Molekulare Funktion von Proteinen der cation diffusion facilitator Proteinfamilie untersucht am Beispiel des CzcD- und des Dme-Proteins aus Wauterisia (Ralstonia) metallidurans

• Antragsteller: Professor Dr. Dietrich H. Nies
• Fachliche Zuordnung: Stoffwechselphysiologie, Biochemie und Genetik der Mikroorganismen
• Förderung: Förderung von 2001 bis 2008
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 5345290

• Erstellungsjahr: 2008

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Aus den Arbeiten im Kontext der Literatur ergibt sich folgendes Bild der Übergangsmetall- Homöostase in E. coli und, mit einigen Verkomplizierungen, auch für C. metallidurans und andere Bakterien: Der zelluläre Eisen-Stoffwechsel wird durch kontrollierte Aufnahme, Efflux von Fe2+und Lagerung von Eisen in Ferritinen strikt kontrolliert. Wenig oder nicht Redox-aktive Ionen wie Zn2+, Co2+, Ni2+ und Cd2+ verdrängen bei zu hohen cytoplasmatischen Konzentrationen Eisen aus seinen Komplexen oder stören den Eisen- Haushalt, was zu Redox-Stress durch Eisen führt. Diese Kationen können durch unspezifische Aufnahmesysteme in die Zelle aufgenommen werden, wobei CDF-Proteine als mögliche Antagonisten den in die Zelle fließenden Strom von Übergangsmetallen "filtern" und überschüssige Ionen wieder nach außen abgeben. Bis auf NRAMP-Transporter werden die unspezifischen Aufnahme-Systeme von Metall-Kationen vermutlich nur durch den Ladungsanteil AW der proton motive force angetrieben. CDF-Proteine sind Proton-Kation- Antiporter, so dass beide Transportleistungen zusammen netto zwei Protonen importieren. Die dabei freiwerdende Energie wird für die Einstellung der exakten Zusammensetzung des zellulären Übergangsmetalt-Bouquets benötigt. Mit der Struktur von YiiP/FieF können nun auch Details dieser CDF-Funktion erklärt werden, insbesondere die Möglichkeit des flux control und der Mechanismus der Kopplung von Kationen- Export mit dem Protonen-Import. Wichtigstes überraschendes Ergebnis war die Möglichkeit des flux control, der Steuerung der Transportaktivität von Transportproteinen durch die Substrat oder (im Fall von Aufnahmesystemen) der Produktkonzentration. Diese flux control geschieht parallel zur Kontrolle der Genexpression und könnte für die kurzfristige Stabilisierung der korrekten Konzentration eines Metalls im Bezug auf das Gesamt-Bouquet sorgen. So könnte die cytoplasmatische Magnesium-Konzentration über flux control die Aktivität von Transportern sowohl der MIT/CorA als auch der MgtE-Familie steuern; Mg2+ wird nur aufgenommen, wenn nicht genug im Cytoplasma vorhanden ist. Bei hohen Magnesium-Konzentrationen sind daher die Magnesium-Aufnahmesysteme gehemmt, die Übergangsmetall-Ionen müssen andere unspezifische Systeme nutzen (ZIP, NRAMP, NiCoT oder einige P-typ Aufnahme-ATPasen) oder spezifische Systeme wie ABC-Transporter. Bei niedrigen Magnesium-Konzentrationen sorgen die Magnesium-Aufnahmesysteme jedoch gleichzeitig für die Versorgung mit einigen Übergangsmetall-Kationen. Wenn die Konzentration eins dieser Kationen im Cytoplasma zu hoch wird, dann wird auch wieder über flux control das ensprechende CDF oder P-type Efflux- System aktiviert, das durch Export das Übergangsmetall-Bouquet wieder justiert.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• FEMS Microbiol Lett 215: 273-278.
  Lee, S. et al (2002)
  
• J Biol Chem 277: 18215-18221.
  Clemens et al. (2002)
  
• Planta 21 4: 783-791.
  Bloss, T. et al. (2002)
  
• FEMS Microbiol RRV 2 7 (2/3) : 313-339.
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• J Bacteriol 1 86: 7499-7507.
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• J Bacteriol 1 86: 8036-8043
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  Nies, D. H. (2004)
  
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• J Mol Micobiol Biotechnol 1 1 : 82-93.
  Nies, D. H. et al (2006)
  
• Biochim Biophys Acta - Biomembranes 1 768: 1567-1573.
  Stroebel, D. et al (2007)
  
• Biomelals 20: 759-771.
  Koch, D. ef al (2007)
  
• Microb Ecol 53 (1) 123-133.
  Marrero, J. ef al (2007)
  
• Molecular microbiolngy of heavy metals. Microbiology Monographs. Berlin, Springer Verlag.
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• Molecular microbiology of heavy metals.:. D. H. Nies and S. Silver. Berlin, Springer-Verlag. 6: 118-142.
  Nies, D. H. (2007)
  
• FEMS Microbiol Lett 287: 1-7.
  Riccardi, G. et al. (2008)
  
• J. Bacteriol 190(15): S.439-454.
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