Genetisch kodierte Biosensoren zur Analyse von Redoxänderungen im Trypanothion-basierten Thiolstoffwechsel der Trypanosomen

• Antragstellerin: Professorin Dr. R. Luise Krauth-Siegel
• Fachliche Zuordnung: Biochemie
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 251665161

• Erstellungsjahr: 2021

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Trypanosomen haben ein einzigartiges Trypanothion-System, um ihr zelluläres Redox-Gleichgewicht aufrecht zu halten. Die Enzyme für Biosynthese und Reduktion des Trypanothions befinden sich im Cytosol. Die Thiole und Oxidoreduktasen, die für die Redox-Homeostase in dem singulären Mitochondrium der Parasiten verantwortlich sind, sind nahezu unbekannt. In dieser Arbeit zeigen wir, dass auf Behandlung mit Diamid oder Wasserstoffperoxid Blutstrom (BS) Trypanosoma brucei mit Protein-S-Glutathionylierung reagieren. Bemerkenswerterweise ist nicht nur Glutathion, sondern auch das Dithiol Trypanothion in der Lage, gemischte Protein-Disulfide zu bilden. Ein cytosolisches Glutaredoxin, das für etwa 50% der zellulären Deglutathionylierungs-Kapazität verantwortlich ist, fördert die Umkehr der Stress-induzierten Protein-Modifikation. Die S-Glutathionylierung der Oxidoreduktase selbst vermindert diese Aktivität. Unter Bedingungen, unter denen eine S-Glutathionylierung von Proteinen erwünscht ist, könnte die Deglutathionylierungs-Kapazität der Zelle durch Modifikation der Oxidoreduktase vermindert sein, die somit als Thiol-Redox-Schalter wirkt. Durch Fusion mit Tryparedoxin (Tpx), der zentralen kleinen Oxidoreduktase der Trypanosomen, erhielten wir Tpx-roGFP2, einen neuartigen und überlegenen Sensor für das Trypanothion-Redoxpaar. Interessanterweise ist im Kontext von Trypanosomen, die Glutathion und Trypanothion besitzen, auch roGPP2-hGrx1 ein Sensor für Trypanothion. Expression der Sensoren im Cytosol bzw. Mitochondrium der Insektenform legen nahe, dass das Mitochondrium ein Trypanothion-Redoxsystem besitzt. Unsere Daten zeigen auch, dass wohl ein kleiner Anteil des cytosolischen Tpx sich im Mitochondrium befindet, zusammen mit einer weiteren unbekannten Oxidoreduktase, die von Trypanothion Elektronen auf mitochondriale Thiol-Peroxidasen übertragen kann. Hemmung der Trypanothionbiosynthese durch das antitrypanosomale Medikament Eflornithin vermindert die oxidative Stressantwort im Cytosol und Mitochondrium, was eine enge Verbindung beider Redoxsysteme demonstriert. Kürzlich konnten wir zeigen, dass das Mitochondrium der BS Zellen einen starken oxidativen Shift aufweist, wenn diese bei 39 °C kultiviert werden, um eine Fiebersituation im Säugerwirt zu imitieren. In BS Parasiten sind die mitochondrialen Peroxiredoxin- und Glutathionperoxidase-artigen Enzyme entbehrlich. Dagegen ist in der Insektenform letzteres Enzym essentiell; seine Peroxidase-Aktivität ist aber nicht die entscheidende physiologische Rolle.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• (2015) Detection of thiol-based switch processes in parasites – facts and future. Biol. Chem. 396, 445-463
  Rahbari, M., Diederich, K., Becker, K., Krauth-Siegel, R. L. and Jortzik, E
  
• (2015) Glutaredoxin-deficiency confers bloodstream Trypanosoma brucei with improved thermotolerance. Mol. Biochem. Parasitol. 204, 93-105
  Musunda, B., Benítez, D., Dirdjaja, N., Comini, M. A. and Krauth-Siegel, R. L.
  
• (2016) The cytosolic or the mitochondrial glutathione peroxidase-type tryparedoxin peroxidase is sufficient to protect procyclic Trypanosoma brucei from iron-mediated mitochondrial damage and lysis. Mol. Microbiol. 99, 172-187
  Schaffroth, C., Bogacz, M., Dirdjaja, N., Nissen, A. and Krauth-Siegel, R. L.
  
• (2016) Thiol redox biology of trypanosomatids and potential targets for chemotherapy. Mol. Biochem. Parasitol. 206, 67-74
  Leroux, A. and Krauth-Siegel, R. L.
  
• (2017) Stress-induced protein S-glutathionylation and S- trypanothiolation in African trypanosomes – a quantitative redox proteome and thiol analysis. Antiox. Redox Sign. 27, 517-533
  Ulrich, K., Finkenzeller, C., Merker, S., Rojas, F., Matthews, K., Ruppert, T. and Krauth-Siegel, R. L.
  
• (2018) A glutaredoxin in the mitochondrial intermembrane space has stage-specific functions in the thermotolerance and proliferation of African trypanosomes. Redox Biology 15, 532-547
  Ebersoll, S., Musunda, B., Schmenger, T., Dirdjaja, N., Bonilla, M., Manta, B., Ulrich, K., Comini, M. A., and Krauth-Siegel, R. L.
  
• (2019) An essential thioredoxin-type protein of Trypanosoma brucei acts as redox-regulated mitochondrial chaperone. PLoS Pathogens, e1008065
  Currier, R.B., Ulrich, K., Leroux, A., Dirdjaja, N., Deambrosi, M., Bonilla, M., Ahmed, Y.L., Adrian, L., Antelmann, H., Jakob, U., Comini, M.A, and Krauth-Siegel, R.L.
  
• (2020) A tryparedoxin-coupled biosensor reveals a mitochondrial trypanothione metabolism in trypanosomes. eLife: e53227
  Ebersoll, S., Bogacz, M., Günter, L.M., Dick, T. P., and Krauth-Siegel, R.L.
  
• (2020) The mitochondrial peroxiredoxin displays distinct roles in different developmental stages of African trypanosomes. Redox Biology 34, 101547
  Bogacz, M., Dirdjaja, N., Wimmer, B., Habich, C., and Krauth-Siegel, R.L.