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Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der vergleichenden funktionalen Charakterisierung der E.coli Transporter LacY, FucP und XylE und des Glucose-Transporters GlcP aus Staphylococcus epidermidis sowie funktionsrelevanter Mutanten. Sie katalysieren in vivo den PMF-gekoppelten Zuckertransport und repräsentieren die major facilitator superfamily (MFS), einer der größten Transporter-Familien überhaupt. Die Studien wurden mithilfe einer elektrophysiologischen Methode auf Basis Festkörper-unterstützter Membranen (SSM) durchgeführt. Komplementär dazu wurden radioaktive Transportassays, fluorometrische Messungen, kinetische Simulationen und theoretische Berechnungen auf Basis der 3D-Strukturen durchgeführt. Experimentell bestimmte Zucker- und pH-Abhängigkeiten elektrogener steady-state und pre steady-state Reaktionen wurden verwendet, um ein allgemeingültiges kinetisches Modell aufzustellen.
Insgesamt konnten bei allen Transportern zwei elementare elektrogene Reaktionen identifiziert werden. Eine schnelle Zucker-induzierte Konformationsänderung wurde dem induced fit des Zuckermoleküls zugeordnet. Die Elektrogenität im steady-state wird dagegen durch den langsamen Transfer der negativ geladenen Protonenbindestelle bestimmt. Die für den Symport ratenlimitierende Reaktion ist abhängig von den äußeren Bedingungen wie pH-Werten, Zuckerkonzentrationen, Substrat-Spezies und Membranpotential meist die Konformationsänderung des leeren (P) oder des beladenen (PSH) Carriers, welche die Substratbindestellen im Zuge des Alternating Access über die Membran transferieren. Ein Wechsel zwischen hohen Protonenbindungs-pK-Werten und niedrigen Protonenfreisetzungs-pK-Werten durch weitere lokale Konformationsänderungen ist zentraler Bestandteil des Transportmechanismus. Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Kopplung zwischen Zucker- und Protonen-Translokation, die sich zwischen E.coli Transportern und GlcP strikt unterscheidet. In E.coli Transportern erfolgt eine kooperative Bindung von Zucker und Proton. Zudem erfolgt keine Konformationsänderung im Zucker-gebundenen, unprotonierten Carrier (PS). In GlcP ist die Kopplung erheblich reduziert. Der Transport-Modus selbst ist abhängig von den äußeren Bedingungen. So katalysiert GlcP abhängig vom pH-Gradienten Uniport, Symport oder Antiport.
Die vorliegende Arbeit leistet einen wichtigen Beitrag zum Verständnis des PMF-gekoppelten Zuckertransports und zeigt die Grenzen des für LacY formulierten 6-Zustands-Modells mit nur zwei Konformationsänderungen auf. Ein erweitertes 8-Zustands-Modell mit vier Konformationsänderungen, die unterschiedliche Ratenkonstanten aufweisen können, erklärt sowohl Symport, Antiport als auch Uniport und berücksichtigt zudem die zahlreichen Ergebnisse für LacY aus der Literatur.
1. Das Wachstum und die Fähigkeit zur Butyratproduktion von E. callanderi KIST612 wurde in geschlossenen Batch-Kulturen mit den Substraten Glukose, Methanol, Formiat, H2 + CO2 und CO untersucht. E. callanderi KIST612 zeigte sich nur bei Wachstum auf 20 mM Glukose oder 20 mM Methanol in der Lage, Butyrat in größeren Mengen (3,7 – 4,3 mM) zu produzieren. Das Hauptprodukt bei allen untersuchten Wachstumssubstraten war jedoch Acetat.
