TusA ist ein vielseitiges Protein, das die Mobilisierung von Schwefel mit der Eisenhomeostase und der Translationseffizienz von Proteinen in Escherichia coli verbindet

• Antragstellerin: Professorin Dr. Silke Leimkühler
• Fachliche Zuordnung: Biochemie
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 262101759

• Erstellungsjahr: 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Eisen ist für viele biologische Prozesse wichtig, darunter der TCA-Zyklus, die DNA-Biosynthese, die Stickstofffixierung, der Elektronentransport und die Atmung. Aufgrund seiner Unverzichtbarkeit und hohen Reaktivität muss die intrazelluläre Eisenkonzentration von der Zelle streng kontrolliert werden. In Escherichia coli ist der Eisenaufnahme-Regulator (Fur) hauptsächlich für die Feinabstimmung der Eisenhomöostase verantwortlich. Diese Studie zeigt, dass die Deletion des tusA-Gens die Translation des Fur-Proteins reduziert und verzögert, da die spezifische tRNA-Thiolierung fehlt. Dies führt zu einer Akkumulation von Eisen in der Zelle und bewirkt zusammen mit einer komplexen Fehlregulierung von Transkriptionsfaktoren, kleinen RNAs und Modulatoren (wie FNR, cAMP-CRP, ErpA, RyhB, FnrS, IscR, CyaY) eine Verringerung der durch die ISC- und SUF-Systeme gebildeten Fe-S-Cluster. Das ISC- und das SUF-System sind die beiden wichtigsten Proteinkomplexe zur Bildung von Fe-S-Clustern in E. coli. Beide Systeme mobilisieren den Schwefel durch L-Cystein-Desulfurasen, IscS bzw. SufS. Während sich das SUF-System auf die Produktion von Fe-S-Clustern beschränkt, die hauptsächlich unter oxidativem Stress und Eisen-limitierenden Bedingungen gebildet werden, ist das ISC-System für die Mobilisierung von Schwefel in verschiedenen essenziellen Synthesewegen unter normalen oder eisenreichen Bedingungen verantwortlich. Die L-Cystein-Desulfurase IscS spielt eine zentrale Rolle als Schwefeldonor für die Biosynthese zahlreicher schwefelhaltiger Biomoleküle durch Interaktionen mit mehreren Partnerproteinen, die an unterschiedlichen Stellen binden. Neben TusA interagieren IscU, CyaY, Fdx und IscX mit iscS für die Assemblierung von Eisen-Schwefel-Clustern (Fe-S) oder ThiI, dass für die Biosynthese von Thiamin und die tRNA-Modifikation s4U8 verantwortlich ist. Frühere Studien vermuteten, dass IscS jeweils nur einen Schwefelakzeptor gleichzeitig binden kann. Die Präferenz von IscS für einen bestimmten Interaktionspartner sollte demnach die Richtung des Schwefeltransfers bestimmen. Egebnisse unserer Arbeiten zeigen allerdings, dass TusA unter bestimmten Bedingungen in der Lage ist, IscU teilweise von seiner Bindung mit IscS zu verdrängen und Heterokomplexe mit IscS und IscU zu bilden. In diesem Komplex beeinträchtigt TusA die L-Cystein-Desulfurase-Aktivität von IscS und lenkt den Schwefelfluss eher in Richtung Moco-Biosynthese und tRNA-Thiolierung als in Richtung der Fe-S Cluster-Bildung. Außerdem kann TusA CyaY vollständig aus seinem Komplex mit IscS verdrängen. CyaY ist das Frataxin-Homolog von E. coli, und seine negative modulierende Wirkung auf die Bildung von Fe-S-Clustern durch das ISC-System wurde eingehend untersucht. In unseren Arbeiten wurde die Möglichkeit untersucht, dass das verdrängte CyaY mit der zweiten L-Cystein-Desulfurase SufS interagieren könnte. Die Ergebnisse zeigen, dass CyaY in der Lage ist, mit SufS zu interagieren, sowohl allein als auch im Komplex mit SufE, und dessen Aktivität in vitro dabei drastisch reduziert wird. Die Überexpression von CyaY in vivo hat zur Folge, dass die L-Cystein-Desulfurase-Aktivität sowohl von IscS als auch von SufS unter verschiedenen Wachstumsbedingungen reduziert wird.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• The functional diversity of the prokaryotic sulfur carrier protein TusA. Advances in Microbial Physiology, 233-277.
  Tanabe, Tomohisa Sebastian; Leimkühler, Silke & Dahl, Christiane
  
• TusA Is a Versatile Protein That Links Translation Efficiency to Cell Division in Escherichia coli. Journal of Bacteriology, 203(7).
  Yildiz, Tugba & Leimkühler, Silke
  
• Eprenetapopt triggers ferroptosis, inhibits NFS1 cysteine desulfurase, and synergizes with serine and glycine dietary restriction. Science Advances, 8(37).
  Fujihara, Kenji M.; Zhang, Bonnie Z.; Jackson, Thomas D.; Ogunkola, Moses O.; Nijagal, Brunda; Milne, Julia V.; Sallman, David A.; Ang, Ching-Seng; Nikolic, Iva; Kearney, Conor J.; Hogg, Simon J.; Cabalag, Carlos S.; Sutton, Vivien R.; Watt, Sally; Fujihara, Asuka T.; Trapani, Joseph A.; Simpson, Kaylene J.; Stojanovski, Diana; Leimkühler, Silke ... & Clemons, Nicholas J.
  
• Sulfur transferases in the pathways of molybdenum cofactor biosynthesis and tRNA thiolation in humans. Sulfurtransferases, 207-236.
  Leimkühler, Silke & Ogunkola, Moses Olalekan
  
• The Human Mercaptopyruvate Sulfurtransferase TUM1 Is Involved in Moco Biosynthesis, Cytosolic tRNA Thiolation and Cellular Bioenergetics in Human Embryonic Kidney Cells. Biomolecules, 13(1), 144.
  Ogunkola, Moses Olalekan; Guiraudie-Capraz, Gaelle; Feron, Francois & Leimkühler, Silke
  
• Binding of IscU and TusA to different but competing sites of IscS influences the activity of IscS and directs sulfur to the respective biomolecular synthesis pathway. Microbiology Spectrum, 12(8).
  Olivieri, Paolo; Klabes, Moritz; Crack, Jason C.; Lehmann, Angelika; Bennett, Sophie P.; Le Brun, Nick E. & Leimkühler, Silke
  
• Shared functions of Fe-S cluster assembly and Moco biosynthesis. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Molecular Cell Research, 1871(5), 119731.
  Hasnat, Muhammad Abrar & Leimkühler, Silke
  
• TusA influences Fe-S cluster assembly and iron homeostasis in E. coli by reducing the translation efficiency of Fur. Microbiology Spectrum, 12(8).
  Olivieri, Paolo; Zupok, Arkadiuz; Yildiz, Tugba; Oltmanns, Jonathan; Lehmann, Angelika; Sokolowska, Ewelina; Skirycz, Aleksandra; Schünemann, Volker & Leimkühler, Silke