Structural and Functional Studies on beta-alpha-beta-beta-beta-Module Resistance Proteins from Pseudomonas aeruginosa PAO1 and Structural Insights into Mycobacterial Ergothioneine Biosynthesis

Vit, Katharina, Allegra

doi:10.24355/dbbs.084-201606141030-0

Published

Structural and Functional Studies on beta-alpha-beta-beta-beta-Module Resistance Proteins from Pseudomonas aeruginosa PAO1 and Structural Insights into Mycobacterial Ergothioneine Biosynthesis

English
German

Pseudomonas aeruginosa is a multi-drug resistant opportunistic human pathogen that produces virulence factors. Among those, the blue phenazine compound pyocyanin plays a crucial role in lung infection by P. aeruginosa. As pyocyanin induces the formation of reactive oxygen species, the bacterium must have developed some intracellular protection machinery against this compound. In previous studies, the proteins PA0803, PA1353 and PA4641 were identified as pyocyanin resistance proteins. These proteins bind pyocyanin and shield it inside the bacterial cell. They belong to the family of beta-alpha-beta-beta-beta-module containing proteins which are generally involved in detoxification of small toxic molecules. In this study, 22 beta-alpha-beta-beta-beta-module proteins were identified in P. aeruginosa and classified according to highly conserved residues in their binding pockets. A selection of these proteins was characterized by X-ray crystallography, biochemical, biophysical and microbiological methods. Ergothioneine is a sulfur derivative of histidine betaine mainly produced by Actinobacteria and Basidiomycota. It has versatile functions as an antioxidant, metal chelator and it is involved in the biosynthetic reaction of lincomycin A. Humans are not able to biosynthesize ergothioneine, but resorb it from their diet and store it using a specific ergothioneine transporter ETT. Ergothioneine and its transporter are important players in human physiology. Disorders in ergothioneine homeostasis are for instance involved in Crohn’s disease and induce oxidative stress. In order to investigate mycobacterial ergothioneine biosynthesis, the SAM-dependent methyltransferase EgtD, the sulfoxide synthase EgtB and the Ntn hydrolase EgtC were examined in this study using X-ray crystallography, biophysical and biochemical approaches.

Pseudomonas aeruginosa ist ein multi-resistentes, opportunistisches Humanpathogen, welches Virulenzfaktoren produziert. Unter diesen befindet sich auch das blaue Phenazin Pyocyanin, das eine wichtige Rolle in durch P. aeruginosa verursachten Lungeninfektionen spielt. Da Pyocyanin die Bildung von reaktiven Sauerstoffspezies und Radikalen induziert, muss das Bakterium intrazelluläre Schutzmechanismen gegen diese Substanz entwickelt haben. In dieser Arbeit vorausgegangenen Studien wurden die Proteine PA0803, PA1353 und PA4641 als Pyocyanin-Resistenzproteine identifiziert. Diese Proteine binden Pyocyanin und schirmen es vom Innern der bakteriellen Zelle ab. Sie gehören zur Familie der beta-alpha-beta-beta-beta Modul-Resistenzproteine, die allgemein in Detoxifizierungsmechanismen verschiedener kleiner toxischer Moleküle involviert sind. In dieser Arbeit konnten 22 beta-alpha-beta-beta-beta-Modul-Resistenzproteine in P. aeruginosa identifiziert und anhand von hochkonservierten Aminosäuren in ihren Bindungstaschen klassifiziert werden. Eine Auswahl aus diesen Proteinen wurde im Rahmen dieser Arbeit mit röntgenkristallographischen, biochemischen, biophysikalischen und mikrobiologischen Methoden charakterisiert. Ergothionein ist ein Schwefelderivat von Histidinbetain und wird hauptsächlich von Actinobakterien und Ständerpilzen (Basidiomycota)produziert. Die Substanz erfüllt vielfältige Funktionen als Antioxidans, Metallchelator und als Aktivator in der Lincomycin A-Biosynthese. Menschen sind nicht in der Lage, Ergothionein selbst herzustellen, sondern nehmen es mit der Nahrung auf und lagern mit Hilfe des Ergothionein-Transporters ETT in bestimmten Geweben. Ergothionein und sein Transporter spielen eine wichtige Rolle in der Physiologie des Menschen. Störungen der Ergothioneinhomöostase induzieren oxidativen Stress und finden sich unter anderem bei Patienten, die an Morbus Chron leiden. Um die mycobakterielle Ergothioneinbiosynthese zu verstehen, wurden die S-Adenosylmethionin-abhängige Methyltransferase EgtD, die Sulfoxidsynthase EgtB und die Ntn Hydrolase EgtC in dieser Studie mittels Röntgenkristallographie, biophysikalischen und biochemischen Methoden untersucht.