Molekulargenetische und biochemische Untersuchungen zur Tryptophan-5-Halogenase aus der Biosynthese von Pyrroindomycin B in Streptomyces rugosporus

Regioselektive Halogenasen sind Enzyme, die für die Biosynthese verschiedener halogenierter Metaboliten verantwortlich sind. Der Stamm Streptomyces rugosporus produziert die bioaktive halogenierte Verbindung Pyrroindomycin B. In dieser Arbeit wurde ein Gen einer Tryptophan-5-Halogenase aus dem Pyrroindomycinproduzenten Streptomyces rugosporus isoliert. Durch gezielte Mutation des Gens konnte die Beteiligung der Halogenase an der Biosynthese von Pyrroindomycin B nachgewiesen werden. Das Tryptophan-5-Halogenase-Gen wurde heterolog exprimiert. In einem spezifischen Enzymtest konnte die Aktivität der Tryptophan-5-Halogenase gezeigt werden. Tryptophan wurde im Enzymtest durch dieses Enzym monobromiert und monochloriert. Das Protein konnte über Nickelaffinitäts-Chromatographie gereinigt werden.Regioselectively acting halogenases are enzymes which are responsible for the biosynthesis of a large variety of halogenated secondary metabolites. In many cases the biological activity of these metabolites is influenced by the halogen substituents. Isolation and characterization of the genes of specific halogenases and understanding the biochemistry of these enzymes are prerequisites for genetic engineering aiming at the production of novel halogenated compounds by combinatorial biosynthesis. In the work presented here a halogenase with novel regioselectivity was isolated. It is one of only three specific halogenases for which the enzymatic activity and the involvement in the biosynthesis of a halogenated metabolite could be shown. The availability of this specific tryptophan 5-halogenase is expected to open up novel possibilities for combinatorial biosynthesis and the enzymatic production of halogenated compounds

Untersuchungen zur Proteinsekretion in Bradyrhizobium japonicum unter besonderer Berücksichtigung des Typ III- Sekretionssystems und Charakterisierung der „metal ion-inducible autocleavage“ Effektordomäne

Im Mittelpunkt dieser Arbeit steht die Untersuchung des Typ III-Sekretionssystem (T3SS) bei Bradyrhizobium japonicum USDA110. Im ersten Teil der Arbeit wird die Regulation der Gene des Typ III-Sekretionssystems in B. japonicum beschrieben. Dabei wurde die tts-Box, als neuartige Promotorsequenz für die Gene des T3SS und sekretierter Proteine charakterisiert. Mittels Expressionsanalysen konnte die Aktivität von 34 Genregionen downstream der tts-Boxen in Abhängigkeit von Flavonoiden gezeigt werden. Auch in Symbiose, in frühen Infektionsstadien und in reifen Knöllchen von verschiedenen Wirtspflanzen wurde die Expression ausgewählter Gene nachgewiesen. Der zweite Teil der Arbeit widmet sich der Analyse der sekretierten Proteine von B. japonicum. Über 100 Proteine wurden im Überstand von Kulturen nachgewiesen, wovon 68 Proteine durch Massenspektrometrie identifiziert werden konnten. Zusätzlich wurden 12 Proteine identifiziert, die in Abhängigkeit des T3SS sekretiert werden. Im dritten Teil der Arbeit wurden die sekretierten Proteine NopE1 und NopE2 näher untersucht und als bona-fide Effektoren nachgewiesen. Die rekombinant produzierten Effektoren NopE1 und NopE2 wurden biochemisch charakterisiert. Für die Domäne unbekannter Funktion (DUF1521) wurde eine spezifische Selbstspaltungsaktivität in Gegenwart von Calcium gezeigt. Nachweislich ist diese Aktivität relevant für die Symbiose. Somit konnte der Proteindomäne mit bisher unbekannter Funktion eine biochemische Funktion zugeordnet werden. Im letzten Teil der Arbeit wurden die Untersuchungen an dieser Domäne auf weitere Proteine ausgedehnt. Für das putative Effektorprotein VIC_001052 aus V. coralliilyticus, dem Verursacher der Korallenbleiche bei Pocilla damicornis, wurde ebenfalls die in vitro Calcium-induzierte Selbstspaltungsaktivität gezeigt. Aufgrund der konservierten Selbstspaltungsfunktion wurde die DUF1521-Domäne in metal-ion inducible autocleavage- (MIIA)- Domäne umbenannt.:I. Einleitung Rhizobien-Leguminosen-Interaktion Proteinsekretionssysteme II. Zusammenfassung der Forschungsergebnisse 1. Untersuchung der Expression des Typ III-Sekretionssystems in Knöllchen und Analyse des tts-Box-Promotors 2. Identifizierung sekretierter Proteine von Bradyrhizobium japonicum 3. Untersuchung der sekretierten Proteine NopE1 und NopE2 4. Untersuchung von konservierten MIIA-Domänen III. Diskussion IV. Zusammenfassung V. Literaturverzeichnis VI. Anhang VII. Publikatione

