Structural and functional characterization of profilin from Schistosoma japonicum

Abstract

Schistosomiasis, also known as bilharzia, is considered the second most socio-­economically devastating disease after malaria in the (sub)tropical areas. Schistosomiasis is rather effectively treated by praziquantel. However, drug and repeated infections urge the scientific community to search for potent vaccine targets from the Schistosoma proteome. A key to drug and vaccine development is understanding how parasite-­‐host recognition works at the molecular level. Neodermatan flatworms contain a unique cellular organ, the syncytial tegument, which plays an important role in host infection. Cytoskeletal proteins form a major fraction of Schistosoma tegumental proteins and are, thus, attractive drug targets. An important cytosolic regulator of actin dynamics in eukaryotes is profilin. In addition to actin, profilins bind to polyproline stretches and acidic phospholipids, which makes them important keys in linking signal transduction to the actin cytoskeleton. This work focused on the biochemical and structural characterization of profilin of Schistosoma japonicum (SjPfn). Profilins control a complex network of molecular interactions and bind different ligands through poly-­‐L-­‐proline repeats. Here, the ability of SjPfn to bind octaproline repeats was shown by fluorescence spectroscopy. On the contrary, no binding could be observed for proline-­‐rich peptides derived from S. japonicum formin. The crystal structure of SjPfn shows a highly conserved overall fold but also several crucial differences in the peptide binding site compared to canonical profilins. Profilins sequester monomeric actin. This main characteristic of the profilin family was confirmed for SjPfn using polymerization kinetics and cosedimentation assays. Increasing concentrations of SjPfn decrease the rate of actin polymerization by keeping actin in its monomeric, soluble form. The crystal structure of the SjPfn-­‐actin complex showed that SjPfn binds actin to the canonical actin-­‐binding face, but the binding site itself is remarkably unconserved. The structural and functional information obtained here, provide insight into the profilin-­‐ ediated actin dynamics in S. japonicum and clues on the immunogenicity of SjPfn.

Schistosomiasis, auch als Billharziose bekannt, ist nach Malaria die sozioökonomisch verheerendste Infektionskrankheit in den (sub)tropischen Regionen. Schistosomiasis kann mit Praziquantel behandelt werden, aber Medikamentenresistenz und wiederkehrende Infektionen erfordern Entwicklung von wirksamen Impfungen gegen die Krankheit. Ein Schlüssel zur Medikamenten-­‐ und Impfstoffentwicklung ist das Verständnis, wie die Parasit-­‐Wirterkennung auf molekularer Ebene funktioniert. Neodermatan Plattwürmer besitzen ein einzigartiges Zellorgan, das syncytial Tegument, das eine wichtige Rolle bei der Infektion spielt. Zytoskelettproteine formen eine große Fraktion von Schistosoma tegument und sind somit interessante Ziele für Medikamentenentwicklung. Ein wichtiger zytosolischer Regulator der Aktindynamik in Eukaryoten ist Profilin. Außer an Aktin, binden Profiline auch an Polyprolinketten und sauren Phospholipiden, was sie zu wichtigen Schlüsseln zwischen Signaltransduktion und dem Aktinzytoskelett macht. Diese Dissertation befasst sich mit der biochemischen und strukturellen Charakterisierung von Profilin des Schistosoma japonicum (SjPfn). Profiline kontrollieren ein komplexes Netzwerk von molekularen Interaktionen durch Bindung an Liganden mit Poly-­‐L-­‐Prolinketten. Hier wurde die Fähigkeit zu binden von SjPfn Octaprolinketten gezeigt. Im Gegensatz dazu, konnte keine Bindung von Peptiden von S. japonicum Formin nachgewiesen werden. Die Kristallstruktur von SjPfn zeigt eine hohe Konservierung von der Gesamtstruktur, aber auch wesentliche Unterschiede in der Peptidbindungsstelle im Vergleich zu kanonischen Profilinen. Profilin sequestriert monomeres Aktin. Diese Hauptcharakteristik der Profilinfamilie wurde für SjPfn bestätigt. SjPfn reduziert die Geschwindigkeit der Aktinpolymerisation dadurch, dass es Aktin in seiner monomeren, löslichen Form hält. Die Kristallstruktur des Actin-­‐ jPfn-­‐Komplex zeigt, dass das SjPfn-­‐Aktin an die bekannte Bindungsstelle bindet, aber die Interaktionen bemerkenswert unkonserviert sind. Die strukturellen und funktionellen Informationen geben Einblick in die Profilinvermittelte Aktindynamik in S. japonicum und in Hinweisen auf die Immunogenität von SjPfn.