Nickel-Superoxiddismutasen Von Schwermetallresistenten Streptomyceten
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Nickel-Superoxiddismutasen von schwermetallresistenten Streptomyceten Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades doctor rerum naturalium (Dr. rer. nat.) vorgelegt dem Rat der Biologisch-Pharmazeutischen Fakultät der Friedrich-Schiller- Universität Jena von Dipl. Biol. Astrid Schmidt geboren am 8. Juli 1977 in Suhl/ Thüringen Datum der Verteidigung: 28.03.2011 Gutachter: 1. Prof. Dr. Erika Kothe 2. Prof. Dr. Gabriele Diekert 3. Prof. Dr. ames Weston Inhalt Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung 3 1.1 Streptomyceten: Lebensweise und Vorkommen 3 1.2 Superoxid- ismutasen 4 1.3 Eisen-Zink-Superoxid- ismutase 6 1.4 Nickel-Superoxid- ismutase 7 1.5 Regulation der Superoxid- ismutasen-Synthese 8 1.6 Nickel und NiSO -,ro-essierung 11 1.7 Ziel der .rbeit 13 2. bersicht zu den Manuskripten 14 3. Manuskripte 17 3.1 Superoxide dismutases of hea0y metal resistant Streptomycetes 17 3.2 1ea0y metal resistance in actinobacteria of the former uranium mining area near 18 Ronneburg 3.3 1ea0y metal resistance to the extreme: Streptomyces strains from a former 12 uranium mining area 3.4 In silico analysis of nickel containing superoxide dismutase e0olution and 20 regulation 3.5 Screening for potential metallothioneins and metallohistins in actinobacteria 21 3.6 Streptomycete hea0y metal resistance: Extracellular and intracellular mechanisms 22 4. Diskussion 23 4.1 Schwermetallresisten- 23 4.2 Rolle der E13-SO in schwermetallhaltiger 4mgebung 24 4.3 Regulation der SO -5enexpression 25 4.4 Identifi-ierung neuer regulatorischer Elemente 27 4.5 Vorkommen 0erschiedener SO kodierender 5ene 22 4.6 Verbreitung und E0olution sodN 31 4.7 Struktur der NiSO 33 4.8 NiSO -asso-iierte ,roteine 35 4.8.1 ,eptidase Sod6 35 4.8.2 Trans-to-cis-Isomerase 36 4.8.3 Nickelbindeproteine 36 4.8.4 1ochaffine Nickeltransporter 37 4.8.5 .rtspe-ifische ,roteine 38 1 Inhalt 5. Zusammenfassung, .bstract 40 6. Literatur0er-eichnis 42 7. .bk9r-ungs0er-eichnis 55 8. Ver-eichnis der .bbildungen und Tabellen 56 2. Eigenst:ndigkeitserkl:rung 57 10. Tabellarischer Lebenslauf 58 11. anksagung 60 2 Einleitung 1. Einleitung 1.1 Streptomyceten: Lebensweise und Vorkommen Streptomyceten sind Gram positive filamentöse Actinobakterien, deren vegetatives Myzel während der Koloniebildung morphologischer Differenzierung unterliegt (Jakimowicz, 2007, Claessen et al., 2006). In einem komplex regulierten Zellzyklus multizellulärer Art wird unter ungünstigen Wachstumsbedingungen einschließlich extrazellulärer Botenstoffe die Ausbildung von Luftmyzel und die Septierung in Sporenketten ausgelöst. Um sich dafür aus der Oberflächenspannung des Wachstumsmediums zu lösen, werden hydrophobe Proteine ausgeschieden (Flärdh und Buttner, 2009). Eine weitere wichtige Rolle spielen Zellwand- Hydrolasen, die im Vergleic zu anderen weniger polyformen Prokaryoten in gro1er .a l kodiert sind (f/r S. coelicolor 56, Haiser et al. 2008). Geosmin und Met ylisoborneol wird von Actinobakterien, Cyanobakterien und My-obakterien abgegeben, diese Gruppen zeigen neben morp ologisc er Differenzierung auc die 2ildung multizellulrer Komple-e (Komatsu et al., 2008). Die 7unktion dieser volatilen terpenoiden Metabolite ist unbekannt, weist aber auf interzellulre Kommunikation in. einzelne Spore Auskeimung Sporenbildung vegetatives Hyp enwac stum Substratmyzel Ausbildung von Septen im 3uftmyzel Ausbildung von 3uftmyzel Abb. 1: 3ebenszyklus der Streptomyceten (nac $akimowicz et al., 2007) 3 Einleitung Die bodenbewo nenden 2akterien kommen sowo l terrestrisc wie auc marin vor. Aerrestrisc werden Streptomyceten in der R izosp re gefunden, in n rstoffarmen 2den /berdauern sie als Sporen. ,m 3ake Mikata (7ukui, $apan) kommt es saisonal zur 2l/te des to-isc en Cyanobakteriums Microcystis (Bos ida et al., 2005). Der dort aus dem Seeboden isolierte Streptomyces grisovariabilis CA0401 in ibiert selektiv das 0ac stum von Microcystis (Hua et al. 2008). Streptomyces sp. strain Pol001(A) wurde aus dem im Mittelmeer lebenden Sc wamm A-inella polypoides isoliert (Pimentel-Elardo et al., 2008). Andere marine Stmme leben in der R izosp re der Mangrovenwlder (Eiao et al., 2008). Aus der Aiefsee wurden ebenfalls Streptomyceten isoliert, wobei angenommen wird, dass diese Organismen durc terrestrisc e Abrutsc ungen ins Meer gelangten und sic dort an Druck und andere 2edingungen der Aiefsee (in 300-10800m Aiefe) angepasst aben (ColGu oun, 1888). , re Anpassungsf igkeit und Vielfltigkeit ist unter anderem auf den 2esitz von Plasmiden zur/ckzuf/ ren, die zwisc en versc iedenen Stmmen ausgetausc t werden knnen ( orizontaler Aransfer). Auc die Resistenz vieler Streptomyceten gegen/ber Sc wermetallen ist, soweit bis er untersuc t, ufig plasmidkodiert. Me r als 7000 versc iedene Sekundrmetabolite wurden in Streptomyceten bereits gefunden (C ater et al., 2010). Ceben der Aussc eidung substratbindender Proteine und ydrolytisc er Enzyme zum Abbau von C itin und Cellulose, ste en sie in besonderem 7okus bei der Suc e nac weiteren Antibiotika. Amp ipat isc e Proteine f/r die An eftungsf igkeit der Hyp en, Geosmin und Met ylisoborneol und versc iedene Siderop ortypen (Eisenassimilation) werden von den meisten Streptomyceten ausgesc ieden. , re Omnipotenz und die gro1e .a l e-kretierter Sekundrmetabolite beeinflusst i re gesamte benac barte Mikroflora. Ceuere Studien geben Hinweise auf eine atmosp risc e 2eeinflussung durc die Aufna me des indirekt als Areib ausgas wirkenden 0asserstoffmolek/ls. Constant et al. (2008) isolierten einen bodenbewo nenden Streptomyces sp. PC27, der eine o e Affinitt f/r H2 aufweist. Der nickelab ngige Anstieg der H2-Aufna me weist mglic erweise auf die 2eteiligung einer Ci7e-Hydrogenase an dem noc unbekannten Mec anismus in. 1.2 Superoxid-Dismutasen Sauerstoff ist zum einen f/r aerobe Organismen lebensnotwendig, zum anderen knnen durc seine starke O-idationsbereitsc aft leic t oc reaktive Sauerstoffspezies entste en, die wiederum versc iedene .ellbestandteile o-idieren und damit sc digen knnen. Vor - allem Pero-ide (wie H2O2), das Supero-idanion (O2 ) und das am strksten to-isc e Hydro-ylradikal (OH.) spielen dabei eine Rolle. Aerobe Organismen aben dagegen versc iedenste Abwe rmec anismen entwickelt. Ceben der Pigmentierung (z.2. Carotenoide) gibt es me rere Enzyme (Katalasen, Pero-idasen, Supero-id-Dismutasen), die diese 4 Einleitung Sauerstoffarten deto-ifizieren knnen (Madigan et al., 2000). Supero-id-Dismutasen sind strukturell und funktionell verwandte Enzyme, die katalytisc Sauerstoffradikale eliminieren. Sie sind Sc l/sselenzyme zum Sc utz der .ellen vor Sauerstoff-Stress und essentiell f/r aerobe Organismen. Der Came des Enzyms deutet darauf in, das ein Supero-idanion - H o-idiert, das andere gleic zeitig reduziert wird: 2 O2 H 2 H H2O2 H O2. 