Native bradyrhizobia isolated from Lupinus mariae-josephae possess an essential T3SS for symbiosis

Analysis of the genome sequence of bradyrhizobia strains isolated from root nodules of Lupinus mariae-josephae revealed the presence of a type III secretion system (T3SS). Mutagenesis of ttsI gene that codes for the transcriptional activator (TtsI) resulted in the formation of white, non-fixing nodules in L. mariae-josephae. The T3SS cluster includes a gene coding for a NopE-like protein with an autocleavage motif. The NopE protein is an effector in the Bradyrhizobium-soybean symbiosis (Wenzel et al., 2010). The autocatalytic properties of the purified NopE-like protein have been studied

Nitrogen fixation by native Bradyrhizobia in symbiosis with Lupinus mariae-josephae requires a T3SS encoding a NopE-like effector

Several bradyrhizobial isolates from L. mariae-josephae root nodules [1] contain a type III secretion system (T3SS) within a cluster of about 30 genes. Among those genes, ttsI codes for the transcriptional activator of the system. Mutation of ttsI resulted in the formation of white, non-fixing nodules with the natural legume host, L. mariae-josephae. The T3SS cluster also contains a gene coding for a NopE-like protein. NopE proteins have been demonstrated to be effectors in the Bradyrhizobium-soybean symbiosis [2] and belong to a small group of poorly characterized proteins from plant-associated bacteria that contain one or two autocleavage motifs known as DUF1521 (Schirrmeister et al. 2011). The amino acid sequence of a NopE-like protein in the L. mariae-josephae strain LmjC contains just one autocatalytic motif. This is unlike NopE1 and NopE2 proteins secreted by the T3SS of B. japonicum, that contain two motifs [3]. The autocleavage of LmjC NopE protein was analyzed after expression in E. coli and purification. Two protein fragments of the predicted sizes appeared in the presence of Ca2+, Cu2+, Cd2+, Zn2+ and Mn2+ cations. In contrast, autocleavage did not take place in the presence of Ni2+, Co2+ or Mg2+. Site-directed mutagenesis of the DUF1521 motif in LmjC NopE abolished self-cleavage in vitro. Symbiotic competence of a NopE- mutant with the L. mariae-josephae host was not affected. Possible roles of NopE are discussed

Calcium binding to a disordered domain of a type III-secreted protein from a coral pathogen promotes secondary structure formation and catalytic activity

Strains of the Gram-negative bacterium Vibrio coralliilyticus cause the bleaching of corals due to decomposition of symbiotic microalgae. The V. coralliilyticus strain ATCC BAA-450 (Vc450) encodes a type III secretion system (T3SS). The gene cluster also encodes a protein (locus tag VIC_001052) with sequence homology to the T3SS-secreted nodulation proteins NopE1 and NopE2 of Bradyrhizobium japonicum (USDA110). VIC_001052 has been shown to undergo auto-cleavage in the presence of Ca2+ similar to the NopE proteins. We have studied the hitherto unknown secondary structure, Ca2+-binding affinity and stoichiometry of the "metal ion-inducible autocleavage" (MIIA) domain of VIC_001052 which does not possess a classical Ca2+-binding motif. CD and fluorescence spectroscopy revealed that the MIIA domain is largely intrinsically disordered. Binding of Ca2+ and other di- and trivalent cations induced secondary structure and hydrophobic packing after partial neutralization of the highly negatively charged MIIA domain. Mass spectrometry and isothermal titration calorimetry showed two Ca2+-binding sites which promote structure formation with a total binding enthalpy of -110 kJ mol(-1) at a low micromolar K-d. Putative binding motifs were identified by sequence similarity to EF-hand domains and their structure analyzed by molecular dynamics simulations. The stoichiometric Ca2+-dependent induction of structure correlated with catalytic activity and may provide a "host-sensing" mechanism that is shared among pathogens that use a T3SS for efficient secretion of disordered proteins

