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Publication
Divergent cellulosome architecture in rumen bacteria : structure and function studies in cohesin-dockerin complexes of Ruminococcus flavefaciens
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Authors
Abstract(s)
Protein-protein interactions play a vital role in many cellular processes as exemplified by the assembly of the cellulosome, a bacterial multi-enzyme complex that efficiently degrades cellulose and hemicellulose. Cellulosome assembly involves the high-affinity binding of type I enzyme-borne dockerins to repeated cohesin modules located on non-catalytic structural proteins termed scaffoldins. In addition, the complex is anchored into the bacterial surface through the binding of a scaffoldin type II dockerin to cell-bound cohesins. Initially, the architecture and organization of cellulosomes was thought to rely uniquely on type I and type II cohesin-dockerin interactions. It was recently suggested that cellulosomes from rumen bacteria are organized through different mechanisms involving a third type of cohesin-dockerin complexes. Thus, the genome of the major ruminal bacterium Ruminococcus flavefaciens FD-1 revealed a particularly elaborate cellulosome system that is assembled from a library of more than 200 different components through divergent cohesin-dockerin pairs. Providing structural insights for the specificity displayed by the increasing repertoire of cohesin-dockerin interaction is not only of fundamental importance but essential for the development of novel cellulosome based tools. The present work aimed to identify the molecular basis for the organization of R. flavefaciens cellulosome by dissecting the structural basis of cohesin-dockerin specificity in cellulosomes of rumen bacteria. The data revealed a collection of unique cohesin-dockerin interactions, supporting the functional relevance of dockerin classification in groups based on primary sequence similarity. In addition, R. flavefaciens cellulosome is assembled through a mechanism involving single but not dual-binding mode dockerins. This contrasts with the majority of the cellulosomes described to date where dockerins generally present two similar cohesin-binding interfaces, supporting a dual-binding mode. To illustrate this, the structures of two cohesin-dockerin complexes containing an Acetivibrio cellulolyticus dual-binding mode dockerin were solved. Finally, structural information was used to engineer a dockerin presenting a dual cohesin specificity, revealing the plasticity of the cohesin-dockerin platform to design novel protein-protein interactions.
RESUMO - Arquitetura celulossomal divergente em bactérias ruminais: estudos de estrutura e função em complexos coesina-doquerina do Ruminococcus flavefaciens - As interacções proteína-proteína desempenham um papel essencial em vários processos celulares, sendo exemplo disso a estruturação do celulosoma, um complexo bacteriano multienzimático altamente eficiente na degradação da celulose e hemicelulose. A montagem do celulosoma envolve interações de alta afinidade entre doquerinas do tipo I, presentes em enzimas, e os módulos coesina presentes em proteínas estruturais não catalíticas denominadas de escafoldinas. Adicionalmente, todo o complexo é ancorado à superfície bacteriana através da ligação de uma dockerina do tipo II, presente numa escafoldina, a coesinas ligadas à célula. Inicialmente, pensava-se que a arquitectura e organização dos celulosomas assentava exclusivamente em interacções coesina-doquerina do tipo I e II. Recentemente, foi sugerido que a microbiota ruminal contém bactérias produtoras de celulossoma com diferentes mecanismos de organização, envolvendo um terceiro tipo de complexos coesina-dockerina. O genoma da bactéria ruminal Ruminococcus flavefaciens FD-1, revelou um sistema celulossomal particularmente elaborado, montado a partir de uma biblioteca com mais de 200 componentes, através de complexos coesina-doquerina do tipo III. Estabelecer uma base estrutural para a especificidade exibida pelo crescente repertório de pares coesina-doquerina é não só fundamentalmente importante mas também essencial para o desenvolvimento de novas ferramentas com base no celulossoma. O presente trabalho teve como objetivo identificar a base estrutural para a especificidade coesina-doquerina do R. flavefaciens, permitindo descortinar os mecanismos por detrás da montagem dos celulosomas ruminais. Os dados obtidos revelaram uma colecção de interacções coesina-doquerina única, suportando a relevância funcional da classificação das doquerinas em grupos com base na homologia da sua estrutura primária. Mostraram ainda que o celulossoma do R. flavefaciens é montado através de um mecanismo envolvendo doquerinas com modo de ligação único mas não duplo. Isto contrasta com a maioria dos celulosomas descritos até à data, em que as doquerinas geralmente apresentam duas interfaces semelhantes de ligação à coesina, suportando um modo de ligação dupla. Tal é ilustrado pela estrutura de dois complexos coesina-doquerina do Acetivibrio cellulolyticus, envolvendo uma doquerina com modo de ligação dupla. Finalmente, esta informação estrutural foi usada para desenhar uma doquerina com dupla especificidade, mostranto a plasticidade da plataforma coesina-doquerina para o desenvolvimento de novas interações proteína:proteína.