2. In bioinformatischen Analysen des Genoms von E. callanderi KIST612 konnte nur eine A1AO-ATP-Synthase gefunden werden, welche eine V-typ c-Untereinheit bestehend aus 4 TMH‘s mit nur einer Na+-Bindestelle aufweist. Diese konnte aus gewaschenen Membranen von E. callanderi durch Saccharose-Dichtegradientenzentrifugation, Anionenaustausch-Chromatographie (DEAE) sowie einer Größenausschluss-Chromatographie (Superose 6) bis zur apparenten Homogenität gereinigt werden. Nach Produktion einzelner Untereinheiten (A, B, C, D, E, F und H) in E. coli und Generierung von Antikörpern, konnten alle Untereinheiten (A, B, C, D, E, F, H, a sowie c) in der gereinigten Enzympräparation immunologisch oder mittels „Peptide-Mass-Fingerprinting“ nachgewiesen werden. Es konnte somit erstmals eine A1AO-ATP-Synthase aus einem mesophilen Organismus ohne Verlust von Untereinheiten gereinigt werden.
3. Der Gesamtkomplex wies unter nativen Bedingungen eine molekulare Masse von ca. 670 kDa auf. In elektronenmikroskopischen Aufnahmen zeigte sich anhand der hantelförmigen Strukturen, dass die A1AO-ATP-Synthase als intakter Gesamtkomplex gereinigt werden konnte.
4. Die gereinigte A1AO-ATP-Synthase wurde zunächst anhand ihrer ATP-Hydrolyse-Aktivität biochemisch charakterisiert. Die ATP-Hydrolyse-Aktivität hatte ein pH-Optimum von 7 – 7,5 und ein Temperaturoptimum bei 37 °C. Durch Messung der ATPase-Aktivität in Abhängigkeit von verschiedenen Mengen an Na+ konnte die vorhergesagte Na+-Abhängigkeit des Enzyms nachgewiesen werden. Zudem zeigten Hemmstoffexperimente mit DCCD, dass dieser Inhibitor mit Na+ um die gemeinsame Bindestelle in der c-Untereinheit konkurriert. Dies bestätigte nochmals, dass das Enzym funktionell gekoppelt gereinigt werden konnte.
5. Zur weiteren Untersuchung der Ionenspezifität wurde der an die ATP-Hydrolyse gekoppelte Ionentransport durch Rekonstitution des Enzyms in Liposomen und anschließender Messung des Na+- oder H+-Transports gemessen. In den Proteoliposomen konnte mit Hilfe von 22Na+ gezeigt werden, dass das Enzym Natriumionen translozieren kann. Während in Anwesenheit des Natriumionophors ETH 2120 kein 22Na+-Transport beobachtet werden konnte, führte die Anwesenheit des Protonophors TCS zu einer geringfügigen Stimulation der 22Na+-Translokation. Insgesamt konnte ein primärer Na+-Transport nachgewiesen werden, welcher von der A1AO-ATP-Synthase aus E. callanderi katalysiert wird.
6. Durch Rekonstitution der A1AO-ATP-Synthase aus E. callanderi in Liposomen konnte erstmals biochemisch nachgewiesen werden, dass ein solches Enzym trotz seiner V-Typ c-Untereinheit in der Lage ist, ATP zu synthetisieren. Durch die Zugabe von Ionophoren (ETH 2120 und TCS) konnte der elektrochemische Ionengradient aufgehoben werden, wodurch keine ATP-Synthese beobachtet werden konnte. Der erstmalige Nachweis der ATP-Synthese wurde bei einem ΔµNa+ von 270 mV erbracht.
7. Die ATP-Synthese zeigte sich ebenfalls abhängig von der Na+-Konzentration. Der KM-Wert lag bei 1,1 ± 0,4 mM und war vergleichbar mit dem für die ATP-Hydrolyse ermittelten Wert. Ebenso konnte für die ATP-Synthese-Richtung gezeigt werden, dass DCCD mit Na+ um die gemeinsame Bindestelle in der c-Untereinheit konkurriert.