Molekulargenetische und biochemische Untersuchungen zur Tryptophan-5-Halogenase aus der Biosynthese von Pyrroindomycin B in Streptomyces rugosporus

Regioselektive Halogenasen sind Enzyme, die für die Biosynthese verschiedener halogenierter Metaboliten verantwortlich sind. Der Stamm Streptomyces rugosporus produziert die bioaktive halogenierte Verbindung Pyrroindomycin B. In dieser Arbeit wurde ein Gen einer Tryptophan-5-Halogenase aus dem Pyrroindomycinproduzenten Streptomyces rugosporus isoliert. Durch gezielte Mutation des Gens konnte die Beteiligung der Halogenase an der Biosynthese von Pyrroindomycin B nachgewiesen werden. Das Tryptophan-5-Halogenase-Gen wurde heterolog exprimiert. In einem spezifischen Enzymtest konnte die Aktivität der Tryptophan-5-Halogenase gezeigt werden. Tryptophan wurde im Enzymtest durch dieses Enzym monobromiert und monochloriert. Das Protein konnte über Nickelaffinitäts-Chromatographie gereinigt werden.Regioselectively acting halogenases are enzymes which are responsible for the biosynthesis of a large variety of halogenated secondary metabolites. In many cases the biological activity of these metabolites is influenced by the halogen substituents. Isolation and characterization of the genes of specific halogenases and understanding the biochemistry of these enzymes are prerequisites for genetic engineering aiming at the production of novel halogenated compounds by combinatorial biosynthesis. In the work presented here a halogenase with novel regioselectivity was isolated. It is one of only three specific halogenases for which the enzymatic activity and the involvement in the biosynthesis of a halogenated metabolite could be shown. The availability of this specific tryptophan 5-halogenase is expected to open up novel possibilities for combinatorial biosynthesis and the enzymatic production of halogenated compounds

Untersuchungen zur Proteinsekretion in Bradyrhizobium japonicum unter besonderer Berücksichtigung des Typ III- Sekretionssystems und Charakterisierung der „metal ion-inducible autocleavage“ Effektordomäne

Im Mittelpunkt dieser Arbeit steht die Untersuchung des Typ III-Sekretionssystem (T3SS) bei Bradyrhizobium japonicum USDA110. Im ersten Teil der Arbeit wird die Regulation der Gene des Typ III-Sekretionssystems in B. japonicum beschrieben. Dabei wurde die tts-Box, als neuartige Promotorsequenz für die Gene des T3SS und sekretierter Proteine charakterisiert. Mittels Expressionsanalysen konnte die Aktivität von 34 Genregionen downstream der tts-Boxen in Abhängigkeit von Flavonoiden gezeigt werden. Auch in Symbiose, in frühen Infektionsstadien und in reifen Knöllchen von verschiedenen Wirtspflanzen wurde die Expression ausgewählter Gene nachgewiesen. Der zweite Teil der Arbeit widmet sich der Analyse der sekretierten Proteine von B. japonicum. Über 100 Proteine wurden im Überstand von Kulturen nachgewiesen, wovon 68 Proteine durch Massenspektrometrie identifiziert werden konnten. Zusätzlich wurden 12 Proteine identifiziert, die in Abhängigkeit des T3SS sekretiert werden. Im dritten Teil der Arbeit wurden die sekretierten Proteine NopE1 und NopE2 näher untersucht und als bona-fide Effektoren nachgewiesen. Die rekombinant produzierten Effektoren NopE1 und NopE2 wurden biochemisch charakterisiert. Für die Domäne unbekannter Funktion (DUF1521) wurde eine spezifische Selbstspaltungsaktivität in Gegenwart von Calcium gezeigt. Nachweislich ist diese Aktivität relevant für die Symbiose. Somit konnte der Proteindomäne mit bisher unbekannter Funktion eine biochemische Funktion zugeordnet werden. Im letzten Teil der Arbeit wurden die Untersuchungen an dieser Domäne auf weitere Proteine ausgedehnt. Für das putative Effektorprotein VIC_001052 aus V. coralliilyticus, dem Verursacher der Korallenbleiche bei Pocilla damicornis, wurde ebenfalls die in vitro Calcium-induzierte Selbstspaltungsaktivität gezeigt. Aufgrund der konservierten Selbstspaltungsfunktion wurde die DUF1521-Domäne in metal-ion inducible autocleavage- (MIIA)- Domäne umbenannt.:I. Einleitung Rhizobien-Leguminosen-Interaktion Proteinsekretionssysteme II. Zusammenfassung der Forschungsergebnisse 1. Untersuchung der Expression des Typ III-Sekretionssystems in Knöllchen und Analyse des tts-Box-Promotors 2. Identifizierung sekretierter Proteine von Bradyrhizobium japonicum 3. Untersuchung der sekretierten Proteine NopE1 und NopE2 4. Untersuchung von konservierten MIIA-Domänen III. Diskussion IV. Zusammenfassung V. Literaturverzeichnis VI. Anhang VII. Publikatione

