Der Eisenstoffwechsel und seine Regulation in dem marinen Bakterium Dinoroseobacter shibae
Die Verfügbarkeit von Eisen ist eine der limitierenden Größen für das bakterielle Wachstum im Ozean. Trotz seiner Bedeutung ist nur wenig über die molekularen Mechanismen der Eisenakquise durch marine Bakterien bekannt. Deshalb wurden in dieser Arbeit die molekularen Grundlagen der Eisenaufnahme und seine Regulation für das marine Modellbakterium Dinoroseobacter shibae bestimmt. Durch Wachstums-versuche konnte gezeigt werden, dass D. shibae Eisensulfat, Eisenchlorid, Eisencitrat und Häm als Eisenquelle nutzen kann. Wachstumsversuche mit Transposonmutanten in möglichen Genen für Metall- und Tetrapyrroltransportern identifizierten AfuABC und HmuSTUVR als Eisenaufnahmesysteme. Häm wird über HmuSTUVR und HemB2 aufgenommen. An beiden Prozessen ist das Exb/Ton-System beteiligt. Vitamin B12 wird mittels Fhu/Fep/Fec/BtuCDBA System in die Zelle transportiert. DNA-Array Studien kombiniert mit Proteomanalysen zeigten eine eisenabhängige Expression der Gene genau dieser Eisen- und Hämaufnahmesysteme. Weiterhin wurden Gene und Proteine der Bakteriochlorophyll- und Carotinoidbiosynthese, des Quorum sensing und der Phagenabwehr (CRISPR-Cas) durch Eisenmangel induziert, während der Energiestoffwechsel, die Vitamin B12-biosynthese und die Proteinbiosynthese reduziert gefunden wurden. An diesen Prozessen sind drei Regulatoren (Irr, IscR, RirA) beteiligt, während sich der potentielle Regulator Fur (ferric uptake regulator) als Mur (mangan uptake regulator) identifizieren ließ. Das Mur Regulon wurde teilweise aufgeklärt.
Irr reguliert die Expression von iscR und darüber die Eisen-Schwefel-Zentren-Bildung. Irr steuert weiterhin die Bakteriochlorophyll- und Carotinoidbiosynthese sowie Gene der Photosynthese. Weiterhin wird über CtrA-Expressionskontrolle Quorum sensing, die Mobilität, Chemotaxis und Sekretionssysteme durch Irr eisenabhängig gesteuert. Zusammengefasst konnten wesentliche molekulare Grundlagen des Eisenstoffwechsels und seine Genregulation für ein marines Modellbakterium erstmals aufgeklärt werden.
The access to iron is one major limiting factor of bacterial growth in the ocean. Despite its biological importance only minor information is currently available on the molecular principles underlying iron transport, utilization and corresponding regulation in marine bacteria. Thus, the molecular mechanism and their regulation were elucidated in the framework of this thesis for the marine model bacterium Dinoroseobacter shibae. Growth experiments revealed, that
D. shibae can use iron sulfate, chloride and citrate as well as heme as iron sources. Growth experiments using transposon mutants of genes encoding potential metal and tetrapyrrole transporters identified AfuABC and HmuSTUV as iron uptake systems. Heme gets transported by HmuSTUV and HemB2 into the cell. Both processes require the Exb/Ton system. Vitamin B12 enters the cell via the Fhu/Fep/Fec/BtuCDBA system. DNA arrays in combination with proteome analyses identified the iron-dependent expression of corresponding genes. Furthermore, the expression of genes of bacteriochlorophyll and carotinoid biosynthesis, of quorum sensing and the phage defense (CRISPR-cas) were found induced by low iron concentrations. In contrast genes of protein biosynthesis, the energy metabolism and vitamin B12 biosynthesis were found repressed under these conditions. The observed transcriptional regulatory networks involved three (Irr, IscR, RirA) of the four potential transcriptional iron regulators found in D. shibae. The potential Fur (ferric uptake regulator) was identified as Mur (mangan uptake regulator) and its regulon was partially determined. Irr regulated the expression of iscR which in turn controls iron-sulfur-cluster formation. Irr controls also genes of bacteriochlorophyll and carotenoid biosynthesis and other genes of photosynthesis. Furthermore, via an Irr-controlled ctrA expression, genes of quorum sensing, motility, chemotaxis and secretion become iron-regulated. In summary, major molecular principles underlying the iron metabolism and its control in the marine model bacterium D. shibae were elucidated.
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