8. Um den biochemischen Nachweis zu erbringen, dass die A1AO-ATP-Synthase auch unter physiologisch relevanten Potentialen zur ATP-Synthese befähigt ist, wurde der energetische Schwellenwert der ATP-Synthese bestimmt. Dieser betrug 87 mV als Triebkraft für ΔpNa, 94 mV als Triebkraft für Δψ und 90 mV als Triebkraft für ΔµNa+. Erstaunlicherweise konnte die ATP-Synthese der A1AO-ATP-Synthase aus E. callanderi KIST612 sowohl durch Δψ als auch ΔpNa angetrieben werden. Unterschiedliche Kombinationen von Δψ und ΔpNa führten zu dem gleichen energetischen Schwellenwert; Δψ und ΔpNa waren im Enzym aus E. callanderi KIST612 äquivalente Triebkräfte.
9. Der energetische Schwellenwert der A1AO-ATP-Synthase aus E. callanderi KIST612 wurde mit dem der F1FO-ATP-Synthasen aus A. woodii, E. coli und P. modestum verglichen. Dazu wurden die Enzyme im ATP-Synthase-defizienten E. coli-Stamm DK8 produziert und anschließend durch Ni2+-NTA-Affinitätschromatographie gereinigt. Nach Einbau der Enzyme in Liposomen waren alle Enzyme in der Lage, ATP als Reaktion auf ΔµNa+ (A. woodii und P. modestum) oder ΔµH+ (E. coli) zu synthetisieren. Im Vergleich zum Enzym aus E. callanderi zeigten sich zwei auffällige Unterschiede. Erstens war keine der F1FO-ATP-Synthasen in der Lage, ΔpNa/ΔpH als alleinige Triebkraft zu nutzen. Während die ATP-Synthese in den Enzymen aus E. coli und P. modestum nur durch ΔµH+ bzw. ΔµNa+ angetrieben werden konnte, konnte das Enzym aus A. woodii zusätzlich auch durch Δψ als einzige Triebkraft angetrieben werden.
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Infections with multidrug resistant bacterial strains like Escherichia coli, Klebsiella pneumoniae, Pseudomonas aeruginosa or Acinetobacter baumanii that can accumulate resistance mechanisms against different groups of drugs cause increasing problems for the health care system. Multidrug efflux pumps are able to transport different classes of substances, providing a basic resistance to different antibiotics. Especially when they are overexpressed they can keep bacterial cells alive under antibiotic pressure unless other high level resistance mechanisms like expression of β-lactamases are established. One example for a clinically relevant multidrug efflux pump is the AcrAB/TolC tripartite system of E. coli, that transports a variety of different substrates, including besides antibiotics dyes, detergents, bile salts and organic compounds from the periplasm or the inner membrane out of the cell. AcrB is the inner membrane component of the protein complex that determines not only the substrate specificity of the tripartite system but energises the transport through the whole system process via proton transduction as well. TolC is the outer membrane spanning protein that forms a pore in the outer membrane enabling the system to transport drugs over the latter out of the cell. The periplasmic membrane fusion protein AcrA connects AcrB and TolC in the periplasm completing the channel from the periplasm, respective the inner membrane to the extracellular space. AcrB assembles as trimers, in asymmetric crystal structures each of the protomers adapts a different conformation designated L(oose), T(ight) and O(pen). In the protomers tunnels open up and collaps in different conformations. In the L protomer a periplasmic cleft opens up that can initially bind substrates to the periplasmic part of AcrB. In the T conformation the deep binding pocket opens that is assumed to bind substrates tightly that were bound to the access pocket before. As well in the T conformation a second pathway leading to the deep binding pocket opens that can guide substrates from a groove between transmembrane helices TM7, TM8 and TM9, the TM8 groove, that is connected with socalled tunnel 1 that ends in the deep binding pocket. In the O conformation a new tunnel opens that connects the collapsing deep binding pocket with the periplasmic space, respective the channel through the periplasmic space formed from AcrA and TolC. Substrates were cocrystallised in access and deep binding pocket verifying their role in substrate transport. In the TM8 groove in high resolution crystal structures DDM molecules were cocrystallised in L and T conformation, indicating that the AcrB substrate DDM may utilise this entrance to the deep binding pocket. The asymmetry observed in the AcrB trimers trongly suggests a peristaltic pump mechanism. The functional rotation cycle demands communication between the subunits and tight control of substrate load of protomers during the transport to optimise the ration between protons that are transduced and substrates transported. Indeed it was shown that AcrB transport mechanism is positively cooperative for some β-lactam substrates. For the communication between the subunits it was assumed that ionic interaction between ion pairs