Role of microcystin in oxidative stress acclimation in the cyanobacterium Microcystis aeruginosa

• Applicant: Professorin Dr. Elke Dittmann-Thünemann
• Subject Area: Microbial Ecology and Applied Microbiology ; Plant Physiology
• Term: from 2010 to 2014
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 177188285

• Final Report Year: 2015

Final Report Abstract

Microcystin ist ein potentes Toxin, das eukaryotische Proteinphosphatasen irreversibel inhibieren kann und über den Bilirubintransportstoffwechsel in die Leber gelangen kann. Trotz dieser spezifischen Interaktion geht man heute davon aus, dass die toxische Funktion nur eine Nebenfunktion darstellt. Zu dieser Erkenntnis haben unter anderem phylogenetische Studien beigetragen, die gezeigt haben, dass Microcystin evolutionär sehr alt ist, aber beispielsweise auch ökologische Studien, die Hinweise lieferten, dass Microcystin keinen Einfluss auf das Fraßverhalten von Zooplankton hat. Vor Beginn des Projektes war die Tatsache bekannt, dass Microcystin an Proteine (u.a. RubisCO) bindet, die mechanistischen Konsequenzen waren jedoch nicht verstanden. Folgende Erkenntnisse wurden im Projektzeitraum gesammelt: 1. Die Microcystinbindung an Proteine betrifft unter Stressbedingungen 50% und mehr der Gesamtmicrocystinmenge. 2. Microcystinbindung an Proteine ist auch unter Freilandbedingungen relevant. 3. Die Microcystinbindung an Proteine stabilisiert mindestens 3 untersuchte Proteine significant gegenüber Proteaseabbau in vitro. Die Proteine akkumulieren auch in geringeren Mengen in vivo. 4. Der Verlust an Microcystin führt zu keinem Anstieg der globalen Streßmarker, jedoch zu einem Anstieg kompatibler Solute und einer verstärkten Transkription von Chaperongenen. 5. Die Microcystinbindung an Proteine wirkt sich bei zwei Proteinen nicht auf die in vitro-Proteinaktivität aus. 6. Die Microcystinbindung wirkt sich vermutlich auf die Aktivität des Proteins RubisCO aus, jedoch sind weitere Untersuchungen notwendig, um diesen Verdacht zu erhärten. Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass Microcystin vermutlich eine globale Rolle bei der Stabilisierung von Proteinen unter Stressbedingungen spielt und darüber hinaus möglichweise eine spezifische Rolle bei der Regulation der RubisCO-Aktivität übernimmt. Die letzte Vermutung wird unterstützt durch die von uns durchgeführten metabolomischen Untersuchungen, aber auch durch vergleichende Wachstumsuntersuchungen unter verschiedenen CO2-Bedingungen, die von anderen Arbeitsgruppen durchgeführt wurden. Diese konnten zeigen, dass Microcystin vor allem unter Ci-Mangelbedingungen einen deutlichen Vorteil darstellt. Zwei der angestrebten Projektziele konnten leider nicht erreicht werden. Für die drei von uns untersuchten Proteine konnte das interagierende Cystein nicht identifiziert werden. Für alle Proteine wurde eine Strukturaufklärung initiiert. Wir konnten auch keine Erkenntnisse zu einer Reversibilität der Microcystinbindung sammeln. Möglicherweise gibt es keine solche Aktivität und die von uns beobachtete Dynamik der Microcystinbindung ist ein Resultat des Protein-turnovers.

Publications

• (2011) The cyanobacteriel hepatotoxin microcystin binds to proteins and increases the fitness under oxidative stress conditions. PLoS One 10.1371/journal.pone.0017615
  Zilliges, I., Kehr, J.C., Meissner, S., Ishida, K., Mikkat, S., Hagemann, M., Kaplan, A., Börner, T., Dittmann, E.
  
• (2013) Cyanobacterial Toxins: Biosynthetic Routes and Evolutionary Roots. FEMS Microbiol. Rev. 37: 23-43
  Dittmann, E., Fewer, D., Neilan, B.A.
  
• (2013) Environmental conditions that influence toxin biosynthesis in cyanobacteria. Environ. Microbiol. 15: 1239-1253
  Neilan, B.A., Pearson, L.A., Muenchhoff, J., Moffitt, M.C., Dittmann, E.
  
• (2013) Microcystin production re-visited: Conjugate formation makes a major contribution. Environ. Microbiol. 15: 1810-1820
  Meissner, S., Fastner, J., Dittmann, E.
  
• (2014) Metabolomic analysis indicates a pivotal role of the hepatotoxin microcystin in high light adaptation of Microcystis. Environ. Microbiol.
  Meissner, S., Steinhauser, D., Dittmann, E.
  
• (2015) Transcriptomics aided dissection of the intracellular and the extracellular role of microcystin in M. aeruginosa PCC 7806. Appl. Environ. Microbiol., 81:544- 554
  Makower, K., Schuurmans, J.M., Groth, D., Zilliges, Y., Matthijs, H.C.P., Dittmann, E.