Gregor B. Grass, Dr. rer. nat.

Biometall-Homöostase in Escherichia coli

Kumulative Habilitationsschrift zur Erlangung des akademischen Grades doctor rerum naturalium habilitatus (Dr. rer. nat. habil.) vorgelegt an der Mathematisch-Naturwissenschaftlich-Technischen Fakultät der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg
Beschlußdatum 15.02.2006

Abstract
Die meisten Organismen benötigen für ihren Stoffwechsel eine Reihe von Kationen einiger Übergangsmetalle. So sind z.B. etwa 30% aller Proteine eines Bakteriums Metalloproteine. Da ein Überschuss dieser Metalle im Cytoplasma toxisch ist, müssen Zellen ein Gleichgewicht zwischen Aufnahme und Abgabe dieser Kationen aufrechterhalten. Vorrangiges Ziel dieser Arbeit war die Homöostase der drei Biometalle Eisen, Zink und Kupfer, im Gram-negativen γ-Proteobakterium Escherichia coli zu untersuchen und die dafür zugrunde liegenden physiologisch-biochemischen Ursachen aufzuklären.
Erstmalig konnte mit ZupT, ein bakterieller Vertreter der bisher nur in Eukaryoten bekannten ZIP-Transporter charakterisiert werden. ZupT transportiert neben Zn(II) auch Fe(II), Co(II) und andere zweiwertige Kationen in das Cytoplasma.
Ferner konnte gezeigt werden, dass neben einer Zn(II)-Efflux ATPase ein cation diffusion facilitator (CDF) Transportprotein, ZitB, für die Zn(II)-Entgiftung verantwortlich ist. Hier konnten für den Transport essentielle Aminosäurereste identifiziert und die Transportkinetiken ermittelt werden. Der zweite CDF-Transporter in E. coli, FieF, wurde ebenfalls untersucht. Hierbei zeigte sich, dass FieF die Zelle vor erhöhten Eisenkonzentrationen schützt, indem FieF Fe(II) über die Cytoplasmamembran nach außen transportiert. Damit ist FieF der erste bona fide Eisen-Efflux-Transporter.
Zusätzlich zu zwei bekannten Kupfer-Efflux-Transportern konnte ein drittes wichtiges Kupfer-Detoxifikations-System identifiziert werden. CueO ist die erste bakterielle Multikupfer-Oxidase, die physiologisch, biochemisch und strukturell analysiert werden konnte. CueO oxidiert wahrscheinlich in vivo neben Cu(I) auch das Catecholat-Siderophor Enterobaktin. Dadurch wird eine Enterobaktin-abhängige Reduktion von Cu(II) und somit die Bildung toxischer Cu(I)-Ionen im Periplasma verhindert. Damit ist CueO ein Bindeglied der bakteriellen Kupfer- und Eisenhomöostase.

Most organisms require several transition metal cations for their metabolism and about 30% of all proteins of a bacterium are metalloproteins. Nevertheless, surplus metal cations are toxic and cells have to maintain a delicate balance of uptake and efflux of these cations. The major aim of this work was the investigation of the homeostasis of the biometals iron, zinc and copper in the Gram-negative γ-proteobacterium Escherichia coli and to elucidate the underlying physiological and biochemical mechanisms.
As the first member of the ZIP family of metal transporters that is well known in eukaryotes, the bacterial ZupT-protein was studied in detail. It was demonstrated that ZupT transports not only Zn(II) but also Fe(II), Co(II) and other divalent metal cations into the cytoplasm.
Moreover, in addition to a primary Zn(II)-efflux ATPase, a secondary cation diffusion facilitator protein (CDF), ZitB, was shown to be responsible for efficient Zn(II) detoxification. For ZitB essential amino acid residues were identified and also transport kinetics determined. The other CDF-transporter of E. coli, FieF, was studied in detail as well. Interestingly, FieF protects the cell from iron-overload through active efflux of ferrous iron across the cytoplasmic membrane. Thus, FieF is the first bona fide iron-efflux transporter identified in any organism.
In addition to two known copper-efflux transporters, a third important copper-detoxification system was identified. CueO is the first bacterial multi copper oxidase that has been analyzed physiologically, biochemically and structurally. In vivo CueO probably not only oxidizes Cu(I) but also the catecholate siderophore enterobactin. In doing so enterobactin-dependent reduction of Cu(II) and thus, generation of toxic Cu(I)-ions within the periplasm is prevented. Therefore, CueO is a connecting link between bacterial copper- and iron-homeostasis.

Keywords:
Escherichia coli, Biometalle, Schwermetalle, Transport, Homöostase

Escherichia coli, biometals, heavy metals, transport, homeostasis

Online-Dokument im PDF-Format (3.605 KB) mit integrierter Gliederung.

Liste der veröffentlichten Originalarbeiten