established between charged amino acids at the interfaces of protomers in different conformations are of special importance. Thus the amino acids engaged in ionic interactions, respective ion pairs D73-K131, E130-K110, D174-K110, R168, R259-E734 were substituted with non-charged amino acids pairwise and phenotypes were determined in plate dilution assays and MIC experiments. No evidence for a general, substrate independent, reduction of AcrB activity, that would be expected when the ionic residues are of special importance for AcrB function, could be found with the methods applied. Substitutions were not only combined pairwise according to the putative ion pairs but as well in combinations of R168A with D174N, E130Q and K131M. AcrB activity is reduced for the variant R168A_D174N significantly, activity decreases further for quadruple variant E130Q_K131M_ R168A_D174N. Because the reduced activity is only observed in this combination of substitutions the phenotype must result from accumulation of small effects of the single substitutions. R168A may destabilise the protomer interfaces, as its side chain is oriented in direction to the neighbouring protomer at all interfaces, enhancing substratespecific effects of substitutions E130Q, K131M, D174N that are not in all conformations oriented towards the neighbouring protomer but as well along the substrate transport pathway. Further investigations to figure out the details of the effects observed were not conducted because fluctuating expression of the variants hindered experimental procedures.
In another approach TM8 was in focus of the interest. As mentioned above it is a possible substrate entrance in the inner membrane. The linker between TM8 and the periplasmic PC2 subdomain undergoes a coil-to-helix transition when AcrB cycles through L, T and O conformations. Linking the transmembrane part of AcrB that provides the energy for the transport process via proton transduction with the periplasmic part harbouring the major part of the substrate pathway assignes TM8 and the periplasmic linker (859-876) an important role in the function of AcrB. Thus it was investigated with an alanine-scan of residues 859 to 884 and G/P respective P/G exchange followed by phenotype characterisation in growth curve and plate dilution assays of selected variants. In the phenotype determinations none of the variants, except G861P that seems to cause massive sterical restriction in an α-helical region, displayed a general, substrate independent decrease of AcrB activity. Thus it is concluded that the individual properties of amino acids in TM8 and the periplasmic linker are not of general importance for the mechanism of AcrB. The substitution of individual amino acids had impact on uptake of different substrates in plate dilution assays in a substrate dependent manner. The uptake of some substrates, like erythromycin or chloramphenicol is more affected than that of others with rhodamine 6G resistance being only reduced for the G861P variant. A relation between the PSA of substrates and reduced activity of AcrB was observed. in Substrates with higher PSA values are more affected by substitutions in TM8 or periplasmic linker, resulting in the conclusion that substrates with higher PSA are more likely to be taken up via the TM8 groove/tunnel 1 pathway than those with lower PSA values.
Resistant microbes are a growing concern. It was estimated that about 33,000 of people die because of the infections caused by multidrug resistant bacteria each year in Europe (ECDC, 2018, https://www.ecdc.europa.eu/). Bacteria can acquire resistance against toxic compounds via different mechanisms and intrinsic active efflux is one of the first mechanisms deployed by bacterial cells. The membrane-localized efflux pumps catalysing this reaction, extract toxic compounds from the interior of the cell and transport these to the outside, thereby maintaining sub-lethal toxin levels in the cytoplasm, periplasm and membranes. Gram-negative three-component efflux pumps, analysed in this study, are composed of an inner membrane protein, a member of the Resistance-Nodulation cell Division (RND) superfamily, an Outer Membrane Factor (OMF) protein and a Membrane Fusion Protein (MFP) that connects the two afore mentioned components into an active efflux pump. The pumps described in this work, AcrAB-TolC and EmrAB-TolC, are drug efflux pumps belonging to the RND and MFS superfamilies, respectively, while CusCBA is an efflux pump that belongs to the RND heavy metal efflux family. Another efflux pump that was used as a model for the design of an in vitro assay for the silver ion transport studies, CopA, belongs to the P-type ATPase superfamily. All pumps analysed in this study are part of the resistance system of Escherichia coli, which is a highly clinically relevant pathogen.