RESUMO - Arquitetura celulossomal divergente em bactérias ruminais: estudos de estrutura e função em complexos coesina-doquerina do Ruminococcus flavefaciens - As interacções proteína-proteína desempenham um papel essencial em vários processos celulares, sendo exemplo disso a estruturação do celulosoma, um complexo bacteriano multienzimático altamente eficiente na degradação da celulose e hemicelulose. A montagem do celulosoma envolve interações de alta afinidade entre doquerinas do tipo I, presentes em enzimas, e os módulos coesina presentes em proteínas estruturais não catalíticas denominadas de escafoldinas. Adicionalmente, todo o complexo é ancorado à superfície bacteriana através da ligação de uma dockerina do tipo II, presente numa escafoldina, a coesinas ligadas à célula. Inicialmente, pensava-se que a arquitectura e organização dos celulosomas assentava exclusivamente em interacções coesina-doquerina do tipo I e II. Recentemente, foi sugerido que a microbiota ruminal contém bactérias produtoras de celulossoma com diferentes mecanismos de organização, envolvendo um terceiro tipo de complexos coesina-dockerina. O genoma da bactéria ruminal Ruminococcus flavefaciens FD-1, revelou um sistema celulossomal particularmente elaborado, montado a partir de uma biblioteca com mais de 200 componentes, através de complexos coesina-doquerina do tipo III. Estabelecer uma base estrutural para a especificidade exibida pelo crescente repertório de pares coesina-doquerina é não só fundamentalmente importante mas também essencial para o desenvolvimento de novas ferramentas com base no celulossoma. O presente trabalho teve como objetivo identificar a base estrutural para a especificidade coesina-doquerina do R. flavefaciens, permitindo descortinar os mecanismos por detrás da montagem dos celulosomas ruminais. Os dados obtidos revelaram uma colecção de interacções coesina-doquerina única, suportando a relevância funcional da classificação das doquerinas em grupos com base na homologia da sua estrutura primária. Mostraram ainda que o celulossoma do R. flavefaciens é montado através de um mecanismo envolvendo doquerinas com modo de ligação único mas não duplo. Isto contrasta com a maioria dos celulosomas descritos até à data, em que as doquerinas geralmente apresentam duas interfaces semelhantes de ligação à coesina, suportando um modo de ligação dupla. Tal é ilustrado pela estrutura de dois complexos coesina-doquerina do Acetivibrio cellulolyticus, envolvendo uma doquerina com modo de ligação dupla. Finalmente, esta informação estrutural foi usada para desenhar uma doquerina com dupla especificidade, mostranto a plasticidade da plataforma coesina-doquerina para o desenvolvimento de novas interações proteína:proteína.
Description
Tese de Doutoramento em Ciências Veterinárias, na Especialidade de Produção Animal
Keywords
celulossome cohesin dockerin protein-protein complexes Ruminococcus flavefaciens Acetivibrio cellulolyticus CAZYmes celulossoma coesina doquerina complexos proteína-proteína
Pedagogical Context
Citation
Gomes, P.M.B. (2017). Divergent cellulosome architecture in rumen bacteria : structure and function studies in cohesin-dockerin complexes of Ruminococcus flavefaciens. Tese de Doutoramento. Universidade de Lisboa, Faculdade de Medicina Veterinária, Lisboa.
Publisher
Universidade de Lisboa, Faculdade de Medicina Veterinária