0asserstoffpero-id wird ansc lie1end durc Katalasen bzw. Pero-idasen eliminiert (7ridovic , 1885). 4ntersc iede weisen die Supero-id-Dismutasen in der 2esetzung i rer Metall-Cofaktoren auf. Ceben Kupfer, Eisen und Mangan wurde Cickel als Cofaktor f/r Supero-id-Dismutasen gefunden (Boun et al., 1886a). An and i rer Eigensc aften werden diese Enzyme in drei Gruppen unterteilt. Die Cu.nSOD ist vor allem im Cytosol der Eukaryoten zu finden. 7/r Prokaryoten wurde das erste Enzym bei P otobacterium leiognat i gefunden, wobei zunc st angenommen wurde, dass das Gen aus dem eukaryotisc en 0irt (Ponyfisc ) stammt (Dunlap und Steinman, 1886). Aber auc frei lebende Prokaryoten besitzen Cu.nSODI periplasmatisc aktiv in gramnegativen Proteobakterien, wie Esc eric ia coli (,mlay und ,mlay, 1886) und R odobacter sp aeroides (K o et al., 2004). Cu.nSOD vom gleic en Ayp werden auc in einigen Cyanobakterien (Synec ococcus CC8311, Dupont et al., 2008b) und me reren Actinobakterien (sodC, Mycobacterium sp., R odococcus sp., Cocardia sp. und Corynebacterium sp.) gefunden, wobei die 3okalisierung dieser SOD in den .ellen noc unklar ist (deklariert als JperiplasmaticK), eventuell knnten sie bei Cyanobakterien in den A ylakoiden wirken. MnSOD und 7eSOD werden aufgrund i rer L nlic keit in einer Gruppe zusammengefasst. Sie finden sic im Cytosol fast aller Prokaryoten, beide knnen auc gemeinsam in einer .elle auftreten. MnSOD kommt /berdies auc in den Mitoc ondrien eukaryotisc er .ellen vor, was durc die Endosymbiontent eorie erklrt wird. Homologien in der AminosureseGuenz deuten auf einen gemeinsamen evolutionren 4rsprung der Mn- und 7eSOD. Die 7e.nSOD der Streptomyceten ist ebenfalls dieser Gruppe zuzuordnen. 7e.nSOD wurden ebenfalls in Met anobacterium bryantii, A ermoplasma acidop ilum und Cocardia asteroides (ent lt 7eMn.nSOD) gefunden. Priya et al. (2007) konnten strukturelle 4ntersc iede zwisc en cyanobakteriellen MnSOD und 7eSOD in der Cofaktorbindung zeigen. Die CiSOD wird aufgrund i rer Differenzen zu anderen SOD-Aypen als eigene Gruppe gese en. Sie wurde in Streptomyceten erstmalig besc rieben (Kim et al., 1886, 1888b) und ist inzwisc en auc f/r andere Organismengruppen bekannt. ,m Allgemeinen liegt die Gr1e der 4nterein eiten bakterieller Supero-id-Dismutasen zwisc en 18-22 kDa, die meist zu Dimeren und seltener zu Aetrameren zusammengesetzt 5 Einleitung sind. 0eitge end unklar ist noc die Spezifitt bei me reren ,soenzymen in einer .elle. So at man f/r E. coli die Abwe r von Supero-idradikalen intrazellulrer bzw. e-terner Herkunft i rer 3okalitt entsprec end den cytoplasmatisc en 7eSOD und MnSOD bzw. der peri- plasmatisc en Cu.nSOD zuordnen knnen. Desweiteren soll die MnSOD effektiver in der Vermeidung vor DCA-Sc den und die 7eSOD wic tiger bei aerobem 0ac stum sein (Kim et al., 1888b). Einige