Sources and biological significance for the promiscuity of modern enzymes from histidine biosynthesis
Bioinformatics and Theoretical Biology
Final Report Abstract
Das Ziel des Projektes war ein besseres Verständnis der Evolution der Phospatasen SerB und HisB sowie der Transaminasen SerC und HisC. Diese Enzympaare katalysieren jeweils analoge Schritte in der Biosynthese von Serin bzw. Histidin und zeichnen sich durch ähnliche Strukturen und Reaktionsmechanismen aus. Im ersten Teilprojekt konnte die promiskuitive SerB-Aktivität von HisB durch semi-rationales Proteindesign ca. 90-fach im Vergleich zum wildtypischen Enzym gesteigert und durch eine vergleichbare Strategie nachweisbare promiskuitive HisB-Aktivität auf dem Proteingerüst von SerB etabliert werden. Diese Befunde stärken die Annahme, dass SerB und HisB evolutionär verwandt sind. Die Verstärkung der vorhandenen bzw. die Etablierung neuer promiskuitiver Aktivität gelang stets nur zu Lasten der jeweiligen nativen Aktivität. Dies spricht gegen eine physiologische Rolle dieser Zweitaktivitäten und legt eher die Vermutung nahe, dass es sich um mechanistisch unvermeidliche Nebenreaktionen handelt. Analoge Experimente mit SerC und HisC mussten eingestellt werde, da es nicht gelang, einen funktionellen Assay für SerC zu etablieren. Im Anschluss durchgeführte phylogenetische Analysen und neuere Daten aus der Literatur legten die Schlussfolgerung nahe, dass entgegen unserer ursprünglichen Hypothese HisB aus γ-Proteobakterien nicht aus SerB entstanden ist, sondern aus -Glycero-D-mannoheptose 1,7-bisphosphat -7-phosphatase (GmhB). Die Charakterisierung von mittels anzestraler Sequenzrekonstruktion „auferweckten“ Vorläuferproteinen von HisB und GmhB lieferte klare Hinweise dafür, dass GmhB tatsächlich als der Vorläufer von HisB angesehen werden muss. Konkret fanden wir eine Reihe von Indizien dafür, dass ein GmhB Enzym mit latenter promiskuitiver HisB Funktion von einem phylogenetisch weiter entfernten Bakterium auf ein urtümliches γ-Proteobakterium via horizontalem Gentransfer übertragen wurde. Das skizzierte Szenario der Evolution von HisB aus GmhB hätte vermuten lassen, dass rezente GmhB Proteine aus Spezies ohne bekanntes HisB hohe promiskuitive HisB-Aktivität aufweisen, d.h. bifunktional sind. Dies war jedoch nicht der Fall. Die Ursache dafür konnten wir klären, indem wir einen bisher nicht zuverlässig annotierten offenen Leserahmen als neuartige Histidinolphosphatase identifizieren konnten, die vermutlich aus SerB entstanden ist. Unsere bioinformatischen Untersuchungen zeigten schließlich, dass das metabolische Netz von α-, β-, und γ-Proteobakterien durch die mögliche Neofunktionalisierung von Enzymen besonders robust ist im Vergleich zu anderen bakteriellen Klassen. Das bedeutet, dass die α-, β-, und γ-Proteobakterien den Verlust eines Gens besonders oft durch die Integration eines homologen Enzymes in den Stoffwechsel kompensieren konnten. Das hat vermutlich die Voraussetzungen dafür geschaffen, dass in den Vorläufern von E. coli und von P. aeuruginosa jeweils unterschiedliche Enzyme aus der HAD Superfamilie als Histidinolphosphat Phosphatase akquiriert werden konnten.
Publications
- (2019). Library selection with a randomized repertoire of (βα)8-barrel enzymes results in unexpected induction of gene expression. Biochemistry 58, 4207-4217
Rohweder, B., Lehmann, G., Eichner, N., Polen, T., Rajendran, C., Ruperti, F., Linde, M., Treiber, T., Jung, O., Dettmer, K., Meister, G., Bott, M., Gronwald, W. & Sterner, R.
(See online at https://doi.org/10.1021/acs.biochem.9b00579)
