Coexistence of Ammonium Transporter and Channel Mechanisms in Amt-Mep-Rh Twin-His Variants Impairs the Filamentation Signaling Capacity of Fungal Mep2 Transceptors

Ammonium translocation through biological membranes, by the ubiquitous Amt-Mep-Rh family of transporters, plays a key role in all domains of life. Two highly conserved histidine residues protrude into the lumen of the pore of these transporters, forming the family's characteristic Twin-His motif. It has been hypothesized that the motif is essential to confer the selectivity of the transport mechanism. Here, using a combination of in vitro electrophysiology on Escherichia coli AmtB, in silico molecular dynamics simulations, and in vivo yeast functional complementation assays, we demonstrate that variations in the Twin- His motif trigger a mechanistic switch between a specific transporter, depending on ammonium deprotonation, to an unspecific ion channel activity. We therefore propose that there is no selective filter that governs specificity in Amt-Mep-Rh transporters, but the inherent mechanism of translocation, dependent on the fragmentation of the substrate, ensures the high specificity of the translocation. We show that coexistence of both mechanisms in single Twin-His variants of yeast Mep2 transceptors disrupts the signaling function and so impairs fungal filamentation. These data support a signaling process driven by the transport mechanism of the fungal Mep2 transceptors

A two-lane mechanism for selective biological ammonium transport

The transport of charged molecules across biological membranes faces the dual problem of accommodating charges in a highly hydrophobic environment while maintaining selective substrate translocation. This has been the subject of a particular controversy for the exchange of ammonium across cellular membranes, an essential process in all domains of life. Ammonium transport is mediated by the ubiquitous Amt/Mep/Rh transporters that includes the human Rhesus factors. Here, using a combination of electrophysiology, yeast functional complementation and extended molecular dynamics simulations, we reveal a unique two-lane pathway for electrogenic NH4+ transport in two archetypal members of the family, the transporters AmtB from Escherichia coli and Rh50 from Nitrosomonas europaea. The pathway underpins a mechanism by which charged H+ and neutral NH3 are carried separately across the membrane after NH4+ deprotonation. This mechanism defines a new principle of achieving transport selectivity against competing ions in a biological transport process

Nitrogen isotope signature evidences ammonium deprotonation as a common transport mechanism for the AMT-Mep-Rh protein superfamily

Ammonium is an important nitrogen (N) source for living organisms, a key metabolite for pH control, and a potent cytotoxic compound. Ammonium is transported by the widespread AMT-Mep-Rh membrane proteins, and despite their significance in physiological processes, the nature of substrate translocation (NH3/NH4+) by the distinct members of this family is still a matter of controversy. Using Saccharomyces cerevisiae cells expressing representative AMT-Mep-Rh ammonium carriers and taking advantage of the natural chemical-physical property of the N isotopic signature linked to NH4+/NH3 conversion, this study shows that only cells expressing AMT-Mep-Rh proteins were depleted in N-15 relative to N-14 when compared to the external ammonium source. We observed N-15 depletion over a wide range of external pH, indicating its independence of NH3 formation in solution. On the basis of inhibitor studies, ammonium transport by nonspecific cation channels did not show isotope fractionation but competition with K+. We propose that kinetic N isotope fractionation is a common feature of AMT-Mep-Rh-type proteins, which favor N-14 over N-15, owing to the dissociation of NH4+ into NH3+ H+ in the protein, leading to N-15 depletion in the cell and allowing NH3 passage or NH3/H+ cotransport. This deprotonation mechanism explains these proteins' essential functions in environments under a low NH4+/K+ ratio, allowing organisms to specifically scavenge NH4+. We show that N-15 isotope fractionation may be used in vivo not only to determine the molecular species being transported by ammonium transport proteins, but also to track ammonium toxicity and associated amino acids excretion.I. A. was supported by a postdoctoral fellowship from the Government of Navarra, Spain (Anabasid outgoing Programme, 2011) and by a postdoctoral fellowship from the Portuguese Fundaçao para a Ciencia e a Tecnologia (SFRH/BPD/90436/2012). A.M.M. is a senior research associate of the Belgian Fonds de la Recherche Scientifique Fonds de la Recherche Scientifique-FNRS (grants CDR J017617F, PDR T011515F, and ARC) and a WELBIO investigator, and M.B. is a scientific research worker supported by WELBIO. This work was also developed in the context of the following projects: PTDC/BIA-BEC/099323/2008 and PTDC/AGR-PRO/115888/2009 to cE3c and FCUL, UID/DTP/04138/2013 to iMed. ULisboa, and AGL2015-64582-C3-1-R and AGL2012-37815-C05-05 to UPNa