Molekulargenetische und biochemische Untersuchungen zur Tryptophan-5-Halogenase aus der Biosynthese von Pyrroindomycin B in Streptomyces rugosporus

Regioselektive Halogenasen sind Enzyme, die für die Biosynthese verschiedener halogenierter Metaboliten verantwortlich sind. Der Stamm Streptomyces rugosporus produziert die bioaktive halogenierte Verbindung Pyrroindomycin B. In dieser Arbeit wurde ein Gen einer Tryptophan-5-Halogenase aus dem Pyrroindomycinproduzenten Streptomyces rugosporus isoliert. Durch gezielte Mutation des Gens konnte die Beteiligung der Halogenase an der Biosynthese von Pyrroindomycin B nachgewiesen werden. Das Tryptophan-5-Halogenase-Gen wurde heterolog exprimiert. In einem spezifischen Enzymtest konnte die Aktivität der Tryptophan-5-Halogenase gezeigt werden. Tryptophan wurde im Enzymtest durch dieses Enzym monobromiert und monochloriert. Das Protein konnte über Nickelaffinitäts-Chromatographie gereinigt werden.Regioselectively acting halogenases are enzymes which are responsible for the biosynthesis of a large variety of halogenated secondary metabolites. In many cases the biological activity of these metabolites is influenced by the halogen substituents. Isolation and characterization of the genes of specific halogenases and understanding the biochemistry of these enzymes are prerequisites for genetic engineering aiming at the production of novel halogenated compounds by combinatorial biosynthesis. In the work presented here a halogenase with novel regioselectivity was isolated. It is one of only three specific halogenases for which the enzymatic activity and the involvement in the biosynthesis of a halogenated metabolite could be shown. The availability of this specific tryptophan 5-halogenase is expected to open up novel possibilities for combinatorial biosynthesis and the enzymatic production of halogenated compounds

Analysis of the secretome of the soybean symbiont Bradyrhizobium japonicum

Hempel J, Zehner S, Goettfert M, Patschkowski T. Analysis of the secretome of the soybean symbiont Bradyrhizobium japonicum. JOURNAL OF BIOTECHNOLOGY. 2009;140(1-2):51-58.Proteins from the supernatant of Bradyrhizobium japonicum were separated by two-dimensional gel electrophoresis and stained with Coomassie. This revealed more than 100 protein spots. Sixty-eight proteins were identified by mass spectrometry. Thirty-five are predicted to contain an N-terminal signal peptide characteristic for proteins transported by the general secretory pathway. Most of these appear to be substrate-binding proteins of the ABC transported family. Ten proteins were categorized as unclassified conserved or hypothetical. None of the proteins has similarity to proteins transported by a type I secretion system or to autotransporters. Three of the proteins might be located in the outer membrane. The addition of genistein led to changes in the spot pattern of three flagellar proteins and resulted in the identification of the nodulation outer protein Pgl. Moreover, the application of shot-gun mass spectrometry resulted in the first-time identification of NopB. NopH and NopT, which were present only after genistein induction. Replacing genistein with daidzein or coumestrol reduced the amount of the type III-secreted protein GunA2. (C) Elsevier B.V. All rights reserved

Characterization of Two Sets of Subpolar Flagella in Bradyrhizobium japonicum

Bradyrhizobium japonicum is one of the soil bacteria that form nodules on soybean roots. The cell has two sets of flagellar systems, one thick flagellum and a few thin flagella, uniquely growing at subpolar positions. The thick flagellum appears to be semicoiled in morphology, and the thin flagella were in a tight-curly form as observed by dark-field microscopy. Flagellin genes were identified from the amino acid sequence of each flagellin. Flagellar genes for the thick flagellum are scattered into several clusters on the genome, while those genes for the thin flagellum are compactly organized in one cluster. Both types of flagella are powered by proton-driven motors. The swimming propulsion is supplied mainly by the thick flagellum. B. japonicum flagellar systems resemble the polar-lateral flagellar systems of Vibrio species but differ in several aspects