Funktion und Struktur des neuen Hämbindeproteins HbpS aus Streptomyceten

• Antragsteller: Privatdozent Dr. Darío Ortiz de Orué Lucana
• Fachliche Zuordnung: Stoffwechselphysiologie, Biochemie und Genetik der Mikroorganismen ; Mikrobielle Ökologie und Angewandte Mikrobiologie
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2016
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 253853265

Das neu entdeckte Drei-Komponenten System HbpS-SenS-SenR schützt Streptomyces reticuli vor oxidativen Stress-basierten Ereignissen und ist in den Genomen von Streptomyceten und anderen Actinobakterien kodiert. HbpS ist ein neuartiges Eisen- und Hämbindeprotein, bildet ein Oktamer und interagiert mit der Sensorkinase SenS. Basierend auf physiologischen und genetischen Untersuchungen, der Aufklärung der 3D-Kristallstruktur sowie Proteindynamik-Studien (FRET und EPR) konnten wir nachweisen, dass in Gegenwart von Fe2+/H2O2 strukturelle Veränderungen innerhalb des HbpS-Oktamers erfolgen. Eine folgende Kaskade führt zur Autophosphorylierung der Sensorkinase SenS, die wiederum den Antwortregulator SenR phosphoryliert. Dieser reguliert die Transkription eines Operons, das die Katalase-Peroxidase CpeB kodiert, die das Bakterium vor oxidativem Stress durch den Abbau von H2O2 schützt. Basierend auf Mutantenanalysen und der 3D-Kristallstruktur von HbpS wurden drei Eisenbindemotive D/EXXE identifiziert: zwei auf der Oberfläche und eines im Inneren des Oktamers. Diese Motive sind notwendig, um hohe Mengen von Fe2+ Ionen (~100/Oktamer) zu akkumulieren, die wiederum durch HbpS zu Fe3+ oxidiert werden. Aufgrund unserer erzielten Ergebnisse werden wir Bedingungen verfeinern, um Kristalle des Wildtyps und anderer HbpS-Mutantenproteine in Abwesenheit oder Gegenwart von Häm-Typ B zu erhalten; diesen haben wir als spezifischen Ligand von HbpS identifiziert. Basierend auf den Vergleichen der gewonnenen 3D Kristallstrukturen werden sowohl Aminosäure-Reste identifiziert, die mit Häm B interagieren, als auch mögliche lokale Veränderungen analysiert, die durch die Interaktion mit Häm B im HbpS-Oktamer ausgelöst werden. HbpS ist nicht nur in der Lage Häm zu binden, sondern auch dieses abzubauen. Um den katalytischen Mechanismus aufzuklären, werden die Reaktionsprodukte des Häm-Abbaus zur Homogenität aufgereinigt und anschließend deren Strukturen analysiert. Diese Studien werden durch weitere Analysen mit Hilfe von generierten HbpS-Mutantenproteinen ergänzt, die eine veränderte katalytische Aktivität aufweisen. Es ist bemerkenswert, dass ein wesentlicher Anteil von HbpS einer Protein-Domäne unbekannter Funktion (genannt DUF336) entspricht. Diese ist in zahlreichen Proteinen aus Bakterien (4803x), Archaea (67x) und Eukaryonten (199x) zu finden. Die Ergebnisse unserer Studien werden deshalb wichtige Implikationen haben.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen