University of Oulu

Structure and function of the myelin enzyme 2′,3′-cyclic nucleotide 3′-phosphodiesterase

Saved in:
Author: Myllykoski, Matti
Organizations: University of Oulu Graduate School
University of Oulu, Faculty of Science, Department of Biochemistry
University of Oulu, Biocenter Oulu
Format: eBook
Online Access: PDF Full Text (PDF, 1.7 MB)
Persistent link: http://urn.fi/urn:isbn:9789526201375
Language: English
Published: Oulu : University of Oulu, 2013
Publish Date: 2013-05-27
Thesis type: Doctoral Dissertation
Defence Note: Academic dissertation to be presented with the assent of the Doctoral Training Committee of Health and Biosciences of the University of Oulu for public defence in OP-sali (Auditorium L10), Linnanmaa, on 6 June 2013, at 12 noon
Tutor: Docent Petri Kursula
Docent Inari Kursula
Reviewer: Professor George Harauz
Docent Tommi Kajander
Description:

Abstract

The myelin sheath is a crucial component of vertebrate nervous systems. Myelin is formed as the plasma membrane of a glial cell is wrapped around a neuronal axon. The presence of myelin enables the fast transmission of neuronal impulses, and degradation or dysfunction of myelin results in severe neurological symptoms. Molecular composition of myelin is unique, and many myelin proteins are not present elsewhere in the body. A myelin enzyme, 2′,3′-cyclic nucleotide 3′-phosphodiesterase (CNPase), is found in specific regions within the myelin sheath and is one of the most abundant proteins in the brain. Substrates for CNPase catalytic activity are formed during brain damage. CNPase also interacts with the cytoskeleton and cell membranes, and it is thought to play a role during myelin formation. Mice that lack CNPase suffer from axonal degeneration and die early.

The aim of this study was to characterise CNPase structure and function. To this end, a system was first developed to produce the protein for subsequent analyses. The aim was to characterise the catalytic mechanism of CNPase by determining its three-dimensional molecular structure at different stages of the catalytic reaction. The interactions between CNPase and other molecules related to its function would also be characterised. Finally, the structure of the full-length protein would be used to understand of the function of the uncharacterised N-terminal domain.

Using X-ray crystallography, the structure of the CNPase catalytic domain was determined in the presence of substrate and product molecules. These data, complemented with analyses of mutationally inactivated enzyme variants, were used to examine the catalytic reaction at the molecular level. The catalytic domain structure was compared to homologous enzymes from diverse organisms. The interaction between CNPase and the calcium-sensing protein calmodulin was characterised. The solution structure of full-length CNPase was determined using small-angle X-ray scattering, and protein sequence databases were utilised to determine CNPase conservation during animal evolution.

The results provide novel information on the catalytic activity and overall function of CNPase. Further studies will be necessary to determine its specific role, but it is increasingly clear that CNPase can perform multiple important tasks within the nervous system.


Tiivistelmä

Myeliinituppi on tärkeä osa selkärankaisten hermostoa. Myeliiniä muodostuu, kun gliasolun solukalvo kiertyy hermosolun aksonin ympärille. Myeliini mahdollistaa hermoimpulssien nopean välityksen, ja sen tuhoutuminen ja vajaatoiminta aiheuttavat vakavia neurologisia oireita. Myeliinin molekyylikoostumus on ainutlaatuinen, ja monet myeliiniproteiineista eivät esiinny muualla elimistössä. Myeliinissä esiintyvää entsyymiä, 2′,3′-syklisten nukleotidien 3′-fosfodiesteraasia (CNPaasi), esiintyy runsaasti tietyillä myeliinialueilla, ja se on yksi aivojen runsaslukuisimmista proteiineista. Substraatteja CNPaasin katalyyttiselle aktiivisuudelle muodostuu aivovaurion aikana. CNPaasi on myös vuorovaikutuksessa solun tukirangan ja solukalvon kanssa, ja sen uskotaan vaikuttavan myeliinin muodostumiseen. Hiiret, joilta puuttuu CNPaasi, kärsivät aksonien rappeumista ja kuolevat ennenaikaisesti.

Tämän tutkimuksen tavoite oli karakterisoida CNPaasin rakennetta ja toimintaa. Tätä tarkoitusta varten ensin kehitettiin menetelmä analysoitavan proteiinin tuottamiseksi. Tavoitteena oli karakterisoida CNPaasin katalyyttinen mekanismi määrittämällä sen kolmiulotteinen molekyylirakenne katalyysireaktion eri vaiheissa. Myös CNPaasin vuorovaikutuksia sen toimintaan liittyvien molekyylien kanssa tutkittiin. Lopuksi kokopitkän proteiinin rakenteen avulla selvitettiin karakterisoimattoman aminoterminaalisen alayksikön toimintaa.

CNPaasin katalyyttisen alayksikön rakenne määritettiin käyttäen röntgenkristallografiaa substraatti- ja tuotemolekyylien läsnäollessa. Rakennetta, täydennettynä mutaatioilla inaktivoitujen entsyymimuunnosten analyysillä, käytettiin katalyyttisen reaktion molekyylitason karakterisointiin. Katalyyttisen alayksikön rakennetta verrattiin eri organismeissa esiintyviin homologisiin entsyymeihin. CNPaasin ja kalsiumia sitovan kalmoduliinin vuorovaikutusta karakterisoitiin. Kokopitkän CNPaasin liuosrakenne selvitettiin pienkulmaröntgensironnan avulla, ja CNPaasin sekvenssin säilymistä eläinten evoluution aikana tarkasteltiin proteiinisekvenssitietokantoja käyttämällä.

Tulokset antavat uutta tietoa CNPaasin katalyyttisestä aktiivisuudesta ja tämän arvoituksellisen entsyymin toiminnasta. Jatkotutkimukset ovat tarpeen sen täsmällisen roolin selvittämiseksi, mutta on kasvavassa määrin selvää, että CNPaasi pystyy suorittamaan useita tärkeitä tehtäviä hermostossa.


Series: Acta Universitatis Ouluensis. A, Scientiae rerum naturalium
ISSN: 0355-3191
ISSN-E: 1796-220X
ISSN-L: 0355-3191
ISBN: 978-952-62-0137-5
ISBN Print: 978-952-62-0136-8
Issue: 609
Subjects:
Copyright information: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited.