funktionsweise von GAF Domänen

• Antragsteller: Professor Dr. Joachim E. Schultz
• Fachliche Zuordnung: Pharmazie
• Förderung: Förderung von 2003 bis 2010
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 5395643

• Erstellungsjahr: 2009

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Die Kristallisation von Tandem-GAF Domänen der tierischen Phosphodiesterase Isoformen 5, 10 und 11 ließ eine Strukturauflösung von bis zu 6 Å erwarten. Dies war zu wenig, um an die beiden vorhandenen Tandem-GAF Strukturen anzuknüpfen. Wir haben mit einer Adenylatcyclase aus dem Cyanobacterium Anabaena sp. als Reporterenyzm die Funktionalität der GAF-Tandem Domänen der Phosphodiesterasen 5, 10 und 11 biochemisch charakterisiert. In einer Tandem-GAF Domäne ist die Signalübertragung zwischen GAF-A und –B genau aufeinander abgestimmt. Eine Mischung der verbindenden Helices aus den PDE Isoformen 5 und 10 ist nur dann funktionell, wenn die Helix von PDE-10 stammt. Detailuntersuchungen zeigen, daß die Aminosäuresequenz dieser verbindenden Helix nicht wesentlich ohne Funktionsverlust verändert werden kann. Die Phosphodiesterasen 2, 5, 6, 10 und 11 besitzen eine Tandem-GAF Domäne jeweils am N-Terminus. Diese regulieren die enzymatische Aktivität. Regulatorische Tandem-Domänen am N-terminus besitzen auch die Isoenzyme der Phosphodiesterase Typ 1 mit zwei aufeinanderfolgenden Calmodulin-bindenden Domänen und die langen Isoformen vom Phosphodiesterase Typ 4. Letztere haben unzureichend verstandene N-terminale Tandems einer als UCR (uniformly-conserved-region) bezeichneten Domäne. Phosphorylierung an einem Serinrest aktiviert PDE Isoformen bis zu vierfach. Mit der cyanobakteriellen Adenylatcyclase cyaB1 als Reporterenzym wurde gezeigt, daß das Tandem der Calmodulin-bindenden Domäne in PDE1 Isoformen die cAMP Bildung via Calmodulin und Calcium Ionen reguliert. Mit den Tandem UCR Domänen als N-terminus des Reporterenyzms wurde mit Hilfe von phosphomimetischen Mutationen (Ser nach Glu oder Asp) eine Regulation in der Größenordnung der durch Phosphorylierung beschriebenen PDE Aktivierung erhalten. Zusammen mit der neuen Struktur der Phosphodiesterase Typ 2 (Tandem-GAF + katalytische Domäne) deuten unsere Ergebnisse darauf hin, daß der Mechanismus der PDE Regulation bei Phosphodiesterasen 1, 2, 5, 6, 10 und 11 ähnlich ist.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• (2005) Crystal structure of the tandem GAF domains from a cyanobacterial adenylyl cyclase: Novel modes of ligand-binding and dimerization. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 102:3082-3087
  S.E. Martinez, S. Bruder, A. Schultz, N. Zheng, J.E. Schultz, J.A. Beavo, J.U. Linder
  
• (2005) The cyanobacterial tandem GAF domain from the cyaB2 adenylyl cyclase signals via both cAMP-binding sites. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 102:3088-3092
  S. Bruder, J.U. Linder, S.E. Martinez, N. Zheng, J.A. Beavo, J.E. Schultz
  
• (2006) cAMP is a ligand for the tandem GAF domain of human phosphodiesterase 10 and cGMP for the tandem GAF domain of phosphodiesterase 11. J. Biol. Chem. 281:2841-2846
  M. Gross-Langenhoff, K. Hofbauer, J. Weber, A. Schultz, J.E. Schultz
  
• (2006) Characterization of the tandem GAF domain from human phosphodiesterase 5 using a cyanobacterial adenylyl cyclase as a reporter enzyme. J. Biol. Chem. 281:19969-19976
  S. Bruder, A. Schultz, J.E. Schultz
  
• (2007) Changes in purine specificity in tandem GAF chimeras from cyanobacterial cyaB1 adenylyl cyclase and rat phosphodiesterase 2. FEBS J. 274:1514-1523
  J.U. Linder, S. Bruder, A. Schultz, J.E. Schultz
  
• (2008) Functional Chimeras of the Phosphodiesterase 5 and 10 Tandem GAF Domains. J.Biol.Chem. 283:25164-25170
  K. Hofbauer, A. Schultz, J.E. Schultz.
  
• (2008) The properties of phosphodiesterase 11A4 GAF domains are regulated by modifications in its N-terminal domain. FEBS J. 275:1643-1650
  M. Gross-Langenhoff, A. Stenzl, F. Altenberend, A. Schultz, J.E. Schultz
  
• (2009) Structural and Biochemical Aspects of Tandem GAF domains. In: Handbook Exptl. Pharmacol. 191 (H.H.H.W. Schmidt et al. eds., cGMP: Generators, Effectors and Therapeutic Implications, Springer-Verlag Berlin Heidelberg) pp. 93-109
  J.E. Schultz
  
• (2009) Use of Chimeric Adenylyl Cyclases to Study Cyclic Nucleotide Signaling. In: Handbook of Cell Signaling (R.A. Bradshaw and E. A. Dennis, eds., 2nd edition. Oxford: Academic Press, 2009) pp. 1537-1542
  Linder J.U., Schultz J.E.