TonB-dependent transporters in Anabaena sp. PCC 7120

Iron uptake is an essential process in all Gram-negative bacteria including cyanobacteria and therefore different transport systems evolved during evolution. In cyanobacteria, however, the iron demand is higher than in p
Iron uptake is an essential process in all Gram-negative bacteria including cyanobacteria and therefore different transport systems evolved during evolution. In cyanobacteria, however, the iron demand is higher than in proteobacteria due to the function of iron as cofactor in e.g. photosynthesis and nitrogen fixation. Most of the transport systems depend on outer membrane localized TonB-dependent transporters (TBDTs), a periplasma-facing TonB protein and a plasma membrane localized machinery (ExbBD). So far, iron chelators (siderophores), oligosaccharides and polypeptides have been identified as substrates of TBDTs. However, in proteobacteria TonB-dependent outer membrane transporter represent a well-explored subject whereas for cyanobacteria almost nothing is known about possible TonB-dependent uptake systems for iron or other substrates. The heterocyst-forming filamentous cyanobacterium Anabaena sp. PCC 7120 is known to secrete the siderophore schizokinen, but its transport system has remained unidentified. For Anabaena sp. PCC 7120 22 genes were identified as putative TBDTs covering almost all known TBDT subclasses. This is a high number of TBDTs compared to other cyanobacteria. The expression of the 22 putative TBDTs individually depends on the presence of iron, copper or nitrogen. The atypical dependence of TBDT gene expression on different nutrition points to a yet unknown regulatory mechanism. In addition, the hypothesis of the absence of TonB in Anabaena sp. PCC 7120 was clarified by the identification of an according sequence, all5036. Inspection of the genome of Anabaena sp. PCC 7120 shows that only one gene encoding a putative TonB-dependent iron transporter, namely alr0397, is positioned close to genes encoding enzymes involved in the biosynthesis of a hydroxamate siderophore. The expression of alr0397 was elevated under iron-limited conditions. Inactivation of this gene caused a moderate phenotype of iron starvation in the mutant cells. The characterization of the mutant strain showed that Alr0397 is a TonB-dependent schizokinen transporter (SchT) of the outer membrane and that alr0397 expression and schizokinen production are regulated by the iron homeostasis of the cell. Additional two genes of Anabaena sp. PCC 7120 involved in this process were identified. SchE encoded by all4025 is a putative cytoplasmic membrane-localized transporter involved in TolC-dependent siderophore secretion. The mutation of schE resulted in an enhanced sensitivity to high metal concentrations and in drastically reduction of secretion of hydroxamate-type siderophores. IacT coded by all4026 is a predicted outer membrane-localized TonB-dependent iron transporter. Inactivation of iacT resulted in reduced sensitivity to elevated iron and copper levels, whereas decoupling the expression from putative regulation by exchange of the promoter resulted in sensitization against tested metals. Further analysis showed that iron and copper effects are synergistic because decrease of iron induced a significant decrease of copper levels in the iacT insertion mutant but an increase of those levels in Anabaena sp. PCC 7120 where expression of all4026 is under the trc-promoter. In consequence, the results unravel a link between iron and copper homeostasis.
