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Reinigung, biochemische Charakterisierung und Struktur der A1AO-ATPase aus Methanococcus jannaschii
(2006)
Die A1AO-ATPase wurde aus Membranen von M. jannaschii unter Erhalt der Struktur isoliert. Das Enzym wurde durch eine Saccharose-Dichtegradientenzentrifugation, eine Anionenaustauschchromato-graphie an DEAE und eine Gelfiltration zur Homogenität gereinigt. Alle 9 aus der Operon-Struktur vorhergesagten Untereinheiten konnten mittels Western-Blot-Analyse oder einer N-terminalen Sequenzierung identifiziert werden. Die funktionelle Kopplung der A1- und AO-Domäne wurde durch Studien mit dem Inhibitor DCCD nachgewiesen. Das gereinigte Enzym hatte eine Masse von 670 kDa. Die ATP-Hydrolyseaktivität war bei einer Temperatur von 80°C und einem pH-Wert von 6 optimal. Der KM-Wert für MgATP wurde zu 1,2±0,2 mM bestimmt. Bei den Versuchen zur Entwicklung eines Na+-freien Tespuffers trat die strikte Abhängikeit des Enzyms von Hydrogensulfit oder Sulfit als Problem zu Tage. Aus Membranen von M. jannaschii wurden durch Chloroform/Methanol Lipide extrahiert, aus denen dann Liposomen hergestellt wurden. Die A1AO-ATPase aus M. jannaschii wurde in diese Liposomen erfolgreich rekonstituiert, eine ATP-Synthese konnte jedoch nicht nachgewiesen werden. Die elektronenmikroskopischen Analysen zeigten einen für ATPasen charakteristischen Aufbau, aus einer hydrophilen Domäne, die durch mindestens zwei Stiele mit der Membrandomäne verbunden ist. Anhand der Bildrekonstruktion von 17.238 Einzelpartikeln konnten zwei Klassen von ATPase-Molekülen unterschieden werden, die entweder über einen oder zwei periphere Stiele verfügten. Aus verschiedenen Einzelprojektionen wurden Summenbilder generiert, anhand dieser 2D- Rekonstruktion wurde die ATPase vermessen. Der Kopfteil, die Membrandomäne und der zentrale Stiel haben eine Größe von 11,5 x 9,4 nm, 10,6 x 6,4 nm und 8 x 3,9 nm (Länge x Breite). Die Gesamtlänge des Enzyms betrug 25,9 nm. Der zentrale Stiel der ATPase ist über der Membran von einer Kragen-ähnlichen Struktur umgeben, die wiederum mit den peripheren Stielen in Kontakt steht. Scheinbar steht nur einer der peripheren Stiele in direktem Kontakt mit der AO-Domäne. Die Überlagerung der 3D-Rekonstruktion eines A1-Subkomplexes aus Methanosarcina mazei mit der 2D-Rekonstruktion der A1AO-ATPase aus M. jannaschii zeigen deutlich, dass die peripheren Stiele mit dem oberen Ende der A1-Domäne in Kontakt stehen. Durch diese Analysen konnte erstmals die Struktur einer A1AO-ATPase mit einer Auflösung von 1,8 nm dargestellt werden. Sequenzanalysen haben gezeigt, dass das Proteolipid-Gen von Methanopyrus kandleri verdreizehnfacht ist. Das Gen wurde mittels PCR vervielfacht und in einen TOPO®-Vektor kloniert. Versuche das Gen in einen Expressionsvektor umzuklonieren, waren noch nicht erfolgreich.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden ausgewählte 5’- und 3’-untranslatierte Regionen (UTRs) von mRNAs aus H. volcanii bestimmt. Dieses Datenset wurde verwendet um (1) haloarchaeale UTRs zu charakterisieren, (2) Konsensuselemente für die Transkrikptionsinitiation und -termination zu verifizieren und (3) den Einfluss haloarchaealer UTRs auf die Initiation und Regulation der Translation zu untersuchen. Es konnte gezeigt werden, dass alle untersuchten Transkripte nichtprozessierte 3’-UTRs mit einer durchschnittlichen Länge von 45 Nukleotiden besitzen. Darüber hinaus konnte ein putatives Transkriptionsterminationssignal bestehend aus einem pentaU-Motiv mit vorausgehender Haarnadelstruktur identifiziert werden. Die Analysen der Regionen stromaufwärts der experimentell bestimmten Transkriptionsstarts führten zur Identifizierung dreier konservierter Promotor Elemente: Der TATA-Box, dem BRE-Element und einem neuen Element an Position -10/-11. Überraschenderweise bestand die TATA-Box nur aus vier konservierten Nukleotiden. Die Untersuchung der UTRs ergab, dass die größte Anteil der haloarchaealen Transkripte keine 5’-UTR besitzt. Falls eine 5’-UTR vorhanden ist, besitzen unerwarteterweise nur 15% der 5’-UTRs aus H. volcanii eine Shine-Dalgarno-Sequenz (SD-Sequenz). Es konnte jedoch gezeigt werden, dass verschiedene native und artifizielle 5’-UTRs ohne SD-Sequenz sehr effizient in vivo translatiert werden. Außerdem hat die Sekundärstruktur der 5’-UTR und die Position struktureller Elemente offenbar einen entscheidenden Einfluss auf die Translatierbarkeit von Transkripten. Die Insertion von Strukturelementen nahe des Startkodons führte zu einer vollkommenen Repression der Translation, während die proximale Insertion des Motivs an das 5’-Ende der 5’-UTR keinen Einfluss auf die Translationsseffizienz hatte. Zusammenfassend kann sowohl der eukaryotische Scanning-Mechanismus als auch die bakterielle Initiation der Translation über die SD-Sequenz für haloarchaeale Transkripte mit 5’-UTR ohne SD-Sequenz ausgeschlossen werden. Die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Untersuchungen bilden die Grundlage für weitere Untersuchungen zur Identifizierung eines entsprechenden dritten Mechanismus zur Initiation der Translation in H. volcanii. Eine aktuelle Studie zur globalen Analyse der Translationsregulation zeigte, dass der Anteil translational regulierter Gene in H. volcanii genauso hoch ist wie bei Eukaryoten (Lange et al., 2007). Um die Rolle haloarchaealer UTRs bei der Regulation der Translation zu charakterisieren, wurden die UTRs zweier ausgewählter translationsregulierter Gene untersucht. Es stellte sich heraus, dass nur die Anwesenheit beider UTRs, 5’- und 3’-UTR, zu einer Wachstumsphasen-abhängigen Regulation der Translation führt. Dabei hat die 3’-UTR allein keinen Einfluss auf die Translationseffizienz, während die 5’-UTR die Translationseffizienz in beiden Wachstumsphasen reduziert. Es zeigte sich außerdem, dass die 3’-UTR für die „Richtung“ der Regulation auf Translationsebene verantwortlich ist und putative Strukturelemente möglicherweise in den Regulationsmechanismus involviert sind. Zusammengefasst ergibt sich folgendes Modell der Translationsregulation in H. volcanii: Strukturierte 5’-UTRs führen zu einer Herabsetzung der konstitutiven Translationseffizienz. Dies kann differentiell durch regulatorische Faktoren kompensiert werden, welche spezifische Elemente der 3’-UTR binden. Sowohl natürliche als auch artifizielle Aptamere und allosterische Ribozyme stellen effektive Werkzeuge zur exogen kontrollierten Genexpression dar. Daher wurde die Anwendbarkeit eines Tetracyclin-induzierbaren Aptamers und eines konstitutiven Hammerhead-Ribozyms in H. volcanii untersucht. Es stellte sich allerdings heraus, dass das Aptamer bereits ohne Tetracyclin starke inhibitorische Sekundärstrukturen ausbildet. Als Alternative wurden Reportergenfusionen mit einem selbstspaltenden Hammerhead-Ribozym konstruiert. Die selbstspaltende Aktivität des Hammerhead-Ribozyms in H. volcanii konnte erfolgreich in vivo demonstriert werden, was die Grundlage zur Entwicklung konditionaler Expressionssysteme basierend auf dem Hammerhead-Ribozym in H. volcanii bildet.
Gene homologs of GlnK PII regulators and AmtB-type ammonium transporters are often paired on prokaryotic genomes, suggesting these proteins share an ancient functional relationship. Here, we demonstrate for the first time in Archaea that GlnK associates with AmtB in membrane fractions after ammonium shock, thus, providing a further insight into GlnK-AmtB as an ancient nitrogen sensor pair. For this work, Haloferax mediterranei was advanced for study through the generation of a pyrE2-based counterselection system that was used for targeted gene deletion and expression of Flag-tagged proteins from their native promoters. AmtB1-Flag was detected in membrane fractions of cells grown on nitrate and was found to coimmunoprecipitate with GlnK after ammonium shock. Thus, in analogy to bacteria, the archaeal GlnK PII may block the AmtB1 ammonium transporter under nitrogen-rich conditions. In addition to this regulated protein–protein interaction, the archaeal amtB-glnK gene pairs were found to be highly regulated by nitrogen availability with transcript levels high under conditions of nitrogen limitation and low during nitrogen excess. While transcript levels of glnK-amtB are similarly regulated by nitrogen availability in bacteria, transcriptional regulators of the bacterial glnK promoter including activation by the two-component signal transduction proteins NtrC (GlnG, NRI) and NtrB (GlnL, NRII) and sigma factor σN (σ54) are not conserved in archaea suggesting a novel mechanism of transcriptional control.