De la découverte des transporteurs d’ammonium Mep-Amt microbiens aux facteurs Rhésus humains

L’ammonium, ubiquitaire sur Terre, joue des rôles majeurs et distincts chez la plupart des êtres vivants. Alors qu’il peut constituer une source azotée pour les microorganismes et les plantes, c’est un produit métabolique cytotoxique activement détoxiqué par le foie chez les animaux. Par ailleurs, chez ces derniers, la synthèse d’ammonium au niveau du rein est impliquée dans l’homéostasie acide/base. Le transport d’ammonium dans les cellules est assuré par une famille de protéines, appelée Mep-Amt-Rh, qui est conservée dans tout le règne vivant et qui comprend notamment les facteurs Rhésus humains. Cette revue met en évidence l’importance du modèle « levure » tant dans l’étude de la régulation fine et rapide de ces protéines que dans la caractérisation fonctionnelle des membres Mep-Amt-Rh d’origines diverses

Les transporteurs d'ammonium Mep/Amt/Rh de la levure Saccharomyces cerevisiae: fonctions et régulations

Les protéines de la famille Mep/Amt/Rh sont largement conservées dans l’évolution. Cette famille comprend les facteurs Rhésus dont les antigènes Rh humains sont les membres les plus notoires. Le rôle des protéines de type Mep/Amt/Rh en tant que transporteurs d’ammonium a largement été décrit chez les bactéries, les champignons et les plantes. Néanmoins, leur mécanisme de fonctionnement demeure élusif et la régulation de leur activité a été peu abordée chez les organismes eucaryotes. En utilisant comme modèles de la famille Mep/Amt/Rh les trois transporteurs d’ammonium de la levure Saccharomyces cerevisiae, nous avons tenté de comprendre les mécanismes de fonctionnement et de régulation de cette famille de protéines membranaires.Nous montrons qu’un résidu aspartate, conservé dans la famille Mep/Amt/Rh et situé à proximité d’un vestibule cation-attractif, joue un rôle structural dans la reconnaissance de l’ammonium chez le transporteur Mep2. De plus, un résidu histidine très conservé dans le pore hydrophobe des protéines Mep/Amt/Rh est substitué par un aspartate chez un sous-groupe de transporteurs d’ammonium fongiques. Cette substitution permet de définir deux sous-familles fonctionnelles possédant des propriétés bien distinctes.Nous montrons également que la kinase Npr1 intervient dans la modulation de l’activité intrinsèque des trois protéines Mep qui demeurent inactives mais stables à la membrane plasmique en absence de la kinase. Hormis leur rôle dans le transport d’ammonium en tant que source d’azote, nous montrons que l’activité des protéines Mep est requise pour différentes réponses physiologiques. Une diminution d’entrée d’ammonium en absence des protéines Mep ou de leur régulateur positif Npr1 entraîne une dérépression des gènes soumis à la répression catabolique azotée ainsi qu’un défaut dans le repompage de l’ammonium catabolique excrété durant la croissance en présence d’autres sources azotées. Un rôle supplémentaire de senseur d’ammonium avait été attribué au transporteur Mep2 dans l’induction de la croissance filamenteuse en réponse à une limitation en ammonium. Nous montrons que l’état d’activité de la protéine Mep2 est étroitement lié à sa capacité à induire le développement filamenteux.Doctorat en Sciencesinfo:eu-repo/semantics/nonPublishe

Les transporteurs d'ammonium Mep/Amt/Rh de la levure Saccharomyces cerevisiae: fonctions et régulations