In order to examine the AcrAB-TolC, CopA and CusA efflux pumps, the individual components were separately produced in E. coli, purified to monodispersity and reconstituted in large unilamellar vesicles, LUVs. Means for the optimized production and adequate conditions for efficient reconstitution were presented in this study. The activity of AcrB in LUVs was detected using fluorescence quenching of the dye 8-hydroxy-1,3,6 pyrenetrisulfonate (pyranine), which is incorporated inside the proteoliposomes and is sensitive to the pH changes in its surrounding. The inactive AcrB variant with a substitution in the proton relay network, D407N, showed no activity in proteoliposomes, which correlates with the measurements done in empty liposomes. When AcrA was co-reconstituted with AcrB D407N proteoliposomes it did not restore protein activity. To test the assembly of the AcrAB-TolC pump out of its single components, an in vitro assay was established where the complex assembly was tested with AcrAB- and TolC-containing liposomes. These experiments showed putative AcrAB-TolC formation in the presence or absence of a pump substrate, taurocholate, as well as in the presence of the pump inhibitor, MBX3132. The assembly appeared stable over time and results were invariant in the presence or absence of a pH gradient across the AcrAB-containing membrane.
After determination of the ATPase activity of the P-type ATPase, CopA, in detergent micelles, the protein was reconstituted in LUVs. Quenching of the Ag+-sensitive dye Phen Green SK (PGSK), present on the inside of the CopA-containing proteoliposomes, was observed in presence of ATP and Ag+. Under the same conditions, but in absence of Ag+-ions, quenching was reduced by 80 % after 300 seconds. No PGSK-quenching was observed in control liposomes in the presence of ATP and Ag+. The additional presence of sodium azide led to minimal reduction of the PGSK-quenching as expected since sodium azide is not an inhibitor of P-type ATPases, but the quenching rate was similar to that of the same experimental condition with control liposomes.
The RND superfamily member CusA, as part of the tripartite CusCBA efflux pump, has been proposed to sequester Ag+ or Cu+ from either the cytoplasmic or periplasmic side of the inner membrane. The periplasmic transport of silver ions was implied from an in vitro assay where the quenching of a pH sensitive dye, 9-amino-6-chloro-2-methoxyacridine (ACMA), indicates acidification of the lumen of the proteoliposomes containing CusA when an inwardly directed pH was imposed. The same experiment with the CusA D405N variant, which was previously reported to be an inactive variant, also led to ACMA quenching, although at a slightly lower rate. Under application of an inwardly directed pH and a (negative inside), CusA-containing proteoliposomes showed a strong quenching of the incorporated PGSK dye, suggesting strong Ag+ influx.
The Major Facilitator Superfamily-(MFS-) type EmrAB-TolC pump has an analogous structural setup as the RND-type AcrAB-TolC pump. To examine the efflux of one of its substrates, carbonyl - cyanide m-chlorophenylhydrazone (CCCP), a plate-based susceptibility assay was used. The presence of the EmrAB-TolC pump confers lower susceptibility levels towards CCCP in E. coli, compared to cells not expressing the pump or cells expressing only the MFS component, indicating that EmrAB-TolC extrudes CCCP.
