On the 3D-structures of Meprin α and β, and the role of oligomerization for stability and activity of Meprin α

Abstract

Die Isoenzyme Meprin α und Meprin β repräsentieren Multidomänen-Metalloproteasen der Astacin-Familie. Während Meprin β membranständig ist, wird Meprin α in den extrazellulären Raum sezerniert. Dies führt zur Oligomerisierung von Meprin α-Dimeren durch nicht-kovalente Interaktionen. Aufgrund ihrer Substratspezifität werden Meprine mit verschiedenen pathologischen Zuständen assoziiert z.B. Fibrose, Nephritis oder neurogenerativen Erkrankungen. Folglich sind diese Proteasen im Fokus der Wirkstoffforschung und selektive Inhibitoren wurden bereits entwickelt. Zur weiteren Wirkstoffoptimierung sind die 3DStrukturen der Meprine in Komplex mit ihren spezifischen Inhibitoren entscheidend und werden in dieser Arbeit präsentiert. Mittels Röntgenkristallographie und Kryo-Elektronen Mikroskopie (single particle analysis) wurden zwei 3D-Strukturen von Meprin β in Komplex mit einem selektiven Inhibitor zu einer Auflösung von 2,41 Å und 3,0 Å aufgeklärt. Erstmals konnte die 3D-Struktur von Meprin α in Komplex mit einem spezifischen Inhibitor dargestellt werden (2,42 Å). Zusätzlich wurden die strukturellen Faktoren der Oligomerisierung von Meprin α identifiziert. Die helikalen Oligomere sind durch elektrostatische Wechselwirkungen zwischen Aminosäuren der MAM- und TRAF-Domänen von dimeren Meprin α Molekülen stabilisiert. Der Einfluss der Oligomerisierung von Meprin α auf die Stabilität und Aktivität der Protease wurde ebenfalls untersucht und in dieser Arbeit diskutiert.

The isoenzymes Meprin α and Meprin β represent multidomain metalloproteases of the astacin family. Whereas Meprin β is tethered to the membrane, Meprin α is released into the extracellular space. Upon shedding from the membrane, Meprin α oligomers up to the Mega-Dalton range are formed by non-covalent interactions between Meprin α dimers. Driven by their substrate cleavage specificity, Meprins are key players in fibrosis and keloids, but also in nephritis and neurodegeneration. Consequently, Meprin α and Meprin β are within focus of current drug discovery and selective inhibitors were developed. For further drug design and optimization, the 3D-structures of Meprins in complex with specific inhibitors were elucidated and are presented within the present study. Using the structural elucidation approaches X-ray crystallography and cryo-electron microscopy single particle analysis two 3D-structures of Meprin β in complex with its specific inhibitor were elucidated to a resolution of 2.41 Å and 3.0 Å, respectively. For the first time the structure of mature Meprin α in complex with its specific inhibitor was elucidated to a resolution of 2.42 Å using cryo-EM single particle analysis. Moreover, the structural determinants for oligomerization of Meprin α were identified. It turned out that the helical particles are stabilized by electrostatic interactions within the MAM and TRAF domains of dimeric Meprin α molecules. The impact of the oligomerization of Meprin α on its stability and activity in comparison to non-oligomerizing variants of Meprin α (C308A, R372T) was examined within the present study, as well.