Thiol redox control in the single mitochondrion of trypanosomes
Final Report Abstract
Trypanosoma brucei Spezies sind die Erreger der menschlichen Schlafkrankheit und Nagana Rinderseuche in Afrika. Während nahezu alle Organismen die Glutathion/Glutathionreduktase und Thioredoxin/Thioredoxinreduktase Systeme nutzen, um ihr Redox-Gleichgewicht aufrecht zu halten, besitzen Trypanosomen einen auf Trypanothion basierenden Thiol-Stoffwechsel. Alle an der Biosynthese von Glutathion und Trypanothion beteiligten Enzyme ebenso wie die Trypanothionreduktase finden sich ausschließlich im Cytosol. Die Thiole und Oxidoreduktasen, die für die Redox-Homeostase im Mitochondrium der Parasiten verantwortlich sind, sind nicht bekannt. In dieser Arbeit zeigen wir, dass ein bisher nicht untersuchtes Thioredoxin-artiges Protein (Trx2) die erste kleine Oxidoreduktase ist, die im Mitochondrium von T. brucei gefunden wurde. RNA-Interferenz und Gen-Knockout-Ansätze ergaben, dass die Depletierung von Trx2 das Wachstum sowohl der Blutstromparasiten als auch der prozyklischen Insektenform hemmt. Trx2-defiziente prozyklische Parasiten stoppen die Proliferation unter Standard-Kulturbedingungen bei 27°C und sind unfähig, eine längere Exposition bei 37°C zu überleben. Dies deutet darauf hin, dass Trx2 eine essentielle Rolle spielt, die unter Hitzebedingungen verstärkt wird. Des Weiteren konnten wir zeigen, dass Trx2 zur Infektivität der Parasiten im Mausmodel beiträgt. Bemerkenswerterweise ist eine Mutante, in der alle fünf Cysteine durch Serinreste ersetzt sind (5S-Trx2), in der Lage, authentisches Trx2 zu ersetzen und dem Parasiten volle Infektivität im Mausmodel zu verleihen. Die Charakterisierung des rekombinanten Proteins ergab, dass Trx2 keine Proteindisulfid-Reduktase-Aktivität besitzt, sondern als effizientes, Thiol-unabhängiges Chaperon fungiert. Sowohl Trx2 als auch 5S-Trx2 schützen Proteine vor thermischer Aggregation und bewahren deren Fähigkeit, zurückzufalten, sobald keine Stressbedingungen mehr vorliegen. Die Chaperon-Aktivität des Trx2 scheint durch Temperatur-induzierte strukturelle Veränderungen ausgelöst, und durch Bildung von Disulfidbrücken unter oxidativen Bedingungen verhindert zu werden. Unsere Untersuchungen zeigen, dass Trx2 nicht als klassisches Thioredoxin, sondern als essentielles neuartiges Chaperon in dem einzigartigen singulären Mitochondrium von T. brucei fungiert. Die erhaltenen Daten liefern eine neue Perspektive bezüglich der physiologischen Rolle von Thioredoxin-artigen Proteinen in Trypanosomen.
Publications
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(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.
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(2018) Tryparedoxin peroxidase-deficiency commits trypanosomes to ferroptosis-type cell death. Elife: e37503
Bogacz, M. and Krauth-Siegel, R. L.
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(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.