The work done in this study opens up a path towards investigation of drug and metal resistance in vitro. The methodologies to obtain proteoliposomal samples of multicomponent efflux pumps and subsequent measurements of drug/metal ion and H+ fluxes, as well as the determination of pump assembly are crucial for the future research on pump catalysis and transport kinetics. The in vivo drug-plate assays done in this work provide initial insights for future investigations of the drug susceptibility of E. coli expressing the MFS-type tripartite efflux pumps.
Während meiner Promotion habe ich zwei Projekte unter der Aufsicht von Dr. Misha Kudryashev durchgeführt. Im ersten Projekt habe ich die Strukturen des Ryanodinrezeptors 1 (RyR1) in Apo- und Ryanodin-Bindungszuständen in der nativen Membran durch Tomographie und Subtomogramm-Mittelung bei 12,6 bzw. 17,5 Å bestimmt. Im Vergleich zur Struktur von gereinigtem RyR1 unter Verwendung der Einzelpartikel-Kryo-Elektronenmikroskopie (Cryo-EM) können zusätzliche Dichten in der cytoplasmatischen Domäne und der sarkoplasmatischen Retikulum (SR)-Membran bzw. im SR-Lumen beobachtet werden. Die Auflösung der Struktur von RyR1 im Apo-Zustand wurde von den Kollegen in meinem Labor mithilfe der Hybridmethode auf 9,5 Å verbessert. Diese Arbeit hat unser Verständnis für die Mechanismen von RyR1 in nativen Membranen erweitert. Im zweiten Projekt habe ich die Struktur des Proteins SdeC der SidE-Familie durch Einzelpartikel-Kryo-EM bei 4,6 Å bestimmt. Die Kristallstruktur des C-Terminus von SdeA wurde von meinem Forschungspartner Dr. Mohit Misra gelöst. Durch Überlagerung einer gemeinsamen Helix dieser beiden Strukturen konnten wir ein kombiniertes Modell erstellen und ein allgemeines Verständnis der Proteine der SidE-Familie erhalten.
Structure-function relationships in substrate binding protein dependent secondary transporters
(2023)
This work provides new insights into the relevance of SBP dependent secondary transport systems, especially in the thus far under-researched subgroup of TAXI transporters. Importantly, we identified and characterized the TAXI transport system TAXIPm-PQM from Proteus mirabilis. We demonstrated that, in contrast to previously characterized SBP dependent secondary transport systems, TAXIPm-PQM is a proton coupled system and transports the C5-dicarboxylate α- ketoglutarate. Since initially the transport of α-ketoglutarate could only be demonstrated in vivo but not in vitro using established protocols (Mulligan et al. 2009), we investigated in detail the differences between the in vivo and in vitro assay. This resulted in a bioinformatic analysis of TRAP and TAXI signal peptides, which strongly implied that TAXIPm-P requires a transmembrane anchor to allow for transport. We then provided TAXIPm-P surface tethered to the membrane in in vitro transport assays and confirmed the prediction of our bioinformatic analysis that TAXIPm-PQM deploys a membrane-anchored instead of a soluble SBP. Furthermore, the TAXI transport system TAXIMh-PQM from Marinobacter hydrocarbonoclasticus transports fumarate only if both membrane domains Q and M are present. For further characterization, Michaelis-Menten kinetics and affinities were determined for both TAXI transport systems TAXIPm-PQM from Proteus mirabilis and TAXIMh-PQM from Marinobacter hydrocarbonoclasticus. In addition, nanobodies were selected for the membrane domain TAXIPm-QM from Proteus mirabilis to stabilize different conformations which can serve in subsequent structural elucidation studies. Furthermore, the TRAP SBP TRAPHi-SiaP from Haemophilus influenzae was shown to interact not only with its corresponding membrane domain TRAPHi-SiaQM but with at least one additional transporter. It was thereby excluded that TRAPHi- SiaP transfers N-acetylneuraminic acid to the only native E. coli TRAP transporter TRAPEc-YiaMNO and suggested to rather interact with a SBP dependent ABC transport system as this protein family represents the largest SBP dependent protein group in E. coli (Moussatova et al. 2008).