Structural basis for substrate specificity of human SENP5 and DNA binding by bacterial MraZ

Abstract

Aquesta tesi explora la base estructural de la regulació cel·lular examinant dos processos cel·lulars distints. Per una banda, investiga la SUMOilació post-traduccional en cèl·lules humanes, un procés crític per modular la funció de les proteïnes, centrant-se en l'activitat desconjugadora de la família SENP de cisteïn-proteases del CE-clan. Aquest treball elucida l'estructura de la SENP5 humana en complex tant amb les isoformes SUMO1 com SUMO2, revelant una interfície mínima que governa la seva interacció preferencial amb SUMO2. Anàlisis estructurals i de mutagènesi detallades identifiquen una regió bàsica centrada en Arg624 com a essencial per facilitar una interacció favorable amb Asp63 a SUMO2/3, destacant així com fins i tot diferències subtils entre les isoformes de SUMO poden impactar la dinàmica de desconjugació i influir en processos cel·lulars més amplis. Per altra banda, la tesi aprofundeix en la regulació de la divisió cel·lular bacteriana desxifrant el mecanisme molecular d'unió a l'ADN per part del regulador transcripcional MraZ. Utilitzant crio-microscòpia electrònica, vam resoldre l'estructura de MraZ en complex amb la regió promotora del clúster de gens de divisió i paret cel·lular (dcw) de Mycoplasma genitalium. Aquesta estructura esclareix les interaccions específiques entre el motiu d'unió a l'ADN “craddle-like” de MraZ i l'ADN promotor, revelant com un complex de MraZ octamèric es distorsiona per interactuar amb quatre caixes d'unió. Vam identificar tres residus bàsics clau (Lys13, Arg15 i Arg86) crucials per a la unió de MraZ a l'ADN. Aquestes percepcions sobre el mecanisme regulador de MraZ ofereixen un possible model general per a la regulació del clúster de gens dcw en diverses espècies bacterianes. En conjunt, aquests estudis contribueixen a una comprensió més àmplia de com les interaccions moleculars precises governen esdeveniments cel·lulars fonamentals tant en sistemes eucariotes com en bacteris.

Esta tesis explora la base estructural de la regulación celular examinando dos procesos celulares distintos. Por un lado, investiga la SUMOilación post-traduccional en células humanas, un proceso crítico para modular la función de las proteínas, centrándose en la actividad desconjugadora de la familia SENP de cisteín-proteasas del CE-clan. Este trabajo esclarece la estructura de la SENP5 humana en complejo tanto con la isoforma SUMO1 como SUMO2, revelando una interfaz mínima que gobierna su interacción preferencial con SUMO2. Análisis estructurales y de mutagénesis detallados identifican un parche básico centrado en Arg624 como esencial para facilitar una interacción favorable con Asp63 en SUMO2/3, destacando así cómo diferencias sutiles entre las isoformas de SUMO pueden impactar la dinámica de desconjugación e influir en procesos celulares más amplios. Por otro lado, la tesis profundiza en la regulación de la división celular bacteriana descifrando el mecanismo molecular de unión al ADN por parte del regulador transcripcional MraZ. Utilizando crio-microscopía electrónica, resolvimos la estructura de MraZ en complejo con la región promotora del clúster de genes de división y pared celular (dcw) de Mycoplasma genitalium. Esta estructura explica las interacciones específicas entre el motivo de unión al ADN “en cradle like” de MraZ y el ADN promotor, revelando cómo el octámero de MraZ se distorsiona para interactuar con las cuatro cajas de unión. Identificamos tres residuos básicos clave (Lys13, Arg15 y Arg86) cruciales para la unión de MraZ al ADN. Estos resultados sobre el mecanismo regulador de MraZ ofrecen un posible modelo general para la regulación del clúster dcw en diversas especies bacterianas. En conjunto, estos estudios contribuyen a una comprensión más amplia de cómo las interacciones moleculares precisas rigen eventos celulares fundamentales tanto en sistemas eucariotas como en bacterias.

This thesis explores the structural basis of cellular regulation by examining two distinct cellular processes. On one hand, it investigates post-translational SUMOylation in human cells, a critical process for modulating protein function, by focusing on the deconjugating activity of the SENP family of CE-clan cysteine proteases. This work elucidates the structure of human SENP5 in complex with both SUMO1 and SUMO2 isoforms, revealing a minimal interface that governs its preferential interaction with SUMO2. Detailed structural and mutagenesis analyses identify a basic patch centered on Arg624 as essential for facilitating a favorable interaction with Asp63 in SUMO2/3, thereby highlighting how even subtle differences between SUMO isoforms can impact deconjugation dynamics and influence broader cellular processes. On the other hand, the thesis delves into the regulation of bacterial cell division by deciphering the molecular mechanism of DNA-binding by the transcriptional regulator MraZ. Using cryo-Electron Microscopy, we solved the structure of MraZ in complex with the promoter region of the division and cell wall (dcw) gene cluster from Mycoplasma genitalium. This structure elucidates the specific interactions between MraZ's "cradle-like" DNA-binding motif and the promoter DNA, revealing how an octameric MraZ complex distorts to engage with four repetitive binding boxes. We identified three basic residues (Lys13, Arg15, and Arg86) crucial for MraZ's DNA binding. These insights into MraZ's regulatory mechanism offer a potential general model for dcw gene cluster regulation across diverse bacterial species. Together, these studies contribute to a broader understanding of how precise molecular interactions govern fundamental cellular events both in eukaryotic systems and bacteria.