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Eisen ist ein Schlüsselelement für die Synthese vieler Komponenten wie Ribonukleinsäuren und Chromophoren und spielt auch für die oxygene Photosynthese, wo es im Photosystem I und den Ferredoxinen gebraucht wird, eine gr
Eisen ist ein Schlüsselelement für die Synthese vieler Komponenten wie Ribonukleinsäuren und Chromophoren und spielt auch für die oxygene Photosynthese, wo es im Photosystem I und den Ferredoxinen gebraucht wird, eine große Rolle. Und obwohl der generelle Eisengehalt in der Umwelt sehr hoch sein kann, liegt unter oxygenen Bedingungen kaum freies Eisen (Fe3+) vor. Photosynthetisch aktive Organismen wie Cyanobakterien benötigen Eisen nicht nur für die Photosynthese, sondern auch für die Fixierung von Stickstoff in Form von NO3+ und NH4+. Des Weiteren sind zahlreiche Gene in Cyanobakterien durch Eisen reguliert. Diese besitzen eine sogenannte Fur-Box, ist Eisen an diese gebunden, wird die Transkription der Gene inhibiert. Fur und Fur-ähnliche Proteine sind die Hauptregulatoren eisenabhängiger Genexpression. In den meisten Cyanobakterien sind drei Fur-Homologe kodiert, FurA, FurB und FurC. Wobei FurA die größte Ähnlichkeit zu Fur von heterotrophen Bakterien besitzt und essentiell ist für die Lebensfähigkeit von Cyanobakterien. Zusammen mit NtcA, einem Haupttranskriptionsfaktor des regulatorischen Netzwerkes der Stickstofffixierung, bildet FurA ein Regulationssystem, welches auf zahlreiche Umweltbedingungen reagieren kann. Generell gibt es drei Hauptsysteme für die Aufnahme von Eisen: i) die Komplexierung mit Siderophoren und der TonB-abhängige Transport, ii) die Aufnahme über G-Protein ähnliche Transporter oder iii) die Aufnahme über ABC-Transporter, die nicht notwendigerweise mit äußeren Membranproteinen oder Siderophoren interagieren. Bisher gibt es jedoch nur wenige Studien über die TonB-abhängige Eisenaufnahme in dem unizellulären Cyanobakterium Synechocystis sp. PCC 6803 und über periplasmatische oder Plasmamembran lokalisierte Proteine, die daran beteiligt sind. Über die Eisenaufnahme in filamentöse Cyanobakterien wie Anabaena sp. PCC 7120 ist dagegen kaum etwas bekannt. Cyanobakterien nutzen für die Eisenaufnahme in der Regel Siderophore, kleine Moleküle mit niedrigem Molekulargewicht, die Eisen spezifisch binden. Heutzutage sind mehr als 500 dieser Moleküle bekannt. Sie lassen sich an Hand ihrer chemischen Zusammensetzung in drei große Gruppen einteilen: i) Katecholate, ii) Hydroxycarboxylate und iii) Hydroxamate. Schizokinen ist das erste strukturell beschriebene Siderophor. Es ist ein Dihydroxamat- erivat der Zitronensäure und bindet Eisen über zwei α-Hydroxamatgruppen und eine Alpha-Hydroxycarboxylatgruppe des Citratrestes. Es ist bisher das einzige Siderophor, welches bekanntlich von Anabaena sp. PCC 7120 (nachfolgend Anabaena genannt) aufgenommen wird. Neben seiner Funktion als Siderophor, kann Schizokinen auch Kupfer binden und weshalb eine zweite Funktion in der Detoxifizierung von Kupfer angenommen wird. Kürzlich wurde in Anabaena ein Gencluster beschrieben, welches für die Biosynthese eines Siderophors verantwortlich ist, jedoch nicht der von Schizokinen. Deshalb ist davon auszugehen, dass Anabaena noch ein weiteres Siderophor produziert und nutzen kann. Bisher konnte dieses jedoch noch nicht beschrieben werden. Siderophore komplexieren Eisen in der