Structures and mechanisms of enzymes involved in bacterial chlorophyll biosynthesis
Final Report Abstract
Chlorophylle und Bakteriochlorophylle sind von grundlegender Bedeutung für die globale Energiekonservierung. In Bakterien und Pflanzen fungieren diese Pigmente als essentielle Bestandteile des Fotosyntheseapparates, welcher die Umwandlung von Lichtenergie in chemische Energie bewerkstelligt. Im Rahmen des Forschungsprojektes wurden die folgenden Enzyme der (Bacterio)chlorophyl-Biosynthese analysiert: Die O2-unabhängige Mg Protoporphyrin IX Monomethylester Cyclase (BchE) ist essentiell für die Synthese des fünften Ringsystems der Bakteriochlorophylle. Im Rahmen dieses Teilprojekts konnte eine neuartige Enzymkatalyse unter Beteiligung der Kofaktoren Vitamin B12 (Adenosylkobalamin) und S-Adenosylmethionin beschrieben werden. Die Reaktion des BchE basiert auf einem ungewöhnlichen radikalischen (radical SAM) Enzymmechanismus. Die lichtunabhängige Protochlorophyllid Oxidoreduktase (DPOR) katalysiert die Reduktion des konjugierten Ringsystems des Protochlorophyllids. Durch die Kombination von biochemischen und strukturbiologischen Arbeiten konnte ein Nitrogenase-ähnlicher Reaktionsmechanismus aufgeklärt werden. Unter Beteiligung von zwei unterschiedlichen Eisen-Schwefel-Zentren wird eine Zwei-Elektronenübertragung durch die Hydrolyse von ATP-Molekülen angetrieben. Das Enzym besteht aus einer Reduktase-Einheit und einer katalytischen Einheit, welche im Rahmen einer transienten Protein-Protein Interaktion den Elektronentransfer bewerkstelligen. Dieser Prozess wird durch Nukleotid-abhängige Konformationsänderungen der Reduktase-Einheit induziert. Die Ergebnisse dieses Teilprojekts sind auch von Bedeutung für das Verständnis der Nitrogenase. Die Chlorophyllid Oxidoreduktase katalysiert die Bildung von Bakteriochlorophyllid. Es handelt sich auch hier um ein Nitrogenase-ähnliches Metalloenzym, welches eine geänderte Substratspezifität im Vergleich zur DPOR besitzt. Es wurde ein analoger Reaktionsmechanismus mit Hilfe von biochemischen und spektroskopischen Methoden nachgewiesen. Hierbei ergaben sich jedoch wichtige Unterschiede bezüglich der Ligandierung eines Eisen-Schwefel-Zentrums. Die beiden Enzyme 3-Vinyl Bakteriochlorophyllid Hydratase (BchF) und 3-Hydroxyethyl Bakteriochlorophyllid Dehydrogenase (BchC) katalysieren die vorletzten Schritte im Rahmen der Bakteriochlorophyll-Biosynthese. Es konnte gezeigt werden, dass das BchF als integrales Membranprotein vorliegt und dass das BchC eine unerwartete metallunabhängige Katalyse ermöglicht. Aufgrund von Untersuchungen zur Substratspezifität der beiden Enzyme konnte eine neue biosynthetische Abfolge von Reaktionsschritten für die Bildung des Bakteriochlorophylls beschrieben werden. Durch die Kombination von biochemischen, spektroskopischen und strukturbiologischen Methoden wurde ein „molekulares Verständnis“ der zentralen Enzyme der Bakteriochlorophyll-Biosynthese erlangt. Hierbei wurden neuartige Reaktionsmechanismen beschrieben, welche von grundlegender Bedeutung für das Verständnis von komplexen enzymkatalysierten Reaktionen sind.
Publications
- (2008). ATP-driven reduction by dark-operative protochlorophyllide oxidoreductase from Chlorobium tepidum mechanistically resembles nitrogenase catalysis. J Biol Chem 283, 10559-67
Bröcker, M. J., Virus, S., Ganskow, S., Heathcote, P., Heinz, D. W., Schubert, W. D., Jahn, D., and Moser, J.
(See online at https://doi.org/10.1074/jbc.M708010200) - (2008). Substrate recognition of nitrogenaselike dark operative protochlorophyllide oxidoreductase from Prochlorococcus marinus. J Biol Chem 283, 29873-81
Bröcker, M. J., Wätzlich, D., Uliczka, F., Virus, S., Saggu, M., Lendzian, F., Scheer, H., Rüdiger, W., Moser, J. and Jahn, D.