Les protéines de la famille Mep/Amt/Rh sont largement conservées dans l’évolution. Cette famille comprend les facteurs Rhésus dont les antigènes Rh humains sont les membres les plus notoires. Le rôle des protéines de type Mep/Amt/Rh en tant que transporteurs d’ammonium a largement été décrit chez les bactéries, les champignons et les plantes. Néanmoins, leur mécanisme de fonctionnement demeure élusif et la régulation de leur activité a été peu abordée chez les organismes eucaryotes. En utilisant comme modèles de la famille Mep/Amt/Rh les trois transporteurs d’ammonium de la levure Saccharomyces cerevisiae, nous avons tenté de comprendre les mécanismes de fonctionnement et de régulation de cette famille de protéines membranaires.<p>Nous montrons qu’un résidu aspartate, conservé dans la famille Mep/Amt/Rh et situé à proximité d’un vestibule cation-attractif, joue un rôle structural dans la reconnaissance de l’ammonium chez le transporteur Mep2. De plus, un résidu histidine très conservé dans le pore hydrophobe des protéines Mep/Amt/Rh est substitué par un aspartate chez un sous-groupe de transporteurs d’ammonium fongiques. Cette substitution permet de définir deux sous-familles fonctionnelles possédant des propriétés bien distinctes.<p>Nous montrons également que la kinase Npr1 intervient dans la modulation de l’activité intrinsèque des trois protéines Mep qui demeurent inactives mais stables à la membrane plasmique en absence de la kinase. <p>Hormis leur rôle dans le transport d’ammonium en tant que source d’azote, nous montrons que l’activité des protéines Mep est requise pour différentes réponses physiologiques. Une diminution d’entrée d’ammonium en absence des protéines Mep ou de leur régulateur positif Npr1 entraîne une dérépression des gènes soumis à la répression catabolique azotée ainsi qu’un défaut dans le repompage de l’ammonium catabolique excrété durant la croissance en présence d’autres sources azotées. Un rôle supplémentaire de senseur d’ammonium avait été attribué au transporteur Mep2 dans l’induction de la croissance filamenteuse en réponse à une limitation en ammonium. Nous montrons que l’état d’activité de la protéine Mep2 est étroitement lié à sa capacité à induire le développement filamenteux.Doctorat en Sciencesinfo:eu-repo/semantics/nonPublishe

Role of the C-terminal extension of the yeast Mep2 ammonium transport/sensor protein in activity regulation and filamentation induction

info:eu-repo/semantics/nonPublishe

Distinct transport mechanisms in yeast ammonium transport/sensor proteins of the Mep/Amt/Rh family and impact on filamentation.

Ammonium transport proteins of the Mep/Amt/Rh family include microbial and plant Mep/Amt members, crucial for ammonium scavenging, and animal Rhesus factors likely involved in ammonium disposal. Recent structural information on two bacterial Mep/Amt proteins has revealed the presence, in the hydrophobic conducting pore, of a pair of preserved histidines proposed to play an important role in substrate conductance, by participating either in NH(4)(+) deprotonation or in shaping the pore. Here we highlight the existence of two functional Mep/Amt subfamilies distinguishable according to whether the first of these histidines is conserved, as in yeast ScMep2, or replaced by glutamate, as in ScMep1. Replacement of the native histidine of ScMep2 with glutamate leads to conversion from ScMep2 to ScMep1-like properties. This includes a two-unit upshift of the optimal pH for transport and an increase of the transport rate, consistent with alleviation of an energy-limiting step. Similar effects are observed when the same substitution is introduced into the Escherichia coli AmtB protein. In contrast to ScMep1, ScMep2 is proposed to play an additional signaling role in the induction of filamentous growth, a dimorphic change often associated with virulence in pathogenic fungi. We show here that the histidine to glutamate substitution in ScMep2 leads to uncoupling of the transport and sensor functions, suggesting that a ScMep2-specific transport mechanism might be responsible for filamentation. Our overall data suggest the existence of two functional groups of Mep/Amt-type proteins with different transport mechanisms and distinct impacts on cell physiology and signaling.Journal ArticleResearch Support, Non-U.S. Gov'tinfo:eu-repo/semantics/publishe

From yeast ammonium transporters to Rhesus proteins

F.I. 0.7210 C.I.9info:eu-repo/semantics/publishe

From yeast ammonium transporters to Rhesus proteins, isolation and functional characterization

Saccharomyces cerevisiae possesses three ammonium transporters from the Mep/Amt family involved in ammonium acquisition and retention. We have shown that Rh proteins are structurally related to Mep/Amt proteins and that human RhAG and RhCG perform bi-directional ammonium transport upon heterologous expression in yeast. Using yeast as an expression tool, we have started a structure-function analysis of distinct members from the Mep/Amt/Rh super-family. © 2006 Elsevier SAS. All rights reserved.SCOPUS: ar.jinfo:eu-repo/semantics/publishe