Umgebung, wenn sie an Rezeptoren in der äußeren Membran von Bakterien binden, werden sie gegen einen Konzentrationsgradienten in einem Energie-abhängigen Prozess in das Periplasma gepumpt. Die Energie stammt von einem cytoplasmatischen Proteinkomplex, dem sogenannten Ton-System, bestehend aus ExbB, ExbD und TonB. TonB-abhängige Transporter in der äußeren Membran haben eine fassartig geformte, membranintegrierte Domäne und eine sogenannte Korken-Domäne, die diese verschließt und somit den direkten Durchtritt von Siderophoren blockiert. Erst die Interaktion mit TonB und eine damit einhergehende Konformationsänderung ermöglicht die Siderophoraufnahme. Aus dem Periplasma werden die Siderophore über einen ABC-Transporter, FhuBCD, in der Cytoplasmamembran weitergeleitet. In der Zelle kann überschüssiges Eisen mit Hilfe von Bakterioferritinen und Proteinen der Dps-Familie gespeichert werden. Ziel dieser Arbeit war es die Expression TonB-abhängiger Transporter (TBDTs) in Anabaena sp. PCC 7120 zu untersuchen. Des Weiteren sollten die beiden TonB-abhängigen Transporter, Alr0397 und All4026, funktionell beschrieben und erste Einblicke in die Funktion von TonB und seine Bedeutung für Anabaena sp. PCC 7120 gewonnen werden. In der Proteomanalyse der äußeren Membran von Anabaena konnten fünf TBDTs identifiziert werden, die von alr0397, all4026, all3310, alr2588 und all1101 kodiert sind. Eine weitere Analyse des Genoms brachte 16 zusätzliche Gene zum Vorschein, die für TBDTs kodieren: alr2153, alr3242, all2148, alr2596, alr2211, all2236, alr2175, all2158, all4924, all2674, alr2592, alr2626, all2610, alr2185, alr2581 und alr2209. Dabei wurden auch zwei ungewöhnliche Gene entdeckt, die zwar für die Korkenregion kodieren, aber nicht für ein vollständiges Fass. Das jeweils nachfolgende Gen könnte jedoch für die Fassregion kodieren. Eine Analyse der Gengrenzen zeigt, dass das Stoppcodon zwischen all4028 und all4029 in der Datenbank Cyanobase offensichtlich falsch annotiert ist und beide Gene in Realität eines sind. Für all2619 und all2620 wurde das Stoppcodon dagegen bestätigt. Es könnte sich hierbei jedoch um eine Vorläuferform handeln, bei der Fass und Korken noch getrennt waren. Insgesamt sind im Genom von Anabaena also 22 TBDTs kodiert, wobei sich die Frage stellt, wofür diese Anzahl erforderlich ist, nachdem bisher z.B. nur ein Siderophor bekannt ist, das aufgenommen wird. Es wurde die Expression der 22 TBDTs unter verschiedenen Wachstumsbedingungen, wie die An- bzw. Abwesenheit einer Stickstoffquelle und das Vorhandensein von Eisen und / oder Kupfer bzw. das Fehlen von beidem, untersucht. Einige TBDTs sind konstitutiv exprimiert, andere hingegen nur unter bestimmten Bedingungen. Somit hat Anabaena immer mehrere TBDTs zur Verfügung. Auch all2620 ist unter allen Bedingungen mit Stickstoffmangel exprimiert, was darauf schließen lässt, dass es sich um kein Pseudogen handelt. all5036 ist das einzige Gen, welches im Genom von Anabaena gefunden wurde, dass für ein TonB-ähnliches Protein kodiert. Es ist unter jeder getesteten Wachstumsbedingung exprimiert. Um erste Einblicke in die Funktion von TonB zu erhalten, wurde eine Insertionsmutante, AFS-I-all5036, hergestellt, bei der das Gen durch Insertion eines Vektors unterbrochen ist. Da sich die Mutante bisher nicht vollständig segregieren ließ, ist davon auszugehen, dass das Gen essentiell ist. Auf Agarplatten, auf