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Characterization of Mitochondrial ABC Transporter Homologues in Rhodobacter capsulatus

Charakterisierung von Homologen zu mitochondrialen ABC Transportern in Rhodobacter capsulatus

  • ATP-binding cassette (ABC) transporters are present in all kingdoms of life and enable active transport of various different molecules across biological membranes. They all share an overall architecture of two lipophilic transmembrane spanning domains (TMDs) traversing the membrane and two hydrophilic nucleotide binding domains (NBDs) usually lacking sequence identity. The multiplicity in transported molecules is accompanied by extreme diversity in TMDs. Human mitochondria harbor four ABC transporters, namely ABCB6, ABCB7, ABCB8 and ABCB10 with functional homologues in yeast and plants. Except the ones found in Rickettsiae and related bacteria mitochondrial ABC transporters are absent in bacteria. In addition to converting energy mitochondria are important platforms for biosynthesizing various cofactors as iron sulfur clusters, molybdenum cofactor (Moco) or heme. ABCB7 (Atm1 in yeast) has been shown to connect mitochondrial with cytosolic iron sulfur cluster assembly by exporting a yet unknown sulfur containing molecule. In addition,ATP-binding cassette (ABC) transporters are present in all kingdoms of life and enable active transport of various different molecules across biological membranes. They all share an overall architecture of two lipophilic transmembrane spanning domains (TMDs) traversing the membrane and two hydrophilic nucleotide binding domains (NBDs) usually lacking sequence identity. The multiplicity in transported molecules is accompanied by extreme diversity in TMDs. Human mitochondria harbor four ABC transporters, namely ABCB6, ABCB7, ABCB8 and ABCB10 with functional homologues in yeast and plants. Except the ones found in Rickettsiae and related bacteria mitochondrial ABC transporters are absent in bacteria. In addition to converting energy mitochondria are important platforms for biosynthesizing various cofactors as iron sulfur clusters, molybdenum cofactor (Moco) or heme. ABCB7 (Atm1 in yeast) has been shown to connect mitochondrial with cytosolic iron sulfur cluster assembly by exporting a yet unknown sulfur containing molecule. In addition, TMDs of Atm1 display a glutathione binding pocket accessible from the matrix which has been identified in all ABCB7-like transporters and also exists in a bacterial ABC transporter homologue of Atm1 in Novosphingobium aromaticivorans. In addition, ATM3, a plant mitochondrial homologous ABC transporter to human ABCB7, has been associated with biosynthesizing Moco. In this study we used the α-proteobacterium Rhodobacter capsulatus as a model organism to characterize mitochondrial ABC transporter homologues. R. capsulatus contains two homologues to mitochondrial ABC transporters with the corresponding gene loci rcc03139 and rcc02305. They share 38 to 47 % sequence identities to human mitochondrial ABC transporters ABCB8/ABCB10 and ABCB7/ABCB6, respectively. We created interposon mutants lacking either rcc03139 or rcc02305, analyzed the physiological effects on R. capsulatus and compared the findings especially to eukaryotic deletion studies. A viable bacterial double mutant strain lacking both mitochondrial ABC transporters was constructed to investigate possible overlapping functions. Both R. capsulatus single mutants showed a severe accumulation of intracellular reactive oxygen species (ROS) in comparison to ∆nifDK which revealed to be additive in the double mutant. In the proteome of ∆rcc03139I abundancies of tetrapyrrole related proteins were significantly increased in comparison to the proteome of parental strain, which was further validated by reduced amounts of tetrapyrrole intermediates in ∆rcc03139. In contrast, in ∆rcc02305I total glutathione (GSH) was elevated when endogenous GSH biosynthesis was inhibited. In conjunction with proteomic studies we uncovered misbalanced sulfur distribution in ∆rcc02305I. Furthermore, strains lacking Rcc02305 accumulated cyclic pyranopterin monophosphate (cPMP), an intermediate of Moco biosynthesis, as it was already shown for the deletion strain of the eukaryotic counterpart ATM3 in plants. In contrast single mutant strain Δrcc03139I neither accumulated cPMP nor glutathione. Bioinformatic analysis of the amino acid sequence of Rcc02305 revealed a pyridoxal 5´phosphate (PLP) binding site which overlaps with Walker A within the NBDs of Rcc02305 and other ABCB7-like transporters. The PLP cofactor is well studied in C-DES (L-cysteine/cystine lyase from Synechocystis) for persulfide production and in L-cysteine desulfurases such as IscS and NFS1 for its role in formation of protein-bound persulfides. Based on our findings we are able to propose a new modality for the transport of the sulfur containing molecule: first of all, the transporter produces a highly reactive persulfide which is then subsequently trapped by glutathione polysulfide, already bound within the binding pocket in TMDs. Walker A becomes accessible for ATP and after hydrolysis the mixed polysulfide is released. Based on our studies we are convinced that both mitochondrial ABC transporter homologues fulfil distinct roles in R. capsulatus: Rcc02305 is a representative of Atm1/ABCB7-like transporters and important for proper sulfur distribution by exporting persulfides. In contrast Rcc03139 is a representative of ABCB6/ABCB10 related transporters and involved in biosynthesizing tetrapyrroles.show moreshow less
  • ABC-Transporter (ABC abgeleitet von ATP-Binding Cassette) gehören zur Klasse der Transmembran-Proteine und kommen in allen drei Domänen des Lebens vor. Ihr struktureller Aufbau ist dabei stets ähnlich, wohingegen konservierte Proteinsequenzen selten vorkommen. Die Transporter sind aus zwei lipophilen, membran-durchspannenden Domänen, welche auch TMDs (abgeleitet von Transmembrane spanning Domains) genannt werden, und zwei hydrophilen Domänen, die auch NBDs (abgeleitet von Nucleotide Binding Domains) genannt werden, aufgebaut. Die Vielzahl der durch ABC-Transporter beförderten Moleküle erklärt dabei die enorme Anzahl diverser TMDs. In den Mitochondrien des Menschen findet man vier ABC-Transporter (ABCB6, ABCB7, ABCB8 und ABCB10) mit funktionellen Homologen in Hefen und Pflanzen. In Bakterien hingegen können, mit Ausnahme von Rickettsiae und verwandten Bakterien, keine Homologen zu mitochondrialen ABC-Transportern identifiziert werden. Die transportierten Moleküle sowie die damit verbundenen Funktionen sind im Einzelnen bislangABC-Transporter (ABC abgeleitet von ATP-Binding Cassette) gehören zur Klasse der Transmembran-Proteine und kommen in allen drei Domänen des Lebens vor. Ihr struktureller Aufbau ist dabei stets ähnlich, wohingegen konservierte Proteinsequenzen selten vorkommen. Die Transporter sind aus zwei lipophilen, membran-durchspannenden Domänen, welche auch TMDs (abgeleitet von Transmembrane spanning Domains) genannt werden, und zwei hydrophilen Domänen, die auch NBDs (abgeleitet von Nucleotide Binding Domains) genannt werden, aufgebaut. Die Vielzahl der durch ABC-Transporter beförderten Moleküle erklärt dabei die enorme Anzahl diverser TMDs. In den Mitochondrien des Menschen findet man vier ABC-Transporter (ABCB6, ABCB7, ABCB8 und ABCB10) mit funktionellen Homologen in Hefen und Pflanzen. In Bakterien hingegen können, mit Ausnahme von Rickettsiae und verwandten Bakterien, keine Homologen zu mitochondrialen ABC-Transportern identifiziert werden. Die transportierten Moleküle sowie die damit verbundenen Funktionen sind im Einzelnen bislang weitgehend unbekannt. ABCB7 und die entsprechenden Homologen in Hefen (Atm1) und in Pflanzen (ATM3) konnten mit der cytosolischen Eisen-Schwefel-Cluster-Biosynthese in Zusammenhang gebracht werden. Eine schwefelhaltige Verbindung der mitochondrialen Matrix wird mit Hilfe dieses Transporters der cytosolischen Eisen-Schwefel-Cluster-Assemblierung zur Verfügung gestellt. Die 2014 publizierten Kristallstrukturen von Atm1 (Hefe) und Atm1 aus Novosphingobium aromaticivorans offenbarten dabei eine hoch konservierte Glutathion-Bindetasche innerhalb der TMDs für ABCB7 Homologe. In der Modellpflanze Arabidopsis thaliana konnte ATM3 zusätzlich mit der Biosynthese des Molybdän-Cofaktors in Verbindung gebracht werden. In der vorliegenden Arbeit wurde das α-Proteobacterium Rhodobacter capsulatus als Modellorganismus genutzt, um mitochondriale ABC-Transporter Homologe zu untersuchen. Das Bakterium enthält zwei ABC-Transporter-Gene, rcc03139 und rcc02305, die mit den humanen mitochondrialen Transportern große Sequenzübereinstimmungen aufweisen (rcc03139: 41 % respektive 38 % Identität mit ABCB8 und ABCB10, rcc02305: 47 % identisch mit ABCB7 und ABCB6). Mit Hilfe erzeugter Interposon-Mutanten (Δrcc02305I und Δrcc03139I) konnte erstmals gezeigt werden, dass bakterielle Transporter funktionell sehr ähnliche Aufgaben wie die mitochondrialen ABC-Transporter übernehmen. Beispielsweise akkumulierten beide Interposon-Mutanten reaktive Sauerstoff-Spezies (ROS) ohne gleichzeitige Akkumulation von Glutathion oder Eisen. Weiterhin konnten wir zeigen, dass, ähnlich wie bereits für ATM3 postuliert, die Biosynthese des Molybdän-Cofaktors in Δrcc02305I verändert ist. Mit Hilfe einer lebensfähigen Doppelmutante, in der beide ABC-Transporter-Gene gleichzeitig deletiert wurden, konnten wir ausschließen, dass die beiden bakteriellen ABC-Transporter grundsätzlich redundante Funktionen haben. Durch die Analyse des Proteoms von Δrcc03139I im Vergleich zu der des Wildtyps, konnte eine extreme Beeinflussung der Tetrapyrrol Biosynthese sowie entsprechender Zielproteine identifiziert werden. Dies konnte zusätzlich durch die Quantifizierung einzelner Zwischenprodukte der Biosynthese bestätigt werden. Im Gegensatz dazu konnte anhand der Analyse des Proteoms in Verbindung mit analytischen Methoden in Δrcc02305I ein Ungleichgewicht in der Schwefelverteilung identifiziert werden. Zusammen mit der Entdeckung einer Pyridoxalphosphat (PLP) Bindestelle in Rcc02305 und anderen ABCB7-artigen Transportern, welche direkt mit dem Walker-A-Motiv der NBD überlappt, ermöglichte dies eine völlig neue Theorie, wie die schwefelhaltige Verbindung transportiert werden kann. Wir gehen davon aus, dass an PLP zunächst ein Persulfid produziert wird, welches unmittelbar mit dem Glutathion der transmembranen Bindetasche zu einem gemischten Polysulfid reagiert. Im Anschluss daran wird die ATP-Bindestelle frei und die Hydrolyse des ATPs löst eine Konformationsänderung aus, welche das gemischte Polysulfid ins Periplasma bzw. in den intermembranen Raum freigibt.show moreshow less

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Metadaten
Author:Simona RiedelORCiD
Referee:Bernd MasepohlGND
Advisor:Silke Leimkühler, Elke Dittmann
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2019
Publishing Institution:Universität Potsdam
Granting Institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2019/05/13
Release Date:2019/06/11
Tag:ABC Transporter; ABCB7; Mitochondrien; PLP-Walker A-Überlagerung; Rhodobacter capsulatus
ABC transporter; ABCB7; PLP-Walker A-overlap; Rhodobacter capsulatus; mitochondria
Pagenumber:127
Organizational units:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Biochemie und Biologie
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 57 Biowissenschaften; Biologie / 570 Biowissenschaften; Biologie
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