(See online at https://doi.org/10.1074/jbc.M805206200) - (2009). Chimeric nitrogenase-like enzymes of (bacterio)chlorophyll biosynthesis. J Biol Chem 284, 15530-40
Wätzlich, D., Bröcker, M. J., Uliczka, F., Ribbe, M., Virus, S., Jahn, D. and Moser, J.
(See online at https://doi.org/10.1074/jbc.M901331200) - (2010). Biosynthesis of (bacterio)chlorophylls: ATP-dependent transient subunit interaction and electron transfer of dark operative protochlorophyllide oxidoreductase. J Biol Chem 285, 8268-77
Bröcker, M. J., Wätzlich, D., Saggu, M., Lendzian, F., Moser, J. and Jahn, D.
(See online at https://doi.org/10.1074/jbc.M109.087874) - (2010). Crystal structure of the nitrogenase-like dark operative protochlorophyllide oxidoreductase catalytic complex (ChlN/ChlB)2. J Biol Chem 285, 27336-45
Bröcker, M. J., Schomburg, S., Heinz, D. W., Jahn, D., Schubert, W. D. and Moser, J.
(See online at https://doi.org/10.1074/jbc.M110.126698) - (2011). Enzymatic systems with homology to nitrogenase. Methods Mol Biol. 766, 67-77
Moser, J., Bröcker, M. J.
(See online at https://doi.org/10.1007/978-1-61779-194-9_5) - (2011). Methods for nitrogenase-like dark operative protochlorophyllide oxidoreductase. Methods Mol Biol. 766, 129-43
Moser, J., Bröcker, M. J.
(See online at https://doi.org/10.1007/978-1-61779-194-9_9) - (2013). Structure of ADP-aluminium fluoride-stabilized protochlorophyllide oxidoreductase complex. Proc Natl Acad Sci U S A 110, 2094- 2098
Moser, J., Lange, C., Krausze, J., Rebelein, J., Schubert, W. D., Ribbe, M. W., Heinz, D. W. and Jahn, D.
(See online at https://doi.org/10.1073/pnas.1218303110) - (2015). Broadened substrate specificity of 3-hydroxyethyl bacteriochlorophyllide a dehydrogenase (BchC) indicates a new route for the biosynthesis of bacteriochlorophyll a. J Biol Chem 290, 19697-09
Lange, C., Kiesel, S., Peters, S., Virus, S., Scheer, H., Jahn, D. and Moser, J.
(See online at https://doi.org/10.1074/jbc.M115.660555) - (2015). Iron-sulfur cluster-dependent catalysis of chlorophyllide a oxidoreductase from Roseobacter denitrificans. J Biol Chem 290, 1141-1154
Kiesel, S., Wätzlich, D., Lange, C., Reijerse, E., Bröcker, M. J., Rüdiger, W., Lubitz, W., Scheer, H., Moser, J. and Jahn, D.
(See online at https://doi.org/10.1074/jbc.M114.617761) - (2017). Reduction of chemically stable multibonds: Nitrogenase-like biosynthesis of tetrapyrroles. Adv Exp Med Biol 925, 147-161
Layer, G., Krausze, J. and Moser, J.
(See online at https://doi.org/10.1007/5584_2016_175) - (2019). Enzymatic systems with homology to nitrogenase: Biosynthesis of bacteriochlorophyll and coenzyme F430. Methods Mol Biol 1876, 25- 35
Moser, J. and Layer, G.
(See online at https://doi.org/10.1007/978-1-4939-8864-8_2) - (2019). Expression, purification, and activity analysis of chlorophyllide oxidoreductase and Ni(2+)- sirohydrochlorin a,c-diamide reductase. Methods Mol Biol 1876, 125-140
Moser, J., Jasper, J., Ramos, J. V., Sowa, S. T. and Layer, G.
(See online at https://doi.org/10.1007/978-1-4939-8864-8_8) - (2020). Chimeric Interaction of nitrogenase-like reductases with the MoFe protein of nitrogenase. ChemBioChem 21,1733-1741
Jasper, J., Vazquez Ramos, J., Trncik, C., Jahn, D., Einsle, O., Layer, G. and Moser, J.
(See online at https://doi.org/10.1002/cbic.201900759) - (2021). Mg-protoporphyrin IX monomethyl ester cyclase from Rhodobacter capsulatus: Radical SAM-dependent synthesis of the isocyclic ring of bacteriochlorophylls. Biochem. J., 47, 4635-4654
Wiesselmann, M., Hebecker, S., Borrero-de Acuña, J., Nimtz, M., Bollivar, D., Jänsch, L., Moser, J. and Jahn, D.
(See online at https://doi.org/10.1042/BCJ20200761)
