Local chemical probes for the investigation of heme transfer processes

• Antragsteller: Professor Dr. Martin Bröring
• Fachliche Zuordnung: Anorganische Molekülchemie - Synthese, Charakterisierung ; Biochemie
• Förderung: Förderung von 2012 bis 2016
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 100799727

• Erstellungsjahr: 2017

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Im Projekt wurden Häm-Bindungs- und Austauschprozesse zwischen Proteinen des für die Eisen-Homeostase wichtigen Häm-Akquisitionssystems von Pseudomonas aeruginosa untersucht. Zwei spezielle Häm-Transferprozesse waren hierbei im Focus, ein intrazellulär ablaufender Transfer der Häm-Gruppe von einem Häm-Transporter PhuS zu einer Hämoxygenase pa-HO, sowie ein extrazellulärer Prozess, durch den ein sekretiertes Hemophor HasA (auch HasAp genannt) Häm von Wirts-Myoglobin oder –Hämoglobin aufnimmt. Das Projekt zielte dabei auf eine Komplementierung von bekannten Methoden für die Untersuchung solcher Austauschprozesse durch paramagnetische und Kernresonanz-Methoden, d.h. durch EPR- und Mössbauer-Spektroskopie. Darüber hinaus wurden während der Laufzeit die native ESI-MS und die Cyclovoltammetrie in einem Proteinlösungstropfen als weitere Untersuchungsmethoden etabliert. Für eine aussagekräftige Anwendung dieser Methoden war es notwendig, kleine Häm-Analoga aus der Corrol- und Isocorrol-Serie mit stark veränderter elektronischer Struktur am Metallatom (Spin- und Redoxzustand) zu entwickeln, darzustellen und anstelle der Hämgruppe als lokale Sonden in den Häm-Proteinen zu binden. Zudem wurde für die Mössbauer-Spektroskopie mit 57Fe-angereicherten Porphyrinoiden gearbeitet, da nur so detaillierte Informationen über Redox-, Spin- und Bindungszustand der nichtnatürlichen Porphyrinoide im Protein zu erhalten waren. Die Untersuchungen wiesen im Falle des Eisencorrols eine unerwartete Redoxaktivität der Cofaktor-ausgetauschten PhuS und HasA nach, die zur Bildung oxygenierter Formen führt. Während sich diese Reaktivität im Falle von PhuS als wenig selektiv und störend erwies und die Untersuchung des Austauschprozesses auf dem angestrebten Wege stark erschwerte konnte für HasA die Bildung einer proteingebundenen einfach oxygenierten Eisencorrol-Form detektiert werden. Erste proteinkristallographische Befunde bestätigen den Verdacht und legen zudem nahe, dass hier ein hochselektiver Prozess vorliegt, der möglicherweise autokatalytisch von einem zweiten Äquivalent Eisencorrol eingeleitet wird. Weitere Untersuchungen stehen derzeit noch aus. Die Methode des Cofaktor-Austausch sowie die neu etablierten spektroskopischen, spektrometrischen und electrochemischen Methoden wurden in Kooperation auf weitere PROTRAIN-Projekte angewandt. Dies sind im Einzelnen das Häm-bindende Protein HemW aus Escherichia coli (mit TP4), die Dehydrogenase NirN aus Pseudomonas aeruginosa (mit TP5), und die Häm-bindende CcR Domäne der Nitritreduktase von Neurospora crassa (TP1). Diese Systeme beeinhalten unterschiedlich hohe experimentelle Schwierigkeiten, so dass die Anwendbarkeit und Reichweite der neuen Methoden hier gut überprüft werden konnten.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• NirN Protein from Pseudomonas aeruginosa is a Novel Electron-bifurcating Dehydrogenase Catalyzing the Last Step of Heme d1 Biosynthesis. J. Biol. Chem. 289, 30753-30762 (2014)
  Adamczack, J.; Hoffmann, M.; Papke, U.; Haufschildt, K.; Nicke, T.; Bröring, M.; Sezer, M.; Weimar, R.; Kuhlmann, U.; Hildebrandt, P. and Layer, G.
  
• Cofaktoraustausch als Methode zum Studium von Hämproteinen. GIT Fachz. Lab. 9, 41-43 (2015); GIT Lab. J. 11-12, 25-26 (2015)
  Hoffmann, M.; Kleeberg, K. and Bröring, M.
  
• Template Synthesis of Alkyl-Substituted Metal Isocorroles. Eur. J. Inorg. Chem. 19: 3076-3085 (2016)
  Hoffmann, M.; Cordes, B.; Kleeberg, C.; Schweyen, P.; Wolfram, B. and Bröring, M.