Na(+)/H(+) exchangers are essential for regulation of intracellular proton and sodium concentrations in all living organisms. We examined and experimentally verified a kinetic model for Na(+)/H(+) exchangers, where a single binding site is alternatively occupied by Na(+) or one or two H(+) ions. The proposed transport mechanism inherently down-regulates Na(+)/H(+) exchangers at extreme pH, preventing excessive cytoplasmic acidification or alkalinization. As an experimental test system we present the first electrophysiological investigation of an electroneutral Na(+)/H(+) exchanger, NhaP1 from Methanocaldococcus jannaschii (MjNhaP1), a close homologue of the medically important eukaryotic NHE Na(+)/H(+) exchangers. The kinetic model describes the experimentally observed substrate dependences of MjNhaP1, and the transport mechanism explains alkaline down-regulation of MjNhaP1. Because this model also accounts for acidic down-regulation of the electrogenic NhaA Na(+)/H(+) exchanger from Escherichia coli (EcNhaA, shown in a previous publication) we conclude that it applies generally to all Na(+)/H(+) exchangers, electrogenic as well as electroneutral, and elegantly explains their pH regulation. Furthermore, the electrophysiological analysis allows insight into the electrostatic structure of the translocation complex in electroneutral and electrogenic Na(+)/H(+) exchangers.
Members of the Sm protein family are important for the cellular RNA metabolism in all three domains of life. The family includes archaeal and eukaryotic Lsm proteins, eukaryotic Sm proteins and archaeal and bacterial Hfq proteins. While several studies concerning the bacterial and eukaryotic family members have been published, little is known about the archaeal Lsm proteins. Although structures for several archaeal Lsm proteins have been solved already more than ten years ago, we still do not know much about their biological function, however one can confidently propose that the archaeal Lsm proteins will also be involved in RNA metabolism. Therefore, we investigated this protein in the halophilic archaeon Haloferax volcanii. The Haloferax genome encodes a single Lsm protein, the lsm gene overlaps and is co-transcribed with the gene for the ribosomal L37.eR protein. Here, we show that the reading frame of the lsm gene contains a promoter which regulates expression of the overlapping rpl37R gene. This rpl37R specific promoter ensures high expression of the rpl37R gene in exponential growth phase. To investigate the biological function of the Lsm protein we generated a lsm deletion mutant that had the coding sequence for the Sm1 motif removed but still contained the internal promoter for the downstream rpl37R gene. The transcriptome of this deletion mutant was compared to the wild type transcriptome, revealing that several genes are down-regulated and many genes are up-regulated in the deletion strain. Northern blot analyses confirmed down-regulation of two genes. In addition, the deletion strain showed a gain of function in swarming, in congruence with the up-regulation of transcripts encoding proteins required for motility.
Background: Differential RNA-Seq (dRNA-Seq) is a recently developed method of performing primary transcriptome analyses that allows for the genome-wide mapping of transcriptional start sites (TSSs) and the identification of novel transcripts. Although the transcriptomes of diverse bacterial species have been characterized by dRNA-Seq, the transcriptome analysis of archaeal species is still rather limited. Therefore, we used dRNA-Seq to characterize the primary transcriptome of the model archaeon Haloferax volcanii.
