Metall-Reservoire und intrazelluläre Verteilung: Charakterisierung dreier Chaperone aus Cupriavidus metallidurans, die zur Zink-Homöostase beitragen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die zweiwertigen Zink-Ionen sind essentiell für alle Lebensformen. Dieses Projekt untersuchte die Zinkhomöostase im metallresistenten Modellorganismus Cupriavidus metallidurans Stamm CH34, der zu den Bea-Proteobakterien gehört. Das Bakterium ist in der Lage, seine Zinkhomöostase von nM bis mM Zn(II)-Konzentrationen im Wachstumsmedium und in Gegenwart hoher Konzentrationen anderer Metallkationen aufrecht zu halten. Im Mittelpunkt dieser Fähigkeit steht ein Fließgleichgewicht aus Metall-Aufnahme- und Efflux-Prozessen, welches die zytoplasmatischen Konzentrationen von Zink und anderen Metallen justiert. Während der Metallimport durch verschiedene Aufnahmesysteme mit breiter Substratspezifität vermittelt wird, können die Efflux-Systeme einem oder zwei Ionen zugeordnet werden. Metallbindende Komponenten des Zytoplasmas interagierten mit diesen Transportprozessen. Zwei metallbindende GTPasen (CobW2, CobW3) waren die Regisseure dieser Prozesse. Während Pulse- Chase-Experimente die Wechselwirkung von C. metallidurans mit Zn(II) im Bereich von bis zu 40 Minuten untersuchten, bestimmten transkriptomische und proteomische Messungen diese Vorgänge in den ersten Minuten bzw. wenigen Stunden. Bei sehr niedrigen Zinkkonzentrationen können Zink- teilweise durch Kobalt-Ionen ersetzt werden. Co(II) kann beispielsweise eine GTP-Cyclohydrolase aktivieren, die die Folat Biosynthese initiiert. Der Zink-Importer ZupT, die beiden GTPasen und das Co(II)-Efflux-System DmeF kontrollieren diesen Schnittpunkt der Co(II)- und Zn(II)-Homöostase. Die entsprechenden Gene stehen unter der Kontrolle des Zinkaufnahmeregulators Zur aus der Fur-Familie. Mit steigender Zinkverfügbarkeit wird Co(II) nicht mehr als Zink-Ersatz verwendet. Das Efflux-System ZntA interagiert mit den Zink-Aufnahmesystemen, um das Fließgleichgewicht zu bilden. ZntA steht unter der Kontrolle des MerR-Regulators ZntR und ist auch ein Cadmium-Efflux-System. Wenn die Cd(II)-Konzentration zu hoch wird, um einen effizienten Export durch ZntA zu ermöglichen, wird ZntA durch das Efflux-System CadA unterstützt. Wenn andererseits die Zn(II)-Konzentration zu hoch wird, hilft das Efflux-System CdfX. Das Überleben bei noch höheren Zinkkonzentrationen wird durch den Transenvelope-Efflux-Komplex CzcCBA ermöglicht, der Zn(II), Cd(II) und Co(II) aus dem Periplasma nach außen exportiert. Die Aktivität von CzcCBA wird durch zusätzliche Efflux-Systeme der inneren Membran, CzcD und CzcP, sowie periplasmatische Komponenten unterstützt. Insgesamt liefern unsere Studien einen tiefen Einblick in die vernetzte Homöostase mehrerer Metalle in einem metallresistenten Bakterium bei verschiedenen Metallkonzentrationen. Dieses Wissen kann genutzt werden, um ähnliche Prozesse in anderen Bakterien mit einer einfacheren Ausstattung an Genen, die an der Metallhomöostase beteiligt sind, zu verstehen, einschließlich pathogener Arten.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Behind the Shield of Czc: ZntR Controls Expression of the Gene for the Zinc-Exporting P-Type ATPase ZntA inCupriavidus metallidurans. Journal of Bacteriology, 203(11).
Schulz, Vladislava; Schmidt-Vogler, Christopher; Strohmeyer, Phillip; Weber, Stefanie; Kleemann, Daniel; Nies, Dietrich H. & Herzberg, Martin
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Chemical Constraints for Transition Metal Cation Allocation. Advances in Environmental Microbiology, 21-52. Springer International Publishing.
Nies, Dietrich H.
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How is a Zinc Ion Correctly Allocated to a Zinc-dependent Protein?. Advances in Environmental Microbiology, 579-660. Springer International Publishing.
Nies, Dietrich H.
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Importance of RpoD- and Non-RpoD-Dependent Expression of Horizontally Acquired Genes in Cupriavidus metallidurans. Microbiology Spectrum, 10(2).
Große, Cornelia; Grau, Jan; Große, Ivo & Nies, Dietrich H.
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Loss of Mobile Genomic Islands in Metal-Resistant, Hydrogen-Oxidizing Cupriavidus metallidurans. Applied and Environmental Microbiology, 88(4).
Große, Cornelia; Kohl, Thomas A.; Niemann, Stefan; Herzberg, Martin & Nies, Dietrich H.
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Interplay between Two-Component Regulatory Systems Is Involved in Control of Cupriavidus metallidurans Metal Resistance Genes. Journal of Bacteriology, 205(4).
Große, Cornelia; Scherer, Judith; Schleuder, Grit & Nies, Dietrich H.
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A flow equilibrium of zinc in cells of Cupriavidus metallidurans. Journal of Bacteriology, 206(5).
Nies, Dietrich H.; Schleuder, Grit; Galea, Diana & Herzberg, Martin
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Antisense transcription is associated with expression of metal resistance determinants in Cupriavidus metallidurans CH34. Metallomics, 16(12).
Große, Cornelia; Grau, Jan; Herzberg, Martin & Nies, Dietrich H.
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Linking the transcriptome to physiology: response of the proteome of Cupriavidus metallidurans to changing metal availability. Metallomics, 16(12).
Galea, Diana; Herzberg, Martin; Dobritzsch, Dirk; Fuszard, Matt & Nies, Dietrich H.
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Protecting the Achilles heel: three FolE_I-type GTP-cyclohydrolases needed for full growth of metal-resistant Cupriavidus metallidurans under a variety of conditions. Journal of Bacteriology, 206(2).
Schulz, Vladislava; Galea, Diana; Herzberg, Martin & Nies, Dietrich H.
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The efflux system CdfX exports zinc that cannot be transported by ZntA in Cupriavidus metallidurans. Journal of Bacteriology, 206(11).
Schulz, Vladislava; Galea, Diana; Schleuder, Grit; Strohmeyer, Philipp; Große, Cornelia; Herzberg, Martin & Nies, Dietrich H.
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The metal-binding GTPases CobW2 and CobW3 are at the crossroads of zinc and cobalt homeostasis in Cupriavidus metallidurans. Journal of Bacteriology, 206(8).
Galea, Diana; Herzberg, Martin & Nies, Dietrich H.
