Role of the bacillithiol redox buffer for redox control in Firmicutes bacteria

• Antragstellerin: Professorin Dr. Haike Antelmann
• Fachliche Zuordnung: Stoffwechselphysiologie, Biochemie und Genetik der Mikroorganismen
• Förderung: Förderung von 2012 bis 2016
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 220923428

Prokaryontische und eukaryontische Organismen sind reaktiven Sauerstoffspezies (ROS), reaktiven Stickstoffspezies (RNS) und reaktiven elektrophilen Spezies (RES) ausgesetzt, die durch die aerobe Atmung und metabolische Prozesse entstehen können oder durch toxische Verbindungen, wie z.B. Antibiotika oder Xenobiotika verursacht werden. Pathogene Bakterien müssen besonders die stark oxidierende hypochlorische Säure entgiften können, die im Laufe des Infektionsprozesses von aktivierten Makrophagen freigesetzt wird. Wir haben die Veränderungen im Transkriptom und Proteom als Antwort auf NaOCl in Bacillus subtilis untersucht. Wir konnten zeigen, dass der Redoxpuffer Bacillithiol (Cys-GlcN-Malate, BSH) in B. subtilis eine wichtige Funktion in der Redoxregulation und beim Schutz von Cysteinen im aktiven Zentrum von essentiellen Enzymen gegen irreversible Oxidationen unter oxidativen Stressbedingungen hat. NaOCl-Stress verursacht S-Bacillithiolierung des redox-sensitiven OhrR-Repressors und von Enzymen der Methioninbiosynthese (MetE, YxjG, PpaC and SerA) als Schutzmechanismus gegen NaOCl-Toxizität. In Eukaryonten und Escherichia coli ist die S-Glutathionylierung ein wichtiger regulatorischer Mechanismus und führt zur Inaktivierung von verschiedenen metabolischen Enzymen unter oxidativen Stressbedingungen. Ziel dieses Projektes ist deshalb, die globale physiologische Rolle des BSH-Redoxpuffers in der Redoxregulation von zytoplasmatischen und regulatorischen Proteinen durch S-Bacillithiolierung in BSH-produzierenden Firmicuten aufzuklären, wie z.B. in industriell bedeutsamen Bacillus-spezies (Bacillus halodurans, Bacillus clausii, Bacillus megaterium, Bacillus amyloliquefaciens) und Stapyhlococcus carnosus, dem strahlungsresistenten Deinococcus radiodurans sowie auch im pathogenen Bacillus cereus. Es kommen Methoden der 2D-Gel-basierten Redoxproteomik, Shotgun-LC-MS/MS-Analysen und MS-basiertes "Stable isotop metabolic labelling" durch 14N/15N-Ammonium zum Einsatz verbunden mit der Immunopräzipitation von BSH-modifizierten Peptiden und Proteinen, um Proteine mit S-Bacillithiolierungen nach ROS-Stress zu identifizieren und zu quantifizieren. Unsere Proteomanalysen in B. subtilis führten zur Identifizierung von neuen Bacilliredoxinen (YphP, YqiW und YtxJ) als Targets für S-Bacillithiolierungen, welche als Thiol-Disulfid-Oxidoreduktasen (Bacilliredoxine, Brx) bei der Reduktion von S-bacillithiolierten Proteinen beteiligt sein könnten. Die Untersuchung der Funktion und Substrate dieser neuen Bacilliredoxine ist ein weiterer Fokus dieses Projektes durch phänotypische Analysen von brx-Mutanten sowie neue gel-basierte und MS-basierte Methoden der Redoxproteomik.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen