Molybdenum transport and Mo-dependent gene regulation in bacteria

• Applicant: Dr. Bernd Masepohl
• Subject Area: Metabolism, Biochemistry and Genetics of Microorganisms ; General Genetics and Functional Genome Biology
• Term: from 2012 to 2020
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 211163627

• Final Report Year: 2020

Final Report Abstract

Das photosynthetische Alphaproteobakterium Rhodobacter capsulatus fixiert molekularen Stickstoff mit Hilfe einer nifHDK-kodierten Molybdän-Nitrogenase und einer anfHDGK-kodierten Mofreien Eisen-Nitrogenase. Die Produktion dieser Nitrogenasen erfordert die Transkriptionsaktivatoren NifA beziehungsweise AnfA, welche den Sigma-Faktor RpoN zur Zielgenaktivierung benötigen. Neben der Mo-Nitrogenase kontrolliert NifA die Fe-Nitrogenase auf vier Ebenen. Zum ersten kontrolliert NifA die AnfA-Aktivität durch Kontrolle der RpoN-Produktion. Zum zweiten kontrolliert NifA die Produktion der Fe-Nitrogenase auf post-transkriptionaler Ebene. Zum dritten kontrolliert NifA die Biosynthese des Fe-Nitrogenase-Kofaktors FeFeco. Zum vierten kontrolliert NifA die Elektronenversorgung der Fe-Nitrogenase. Hiermit übereinstimmend wurde gezeigt, dass der anfH-Promoter der einzige strikt AnfA-abhängige Promoter ist, während alle anderen für die Fe-Nitrogenase relevanten Gene durch NifA aktiviert werden. Diese Beobachtungen legen nahe, dass die Fe-Nitrogenase weitgehend in das Mo-Nitrogenase-System integriert ist und nicht nur als alternatives System bei Mo-Mangel dient. Bei hinreichender Mo-Versorgung reprimieren R. capsulatus MopA und MopB unabhängig voneinander die Expression der mopA-modABC- und anfA-Operons. Hierdurch wird die Produktion des hochaffinen Molybdat-Transporters ModABC und der Fe-Nitrogenase auf Mo-Mangelbedingungen beschränkt. Diese Möglichkeit zur Mo-Kontrolle erklärt, warum R. capsulatus die Fe-Nitrogenase weiterhin über AnfA reguliert, während alle anderen für die Fe-Nitrogenase relevanten Gene unter Kontrolle von NifA stehen. Neben ModABC verfügt R. capsulatus über zwei weitere Molybdat-Transporter, die Permease PerO und den ModABC-ähnlichen Transporter MorABC. Unsere Studien zeigen, dass Molybdat, Wolframat und Sulfat typische Substrate von Permeasen der weitverbreiten aber weitgehend unerforschten PerO-Familie sind. Obwohl die morABC-Gene zum NifA-Regulon gehören, ist der MorABC- Tranporter entbehrlich für die Biosynthese des Mo-Nitrogenase-Kofaktors FeMoco. Da die hochabundante Mo-Nitrogenase als Mo-Sink wirkt, spielt MorABC möglicherweise eine wichtige Rolle bei der Biosynthese des Molybdopterin-Kofaktors, Moco, der für alle Molybdoenzyme mit Ausnahme der Mo-Nitrogenase essentiell ist. R. capsulatus MopA und MopB gehören zur Klasse der ModE-Einkomponenten-Regulatoren, welche direkt auf die zelluläre Molybdat-Menge reagieren. Bemerkenswerterweise synthetisieren viele Bakterien wie das Pflanzenpathogen Agrobacterium tumefaciens und der Pflanzensymbiont Sinorhizobium meliloti verkürzte ModES-Proteine, denen eine Molybdat-Bindedomäne fehlt. Wie die Volllängen-Regulatoren reprimieren auch die verkürzten ModES-Proteine die modABC-Expression bei hohen Mo-Konzentrationen. Im Gegensatz zu den Volllängen-Regulatoren reagieren ModES-Proteine jedoch nicht auf Molybdat sondern auf Moco-Verfügbarkeit.

Publications

• (2014) Coordinated expression of fdxD and molybdenum nitrogenase genes promotes nitrogen fixation by Rhodobacter capsulatus in the presence of oxygen. J Bacteriol 196:633-640
  Hoffmann, Müller, Fehringer, Pfänder, Narberhaus & Masepohl
  
• (2014) NifA- and CooA-coordinated cowN expression sustains nitrogen fixation by Rhodobacter capsulatus in the presence of carbon monoxide. J Bacteriol 196:3494-3502
  Hoffmann, Pfänder, Fehringer, Narberhaus & Masepohl
  
• (2015) Regulation of nitrogen fixation and molybdenum transport in Rhodobacter capsulatus. In: Biological Nitrogen Fixation, De Bruijn (Ed), John Wiley & Sons, Inc. pp121-129
  Masepohl
  
• (2016) Molybdate uptake by Agrobacterium tumefaciens correlates with the cellular molybdenum cofactor status. Mol Microbiol 101:809-822
  Hoffmann, Ali, Sonnenschein, Robrahn, Strauss, Narberhaus & Masepohl
  
• (2016) Proteome profiling of the Rhodobacter capsulatus molybdenum response reveals a role of IscN in nitrogen fixation by Fe-nitrogenase. J Bacteriol 198:633-643
  Hoffmann, Wagner, Langklotz, Pfänder, Hött, Bandow & Narberhaus
  
• (2017) Bacterial PerO permeases transport sulfate and related oxyanions. J Bacteriol 199:e00183-17
  Hoffmann, Pfänder, Tintel & Masepohl
  
• (2017) Regulation of nitrogen fixation in photosynthetic purple nonsulfur bacteria. In: Modern Topics in the Phototrophic Prokaryotes, Hallenbeck (Ed), Springer
  Masepohl
  
• (2018) Coordinated regulation of nitrogen fixation and molybdate transport by molybdenum. Mol Microbiol
  Demtröder, Narberhaus & Masepohl
  
• (2019) NifA is the master regulator of both nitrogenase systems in Rhodobacter capsulatus. MicrobiologyOpen
  Demtröder, Pfänder, Schäkermann, Bandow & Masepohl
  
• (2020) Rhodobacter capsulatus AnfA is essential for production of Fe-nitrogenase proteins but dispensable for cofactor biosynthesis and electron supply. MicrobiologyOpen
  Demtröder, Pfänder & Masepohl