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Cluster diversity in plant and fungi metallothioneins - Properties and structures as a gate to functions

Applicant Freisinger Eva
Number 175623
Funding scheme Project funding (Div. I-III)
Research institution Institut für Chemie Universität Zürich
Institution of higher education University of Zurich - ZH
Main discipline Inorganic Chemistry
Start/End 01.10.2017 - 30.09.2021
Approved amount 700'000.00
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All Disciplines (5)

Discipline
Inorganic Chemistry
Molecular Biology
Biophysics
Physical Chemistry
Biochemistry

Keywords (12)

protein folding; fungi; metallothioneins; spectroscopy; plants; bioinorganic chemistry; structure-function relationship; zinc; copper; cadmium; thiolate ligands; histidine

Lay Summary (German)

Lead
Metallothionine (MTs) sind kleine Proteine, die von nahezu allen Lebensformen produziert werden, um einen normal funktionierenden Zink- oder Kupferhaushalt zu gewährleisten oder den jeweiligen Organismus vor den schädlichen Einflüssen bestimmter Schwermetalle wie Cadmium und Quecksilber zu schützen. Während das Wissen um die Säugetiermetallothioninstrukturen relativ umfangreich ist, wird die kleine Zahl bekannter Pflanzen- und (Schlauch-)Pilzstrukturen in keinster Weise dem aussergewöhnlichen Reichtum an unterschiedlichen Aminosäuresequenzen gerecht. Das Ziel des Projektes ist es daher, dieses Missverhältnis zu verkleinern und ferner eine Brücke zu schlagen zwischen diesen Strukturen und den Funktionen der entsprechenden MTs.
Lay summary

Dieses Projekt beleuchtet die Eigenschaften und Strukturen von Metallothioninen (MTs) aus der Sicht der Bioanorganischen Chemie und bedient sich dafür Methoden der optischen Spektroskopie, der Molekularbiologie, der thermodynamischen Stabilitätsbestimmung sowie der Strukturanalyse. MTs verfügen über einen hohen Prozentsatz an Cysteinresten und teilweise auch über Histidine, welche als Liganden für bestimmte Metallionen fungieren. Im Rahmen ihrer homöostatischen Funktion sind dies Zn(II) und Cu(I), zusätzlich können auch Schwermetallionen wie Cd(II) und Hg(II) von MTs entgiftet werden.

Wir erhoffen uns, durch eine Erweiterung des Strukturrepertoires ein tieferes Verständnis der Eigenschaften dieser Proteine zu erlangenund insbesondere zu verstehen, worin der Nutzen dieser grossen Aminosäresequenzvielfalt besteht, insbesondere in Organismen wie Pflanzen, die je nach Lokalisation (z.B. Wurzel, Blatt, Frucht) ganz unterschiedliche MTs produzieren. Um die Problematik der intrinsischen strukturellen Flexibilität von MTs zu umgehen, welche Strukturbestimmungen häufig verunmöglichen, werden wir verschiedene Ansätze zur Strukturstabilisierung anwenden und auch versuchen, weniger flexible MTs zu identifizieren. Dem Besteben folgend, die Funktionen von diversen MTs aus Pflanzen, (Schlauch-)Pilzen und auch Bakterien besser zu verstehen, sollen des Weiteren Metallbindungskonstanten und weitere thermodynamische Grössen bestimmt werden.

Die Ergebnisse dieses Projektes sollen neue Metallothioninstrukturtypen aufzeigen, die dabei helfen werden, die Funktionen dieser Proteine besser zu verstehen. Zusätzlich können die Erkenntnisse dazu verwendet werden, Pflanzen, aber auch (Schlauch-)Pilze und Bakterien, derart zu optimieren, dass sie entweder bestimmte essentielle Metallionen anreichern koennen oder durch erhöhte Schwermetallbindungseigenschaften dazu beitragen, Böden, Gewässer oder Abwasser zu entgiften.

Direct link to Lay Summary Last update: 05.10.2017

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
119106 A. Structures and properties of plant metallothioneins and related artificial proteins - B. Site specific modifications of larger nucleic acids 01.06.2008 SNSF Professorships
105269 Structure investigation of metal clusters in plant metallothioneins with X-ray crystallography and spectroscopic methods 01.11.2004 Project funding (Div. I-III)
153666 Structures, folding, and metallation pathways of metallothioneins from plants and fungi 01.06.2014 Project funding (Div. I-III)
113728 Structures and properties of plant metallothioneins 01.11.2006 Project funding (Div. I-III)
139194 A. Structures and properties of plant metallothioneins and related artificial proteins - B. Site specific modifications of larger nucleic acids 01.06.2012 SNSF Professorships

Abstract

Metallothioneins (MTs) are ubiquitous small and cysteine-rich proteins found in practically in all kingdoms of life. They occupy roles in metal ions homeostasis and detoxification, and also seem to be important of fighting oxidative stress conditions. The amino acid sequences of MTs display very few stretches (if at all) that can adopt ordered secondary structures such as alpha-helices or beta-sheets, and hence the structure and folding of MTs is tightly guided by the coordination of metal ions. While mammalian MTs were discovered around 60 years ago and their three-dimensional (3D) structures are known since many years, the study of MTs from other phylae is still less advanced. In particular, the study of MTs from plants, bacteria, and also fungi only gained momentum after the turn of the last millennium. The goal of this project is to further advance our understanding of plant and fungi MTs, combining optical spectroscopy with structural and basic functional studies. Although this project is located in the classical field of Bioinorganic Chemistry, it will also have a great impact on MT Biochemistry, Structural Biology, and Nanotechnology.
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