Results: Three independent cultures of Hfx. volcanii grown under optimal conditions to the mid-exponential growth phase were used to determine the primary transcriptome and map the 5′-ends of the transcripts. In total, 4749 potential TSSs were detected. A position weight matrix (PWM) was derived for the promoter predictions, and the results showed that 64 % of the TSSs were preceded by stringent or relaxed basal promoters. Of the identified TSSs, 1851 belonged to protein-coding genes. Thus, fewer than half (46 %) of the 4040 protein-coding genes were expressed under optimal growth conditions. Seventy-two percent of all protein-coding transcripts were leaderless, which emphasized that this pathway is the major pathway for translation initiation in haloarchaea. A total of 2898 of the TSSs belonged to potential non-coding RNAs, which accounted for an unexpectedly high fraction (61 %) of all transcripts. Most of the non-coding TSSs had not been previously described (2792) and represented novel sequences (59 % of all TSSs). A large fraction of the potential novel non-coding transcripts were cis-antisense RNAs (1244 aTSSs). A strong negative correlation between the levels of antisense transcripts and cognate sense mRNAs was found, which suggested that the negative regulation of gene expression via antisense RNAs may play an important role in haloarchaea. The other types of novel non-coding transcripts corresponded to internal transcripts overlapping with mRNAs (1153 iTSSs) and intergenic small RNA (sRNA) candidates (395 TSSs).
Conclusion: This study provides a comprehensive map of the primary transcriptome of Hfx. volcanii grown under optimal conditions. Fewer than half of all protein-coding genes have been transcribed under these conditions. Unexpectedly, more than half of the detected TSSs belonged to several classes of non-coding RNAs. Thus, RNA-based regulation appears to play a more important role in haloarchaea than previously anticipated.
The genomes of many prokaryotes contain substantial fractions of gene pairs with overlapping stop and start codons (ATGA or TGATG). A potential benefit of overlapping gene pairs is translational coupling. In 720 genomes of archaea and bacteria representing all major phyla, we identify substantial, albeit highly variable, fractions of co-directed overlapping gene pairs. Various patterns are observed for the utilization of the SD motif for de novo initiation at upstream genes versus reinitiation at overlapping gene pairs. We experimentally test the predicted coupling in 9 gene pairs from the archaeon Haloferax volcanii and 5 gene pairs from the bacterium Escherichia coli. In 13 of 14 cases, translation of both genes is strictly coupled. Mutational analysis of SD motifs located upstream of the downstream genes indicate that the contribution of the SD to translational coupling widely varies from gene to gene. The nearly universal, abundant occurrence of overlapping gene pairs suggests that tight translational coupling is widespread in archaea and bacteria.
Zinc finger domains are highly structured and can mediate interactions to DNA, RNA, proteins, lipids, and small molecules. Accordingly, zinc finger proteins are very versatile and involved in many biological functions. Eukaryotes contain a wealth of zinc finger proteins, but zinc finger proteins have also been found in archaea and bacteria. Large zinc finger proteins have been well studied, however, in stark contrast, single domain zinc finger µ-proteins of less than 70 amino acids have not been studied at all, with one single exception. Therefore, 16 zinc finger µ-proteins of the haloarchaeon Haloferax volcanii were chosen and in frame deletion mutants of the cognate genes were generated. The phenotypes of mutants and wild-type were compared under eight different conditions, which were chosen to represent various pathways and involve many genes. None of the mutants differed from the wild-type under optimal or near-optimal conditions. However, 12 of the 16 mutants exhibited a phenotypic difference under at least one of the four following conditions: Growth in synthetic medium with glycerol, growth in the presence of bile acids, biofilm formation, and swarming. In total, 16 loss of function and 11 gain of function phenotypes were observed. Five mutants indicated counter-regulation of a sessile versus a motile life style in H. volcanii. In conclusion, the generation and analysis of a set of deletion mutants demonstrated the high importance of zinc finger µ-proteins for various biological functions, and it will be the basis for future mechanistic insight.
Iron is part of many redox and other enzymes and, thus, it is essential for all living beings. Many oxic environments have extremely low concentrations of free iron. Therefore, many prokaryotic species evolved siderophores, i.e., small organic molecules that complex Fe3+ with very high affinity. Siderophores of bacteria are intensely studied, in contrast to those of archaea. The haloarchaeon Haloferax volcanii contains a gene cluster that putatively encodes siderophore biosynthesis genes, including four iron uptake chelate (iuc) genes. Underscoring this hypothesis, Northern blot analyses revealed that a hexacistronic transcript is generated that is highly induced under iron starvation. A quadruple iuc deletion mutant was generated, which had a growth defect solely at very low concentrations of Fe3+, not Fe2+. Two experimental approaches showed that the wild type produced and exported an Fe3+-specific siderophore under low iron concentrations, in contrast to the iuc deletion mutant. Bioinformatic analyses revealed that haloarchaea obtained the gene cluster by lateral transfer from bacteria and enabled the prediction of enzymatic functions of all six gene products. Notably, a biosynthetic pathway is proposed that starts with aspartic acid, uses several group donors and citrate, and leads to the hydroxamate siderophore Schizokinen.