NMR-gestützte Untersuchung der strukturellen Grundlage für die Signaltransduktion in der angeborenen Immunabwehr durch autokatalytische Änderungen von MAVS

Abstract

Upon virus infection, the innate immune response can be triggered by RIG-I like receptors (RLR) recognizing viral RNA. As a result, the two caspase activation and recruitment domains (CARD)s of RLRs become exposed and activate the CARD of the mitochondrial antiviral signaling protein (MAVS) to form high molecular weight assemblies, which serve as a 'platform' for the activation of downstream signaling components. The N-terminal CARD of MAVS is responsible for this aggregation. Recombinant MAVS CARD forms fibers, which can trigger the conversion of endogenous inactive full-length MAVS into active aggregates. The mechanism of MAVS CARD mediated self-assembly is still poorly understood. In this thesis, the structure of the MAVS CARD monomer was determined at pH 3.0 by solution NMR. It adopts a typical Greek key bundle of six anti-parallel helices. Analysis of the backbone dynamics revealed the MAVS CARD is extremely rigid, with minor exceptions at the termini. Pull-down assays and NMR titration assays of the RIG-I CARDs with monomeric MAVS CARD mutants provided first insights into the interaction interface between these two proteins. Moreover, solid state NMR was employed to determine the structure of MAVS CARD in its fibrillar conformation. Only minor structural changes were observed relative to the monomeric state. Thus, MAVS activation is one of the first examples of a prion-like conversion from a monomeric to an aggregated state that does not require a substantial conformational change. The quaternary structure of MAVS CARD was determined by combining intermolecular NMR constraints with helical symmetry information from electron microscopy. Three different interaction surfaces were identified between the MAVS CARD domains within the filament. These results presented here will be of significant value for future studies on MAVS activity and regulation, and the role of higher-order assemblies in signal transduction.Virale RNA wird von Rezeptoren der Rig-I Familie (RLR) erkannt und löst so eine angeborene Immunantwort aus. Die RLRs setzen ihre beiden Caspase-Aktivierungs- und Rekrutierungsdomänen (CARD) frei und aktivieren die CARD des mitochondrialen antiviralen Signalproteins (MAVS). Dieses bildet so hochmolekulare Strukturen, die als Plattform für die Aktivierung weiterer Signaltransduktionsmoleküle dienen. Die N-terminale MAVS CARD ist für diese Aggregation ausreichend. Recombinante MAVS CARD bildet Fasern, die eine Konversion von endogenem, inaktivem Volllängern-MAVS zu aktiven Aggregaten auslösen. Der Mechanismus dieser Selbstassemblierung ist noch schlecht verstanden. In der vorliegenden Arbeit wurde die Struktur des MAVS CARD Monomers bei pH 3.0 durch Lösungs-NMR bestimmt. Es bildet ein typisches “Greek Key”-Bündel aus sechs antiparallelen Helices. Die Protein-Rückgrat-Dynamik zeigte, das MAVS CARD sehr rigide ist, mit Ausnahme der Termini. Pulldown- und NMR-Tirationsexperimente zur Bindung der RIG-I CARD an monomere MAVS CARD Mutanten haben erste Einblicke in die Interaktionsflächen zwischen den beiden Proteinen gegeben. Mithilfe von Festkörper-NMR wurde die Struktur von MAVS CARD Fasern bestimmt und gezeigt, dass nur geringfügige Strukturänderungen relativ zum Monomer auftreten. Daher stellt die Aktivierung von MAVS eines der ersten Beispiele einer Prion-ähnlichen Konversion von einem monomeren zu einem aggregierten Zustand dar, der keine substantiellen konformationellen Änderungen beinhaltet. Um die Quartärstruktur von MAVS CARD zu lösen, wurden intermolekulare NMR Distanzinformationen mit Negativkontrast-Elektronenmikroskopie und Röntgenfaserbeugung zur Bestimmung der helikalen Symmetrie kombiniert. Es konnten drei Kontaktflächen der MAVS CARD Protomere untereinander identifiziert werden. Diese Ergebnisse werden für zukünftige Studien zur Aktivierung und Regulation von MAVS, sowie zur Rolle von hochgeordneten Aggregaten in der Signaltransduktion von hohem Wert sein