denen mit Hilfe des Farbstoffes Chromazurol S (CAS) Siderophore des Hydroxamattyps nachgewiesen werden können, zeigt die Mutante auch in Normalmedium eine deutlich stärkere Siderophorsekretion, was auf einen deutlichen Eisenmangel hindeutet. Die Wachstumsraten sind im Vergleich zum Wildtyp jedoch normal. Alr0397 ist phylogenetisch ähnlich zu Transportern für Hydroxamat-ähnliche Citrat- asierte Siderophore. Schizokinen, das einzige bisher bekannte Siderophor, welches von Anabaena sekretiert wird, ist ein Citrat-basiertes Hydroxamat. Die Sequenz von alr0397 zeigt auch Ähnlichkeit mit dem Transporter von E. coli (IutA) für Aerobaktin und dem von S. meliloti (RhtA) für Rhizobaktin. Aerobaktin und Rhizobaktin sind beide strukturell ähnlich zu Schizokinen. Die nachfolgenden Gene zu alr0397 zeigen ebenfalls Ähnlichkeit mit den Siderophor-Biosyntheseclustern von E. coli und S. meliloti. Aus diesem Grund wurde untersucht, ob Alr0397 für die Aufnahme von Schizokinen verantwortlich ist. Eine Insertionsmutante von alr0397, AFS-I-alr0397, ist nicht mehr in der Lage FeCl3 als Eisenquelle zu nutzen, kann jedoch auf Eisenammoniumcitrat wachsen. Weiterhin ist der Eisengehalt der Mutante im Vergleich zum Wildtyp vermindert, wie die Analyse durch Atomabsorptionsspektroskopie zeigt. Durch Analyse des Wachstums auf CAS-Platten und Untersuchung des Mediums mit HPLC (high pressure liquid chromatography) wurde eine stark erhöhte Schizokinensekretion nachgewiesen. Die Mutante ist jedoch im Gegensatz zum Wildtyp nicht mehr in der Lage, Schizokinen gebundenes Eisen aufzunehmen wie durch Transportanalysen mit radioaktiven Eisen gezeigt werden konnte. all4025 kodiert für ein Cytoplasma-Membranprotein mit Homologie zu der major facilitator superfamily und dem RhtX/FptX Siderophor-Exporter. Es liegt in einem Operon mit all4026, welches für einen TBDT kodiert. Es ist konstitutiv exprimiert und eine Insertionsmutante des Gens, CSCW2, zeigt auf CAS-Platten keine Siderophorsekretion mehr. Eine Mutante in alr2887, welches für ein Protein ähnlich zu TolC, einem Multidrug- fflux-Protein aus E. coli, kodiert, zeigt ebenfalls keine Siderophorsekretion mehr. Um die Funktion eines weiteren TBDTs, All4026, zu untersuchen, wurde zu einem eine Insertionsmutante hergestellt, AFS-I-all4026, zum anderen wurde das Gen von seinem endogenen Promoter entkoppelt und befindet sich nun unter der Kontrolle des artifiziellen trc-Promoters, AFS-trc-all4026. Von beiden Mutanten wurde der Metallgehalt durch Atom-absorptionsspektroskopie bestimmt. AFS-I-all4026 zeigt im Vergleich zum Wildtyp eine reduzierte Kupferkonzentration in Medium ohne Eisen, die Eisenkonzentration hingegen ist normal. AFS-trc-all4026 zeigt eine erhöhte Eisen- und Kupfermenge in Medium ohne Eisen. Dies ist ein Hinweis darauf, dass All4026 Teil eines Eisen- und Kupferaufnahmesystems ist, das in Erscheinung tritt, wenn die Kupfer- die Eisenkonzentration übersteigt. Weiterhin wurde das Wachstum der Mutanten im Vergleich zum Wildtyp auf Agarplatten mit verschiedenen Eisenquellen sowie Eisen- und Kupferkonzentrationen untersucht. Bei dem Wachstum mit FeCl3 als Eisenquelle zeigt sich kein Unterschied. Auf Eisenammoniumcitrat ist das Wachstum von AFS-trc- ll4026 bei hohen Eisen- und Kupferkonzentrationen reduziert. AFS-I-all4026 ist genauso sensitiv gegenüber hohen Kupferkonzentrationen, wächst aber besser auf hohen