Please use this identifier to cite or link to this item: http://doi.org/10.25358/openscience-4468
Authors: Barth, Christine
Title: Phylogenie von [FeS]-haltigen O2-Sensoren und Interaktion des O2-Sensors NreB mit dem Nitratsensor NreA aus Staphylococcus carnosus
Online publication date: 11-Jul-2018
Language: german
Abstract: Sauerstoffsensoren sind für fakultativ anaerobe Bakterien essentiell, um den Stoffwechsel an die gegebenen Bedingungen anzupassen. FNR aus E. coli und B. subtilis, NreB aus S. aureus sowie WhiB3 aus M. tuberculosis besitzen je ein [4Fe-4S]-Cluster mit dem sie O2 direkt wahrnehmen können. Die O2-Sensoren sind nicht verwandt, koordinieren ihr Cluster über unterschiedliche Cluster-Bindemotive, zeigen jedoch eine ähnliche Clusterdegradation in Anwesenheit von O2. Mit Hilfe von bioinformatischen Studien wurde die phylogenetische Verteilung der O2-Sensoren sowie die Frage, ob die Sensoren einen gemeinsamen Vorfahren besitzen, untersucht. FNR-Ec und Homologe sind dominant in den Proteobakterien, wohingegen FNR-Bs hauptsächlich innerhalb der Bacilli, spezifischer in der Gattung Bacillus, identifiziert werden konnte. NreB-Sa und homologe Proteine existieren vor allem in den Bacilli innerhalb der Gattung Staphylococcus. Die Existenz von WhiB3-Mt und Homologen ist ausschließlich auf die Actinobakterien begrenzt. Zusätzlich wurden vor allem für FNR-Ec und NreB-Sa Varianten mit reduzierter Anzahl an Cluster-koordinierenden Cysteinresten außerhalb ihrer dominanten Bakterienklassen identifiziert, was auf lateralen Gentransfer mit anschließendem Cysteinverlust hindeuten kann. Diese Varianten verwenden im Vergleich zu den Referenzsensoren möglicherweise andere Regulationsmechanismen. Während 3Cys-Varianten einen alternativen Liganden zur Cluster-Koordination verwenden könnten, ist für 2Cys-Varianten ein Disulfid-Switch und für 1Cys-Varianten ein thiolbasierter Redox-Switch vorstellbar. CRP aus E. coli, ein globaler cAMP-abhängiger Transkriptionsfaktor, weist große Ähnlichkeiten mit FNR auf, weshalb CRP als Vorfahre von FNR postuliert wird. CRP-Ec ist weit verbreitet in vielen verschiedenen Bakterienphyla. Eine direkte Korrelation in der Verbreitung von CRP und FNR konnte mit den Studien nicht bestätigt werden. Studien mit Custeranalogen sowie die durchgeführten Analysen deuten auf eine unabhängige Entwicklung der [4Fe-4S]-haltigen O2-Sensoren hin, die durch die chemischen Eigenschaften sowie die Reaktivität der [Fe-S]-Cluster getrieben wurde. Die Proteinstruktur bestimmt dabei allerdings die Sensitivität der O2-Sensoren sowie die Art der Reizweiterleitung. Zusätzlich wurden die funktionell wichtigen Interaktionsstellen des Nitratsensors NreA mit dem O2-Sensor NreB aus S. carnosus untersucht. Dazu wurde NreA gerichtet mutiert und verschiedene in vivo und in vitro Interaktionsstudien durchgeführt. Basierend auf in vivo BACTH-Studien wurde ein Interaktionsmodell erstellt, welches Cluster I („Nitratbindetasche“) als NreA-Dimerisierungsstelle und Cluster II auf der gegenüberliegenden Proteinoberfläche („N-Terminus“) als Interaktionsstelle zwischen NreA und NreB postuliert. Mit weiteren, unabhängigen Methoden konnte das Modell allerdings nicht bestätigt werden. Ein Hauptproblem ist dabei das Fehlen von geeigneten in vivo Testsystemen für S. carnosus.
Oxygen sensors are essential for facultative anaerobic bacteria to adapt their metabolism to the present conditions. FNR from E. coli and B. subtilis, NreB from S. aureus as well as WhiB3 from M. tuberculosis use a O2-sensitive [4Fe-4S]-Cluster for direct O2-sensing. These sensors are not related, use different cluster-binding motifs but show a similar reaction of the clusters in response to O2. For investigation of the phylogenetic distribution as well as the origin of the sensors, bioinformatic studies containing for e.g. the identification of homologous proteins, were used. FNR-Ec and homologs are predominant in Proteobacteria whereas FNR-Bs is mostly identified in the Bacilli in the genus Bacillus. NreB-Sa and homologous proteins are also distributed in the Bacilli, but mainly in the Staphylococcus group. The occurrence of WhiB3-Mt and homologs is restricted to the Actinobacteria. Especially for FNR-Ec and NreB-Sa variants with less than four conserved Cys residues were identified outside their dominant classes suggesting lateral gene transfer with subsequent cysteine loss. Those variants use probably different regulation mechanisms. 3Cys-variants could use an alternative ligand for cluster coordination whereas 2Cys-variants and 1Cys-variants could regulate their activity by using a disulfide or thiol-based redox switch, respectively. CRP from E. coli is a global cAMP-dependent transcriptional activator which is very similar to FNR. Therefore it was postulated that FNR derived from CRP. CRP-Ec is widely distributed in many bacterial phyla. In the present study no evidence for CRP being the ancestor of FNR could be found. Studies with cluster analogs as well as the present study suggest an independent development of the [4Fe-4S]-containing direct O2-sensors which was driven by the chemical properties as well as the reactivity of the [Fe-S]-clusters. The protein structure of the O2-sensors determines the sensitivity of the sensors and the way the stimulus is transferred. Additionally, the functional important interaction sites of the nitrate sensor NreA with the O2-sensor NreB from S. carnosus were studied. NreA was mutated site directed in the potential interaction sites and several in vivo as well as in vitro interaction studies were performed. Based on in vivo BACTH measurements a potential interaction model was created. According to this, Cluster I (“nitrate binding pocket”) is responsible for the NreA dimerization whereas Cluster II (“N-Terminus”) on the opposite NreA surface is necessary for the interaction between NreA and NreB. The model was not confirmed with other independent methods due to the problem of missing suitable in vivo test systems for S. carnosus.
DDC: 570 Biowissenschaften
570 Life sciences
Institution: Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department: FB 10 Biologie
Place: Mainz
ROR: https://ror.org/023b0x485
DOI: http://doi.org/10.25358/openscience-4468
URN: urn:nbn:de:hebis:77-diss-1000020836
Version: Original work
Publication type: Dissertation
License: In Copyright
Information on rights of use: https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent: 118, XIII Blätter
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