Phylogenie von [FeS]-haltigen O2-Sensoren und Interaktion des O2-Sensors NreB mit dem Nitratsensor NreA aus Staphylococcus carnosus
Date issued
Authors
Editors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
License
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.