Eisenkonzentrationen. Dies lässt darauf schließen, dass All4026 an der Aufnahme von Eisen komplexiert mit Citrat beteiligt ist. Eine Analyse der Siderophorsekretion durch CAS-Platten und mittels HPLC zeigt, dass diese bei beiden Mutanten bereits in Normalmedium erhöht ist. Interessanterweise zeigt das Diagramm der HPLC außer einem Signal bei der Laufzeit von Schizokinen weitere Signale, deren Laufzeiten unter anderem mit der von Yersiniabactin und Schizokinen A übereinstimmen. Untersuchungen zur Eisenaufnahme konnten jedoch keines der Siderophore, Schizokinen, Schizokinen A und Yersiniabactin als das identifizieren, welches von All4026 transportiert wird. Generell zeigt die Mutante jedoch eine erhöhte Eisenaufnahme, was auf ein hohes Bedürfnis für Eisen hindeutet. Um eine mögliche Beteiligung von All4026 an der Aufnahme von Kupfer zu untersuchen, wurde der Transport von Kupfer analysiert. In AFS-I-all4026 ist dieser gegenüber dem Wildtyp verringert, gibt man Eisen und Kupfer zu einer zuvor in Eisen- und Kupfermangelmedium gewachsenen Kultur, ist die Eisenaufnahme sehr schnell und scheint auch durch andere Transporter zu erfolgen. Die Kupferaufnahme hingegen ist reduziert und der Unterschied zum Wildtyp weniger deutlich als bei der alleinigen Zugabe von Kupfer. Ein weiterer Hinweis auf eine Beteiligung von All4026 an der Aufnahme von Kupfer könnte sein, dass zwar zwei Homologe zu den CusAB Proteinen des Kupfertransporters von E. coli gefunden wurden, all7619 / all7618 und all7632 / all7631, jedoch nicht zu CusC. Interessanterweise brachte jedoch die BLAST Suche All4026 für CusC als Ergebnis hervor. Untersucht man die Expression von all7619 und all7632 unter den verschiedenen Wachstumsbedingungen, so ist die Expression von all7619 in Medium ohne Eisen aber mit Kupfer erhöht und die Expression von all7632 ist in Medium mit Eisen und ohne Kupfer erniedrigt. Untersucht man die Expression von all7619 und all7632 in den Mutanten, AFS-I-all4026 und AFS-trc-all4026, welche in Normalmedium und Medium ohne Eisen angezogen wurden, so ist diese von beiden Genen in AFS-trc-all4026, gewachsen in Normalmedium, reduziert, in AFS-I-all4026 bleibt sie konstant. In Anabaena wurden 22 TBDTs gefunden, die fünf verschiedenen Klassen an Transportern zu zuordnen sind, den FhuA-, ViuA-, IutA-, BtuB- und HutA-ähnlichen. Lediglich Vertreter des FecA-Typs konnten weder in Anabaena noch in anderen Cyanobakterien identifiziert werden. Transporter des FhuA-Typs und des BtuB-Typs sind unter allen getesteten Bedingungen vorhanden, FhuA-ähnliche besonders bei Kupfermangel. IutA-ähnliche Transporter hingegen findet man nur unter Stickstoffmangel sowie HutA-ähnliche bei Mangel von Eisen und Kupfer. All5036 zeigt eine deutliche Homologie mit dem Signalüberträger TonB. Dass nur ein TonB identifiziert wurde, ist nicht ungewöhnlich und bekannt von zahlreichen Gram-negativen Bakterien. all5036 ist konstitutiv exprimiert und scheint essentiell zu sein, dies passt zu seiner Funktion als genereller Aktivator aller TBDTs. In Synechocystis sp. PCC 6803 konnten alle vier gefundenen TBDTs ausgeschaltet werden und die Mutanten waren lebensfähig. Aus diesem Grund könnte es sein, dass TonB auch an dem Transport anderer Ionen als Eisen beteiligt ist, welche essentiell sind. alr0397 kodiert für einen TBDT und liegt in umittelbarer Nachbarschaft zu Genen mit Ähnlichkeit zu einem Gencluster in