Biochemical and structural studies on metal sensing and acquisition in Bacillus subtilis
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen dieses DFG-Antrages wurde versucht die intrazelluläre Eisen- und Kupferhomöostase von Bacillus subtilis besser zu verstehen und in vivo sowie in vitro zu charakterisieren. Zu Beginn des Projektes war die intrazelluläre Homöostase nur lückenhaft bekannt. Im Rahmen dieses Antrages konnte das Siderophorbindeprotein FeuA, das an der Aufnahme des Eisenbeladenen Siderophores Bacillibactin beteiligt ist, strukturell charakterisiert werden und die Art der Bacillibactinbinding definiert werden. Es konnte eine basische Triade identifiziert werden, die für die Bindung von Bacillibactin und dem verwandten Siderophor Enterobactin verantwortlich ist. Nach der Aufnahme wird das Eisen durch die Bacillibactinesterase BesA freigesetzt, von wo es durch das neu identifizierte Protein Frataxin aufgenommen wird, welches als intrazellulärer Transporter fungiert. Das an Frataxin gebundene Eisen kann anschließend an weitere Stationen der intrazellulären Eisenhomöostase weitertransportiert werden, wie der Eisen-Schwefel-Cluster Biosynthese. Für diesen Zweck besitzt Bacillus subtilis im gegensatz zu den meisten anderen Bakterien lediglich ein System, ein Suf-System, bei dem SufU als Scaffold-Protein fungiert auf dem ein [4Fe- 4S]-Cluster assembliert wird. Eisen wird hierfür von Frataxin geliefert, wohingegen Sulfid durch die Cysteindesulfurase SufS bereitgestellt wird. Der auf SufU gebundene Cluster kann anschließend auf apo-Fe/S-Proteine wie Aconitase übertragen werden. Neben Eisen wurde auch die Kupferhomöostase weiter untersucht. Vor Beginn des Projektes waren in Bacillus subtilis lediglich das CopZA Kupfer-Effluxsystem und dessen Regulator CsoR bekannt. Hier konnten nun durch die Analyse von Microarraydaten zusätzlich das Kupferaufnahmesystem YcnJ mit seinem Regulator YcnK identifiziert und in vivo charakterisiert werden. Zusätzlich konnte festgestellt werden, dass der Regulator CsoR auch in geringem Maße an der Regulation von YcnJ beteiligt ist. Zusätzlich wurde festgestellt, dass unter Kupferstress auch die Eisenhomöostase beeinträchtigt ist und zentrale Komponenten, wie das Suf-System unter Kupferstress verstärkt exprimiert werden. Als Ursache konnte eine Beeinträchtigung der Eisen- Schwefel-Cluster Biosynthese durch Kupfer festgestellt werden, welche durch höhere Kupferkonzentrationen gehemmt wird.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- (2008) The major facilitator superfamily-type transporter YmfE and the multidrug-efflux activator Mta mediate bacillibaction secretion in Bacillus subtilis. J. Bacteriol. 190: 5143-5152
Miethke, M., Schmidt, S. and Marahiel, M. A.
- (2009) Copper acquisition is mediated by YcnJ and regulated by YcnK and CsoR in Bacillus subtilis. J. Bacteriol. 191: 2362-2370
Chillappagari, S., Miethke, M., Trip, H., Kuipers, O.P. and Marahiel, M.
- (2009) Structural basis and stereochemistry of triscatecholate siderophore binding by FeuA. Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 48: 7924-7927
Peuckert, F., Miethke, M., Albrecht, A.G., Essen, L.-O. and Marahiel, M.A.
- (2010) Copper stress affects iron homeostasis by destabilizing iron-sulfur cluster formation in Bacillus subtilis. J. Bacteriol. 192: 2512-2524
Chillappagari, S., Seubert, A., Trip, H., Kuipers, O.P., Marahiel, M.A. and Miethke, M.
- (2010) Direct identification of a siderophore import protein using synthetic petrobactin ligands. Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 49, 10210-10213
Bugdahn, N., Peuckert, F., Albrecht, A.G., Miethke, M., Marahiel, M.A. and Oberthür, M.
- (2010), SufU is an essential iron-sulfur cluster scaffold protein in Bacillus subtilis. J. Bacteriol., 192, 1643-1651
Albrecht A.G., Netz D.J., Miethke M., Pierik A.J., Burghaus O., Peuckert F., Lill R., Marahiel M.A.
- (2011) Mechanistic characterization of sulfur transfer from cysteine desulfurase SufS to the iron-sulfur scaffold SufU in Bacillus subtilis. FEBS Lett. 585, 465-470
Albrecht, A.G., Peuckert, F., Landmann, H., Miethke, M., Seubert, A. and Marahiel, M. A.
- (2011) The frataxin homologue fra plays a key role in intracellular iron channeling in Bacilus subtilis. ChemBioChem 12, 2052-2061
Albrecht, A.G., Landmann, H., Nette, D., Burghaus, O., Peuckert, F., Seubert, A., Miethke, M. and Marahiel, M.A.
- (2011) The siderophore binding protein FeuA shows limited promiscuity toward exogenous triscatecholates. Chem. & Biol. 18, 907-919
Peuckert, F., Ramos-Vega, A.L. Miethke, M., Schwörer, C.J., Albrecht, A.G., Oberthür, M. and Marahiel, M.A.