E. coli und S. meliloti, das für ein Siderophor, strukturell ähnlich zu Schizokinen, kodiert. AFS-I-alr0397 zeigt einen milden Phänotyp hervorgerufen durch Eisenmangel. In der Mutante ist der Transport von Eisen komplexiert mit Schizokinen deutlich verringert. Aus diesem Grund kann man davon ausgehen, dass es sich bei Alr0397 um den Schizokinen-Transporter handelt, weshalb der Name SchT vorgeschlagen wird. all4026 kodiert ebenfalls für einen TBDT und ist exprimiert unter Kupfermangel in Normalmedium und unter Eisen- und Kupfermangel in Normal- und Stickstoff-mangelmedium. Die Aufnahme von Eisen komplexiert mit Schizokinen oder Yersiniabactin ist in der Mutante AFS-I-all4026 normal, hingegen ist die Aufnahme von Kupfer oder zeitgleich Kupfer und Eisen verringert gegenüber dem Wildtyp. Die vorhandenen Daten deuten daraufhin, dass es sich hierbei um einen Eisen- und Kupfertransporter handelt. Aus diesem Grund wird der Name IacT vorgeschlagen (iron and cupper transporter). Generell scheint die Eisen- und Kupferaufnahme in Anabaena stark verbunden zu sein. Es wurde folgendes Model entwickelt: Siderophore werden mit Hilfe von All4025, für das der Name SchE, Schizokinen-Exporter, vorgeschlagen wird, und Alr2887, beschrieben unter den Namen HgdD, exportiert. Bei niedrigem Eisen- und Kupfergehalt würden sie Eisen komplexieren, welches u.a. über Alr0397, SchT, aufgenommen wird, wobei die beteiligten Proteine in der Plasmamembran noch nicht näher untersucht wurden. Ist die Kupferkonzentration hoch wird ebenfalls Schizokinen sekretiert um einer Vergiftung vorzubeugen. Ist dagegen die Eisenkonzentration niedrig und die Kupferkonzentration normal bzw. erhöht kann Eisen in Abhängigkeit von Kupfer durch All4026, IacT, aufgenommen werden. Hierbei ist die Rolle der CusAB Homologen, All7619 und All7631, noch nicht geklärt. Obwohl mit der Identifizierung von Alr0397 als Schizokinen-Transporter eine lange ausstehende Frage geklärt werden konnte, ist das Verständnis des Eisen- und Kupfer-metabolismus in Anabaena noch sehr oberflächlich. So bleiben noch viele Fragen zur Kupferaufnahme, der Funktion der übrigen 20 TBDTs und ihrer Regulation, dem Weitertransport von Eisen in der Zelle und einer eventuellen Speicherung. Des Weiteren deutet die Identifizierung eines Siderophorsyntheseclusters, welches nicht für Schizokinen zuständig ist, auf weitere Siderophore hin, die von Anabaena sekretiert werden. Auch die Siderophorsynthese selbst ist noch eine offene Frage.
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Metadaten
Author:Kerstin Nicolaisen
URN:urn:nbn:de:hebis:30-86930
Referee:Enrico Schleiff
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2010/12/13
Year of first Publication:2010
Publishing Institution:Univ.-Bibliothek Frankfurt am Main
Granting Institution:Johann Wolfgang Goethe-Univ.
Date of final exam:2010/06/25
Release Date:2010/12/13
Note:
Diese Dissertation steht außerhalb der Universitätsbibliothek leider (aus urheberrechtlichen Gründen) nicht im Volltext zur Verfügung, die CD-ROM kann (auch über Fernleihe) bei der UB Frankfurt am Main ausgeliehen werden. 
Institutes:Biowissenschaften
Dewey Decimal Classification:570 Biowissenschaften; Biologie
Sammlungen:Universitätspublikationen
Biologische Hochschulschriften (Goethe-Universität; nur lokal zugänglich)
Licence (German):License LogoArchivex. zur Lesesaalplatznutzung § 52b UrhG

$Rev: 11761 $