The role of carbon impurities on the Si(001)-c(4 x 4) surface reconstruction: Theoretical calculations

In this work we employ the state-of-the-art pseudopotential method, within a generalized gradient approximation to the density functional theory, combined with a recently developed method for the calculation of HREELS spectra to study a series of different proposed models for carbon incorporation on the silicon (001) surface. A fully discussion on the geometry, energetics and specially the comparison between experimental and theoretical STM images and electron energy loss spectra indicate that the Si(100)-c(4 x 4) is probably induced by Si-C surface dinners, in agreement with recent experimental findings. (C) 2009 Elsevier B.V. All rights reserved.

Struktur- und Funktionsuntersuchungen des C 4-Dicarboxylat-Sensors DcuS von Escherichia coli

Das Zweikomponentensystem DcuSR reguliert die Expression der Gene der anaeroben Fumaratatmung in E. coli in Abhängigkeit von externen C4-Dicarbonsäuren. Die membranständige Histidinkinase DcuS detektiert den Reiz und leitet ihn über die Membran an den Responseregulaor DcuR weiter, der die Aktivität der Zielgene reguliert. Das Substratspektrum von DcuS wurde näher untersucht und strukturelle Eigenschaften der Substrate sowie ihre Affinität zu DcuS bestimmt. Es wird vermutet, dass Histidinkinasen im aktiven Zustand als Dimere oder höhere Oligomere vorliegen. Der Oligomerisierungszustand von DcuS in der Membran wurde mittels EPR-Spektroskopie untersucht. Es wurden funktionelle Cysteinmutanten von DcuS hergestellt, die nur an bestimmten Positionen der periplasmatischen Domäne Cysteinreste, aber sonst keine weiteren Cysteinreste, enthielten. Die Proteine wurden isoliert, über die Cysteinreste mit Nitroxiden markiert und in Liposomen rekonstituiert. Erste EPR-Messungen zeigten, dass rekonstituiertes DcuS in einem geordneten Zustand in der Membran vorliegt, der diskrete Abstände zwischen den Monomeren aufweist. Die Struktur von rekonstituiertem DcuS in der Membran soll durch Festkörper-NMR aufgeklärt werden. Ein geeignetes C-terminal verkürztes Konstrukt, DcuS-PD/PAS wurde zu diesem Zweck hergestellt. Das Protein ließ sich in hoher Reinheit isolieren und konnte wieder in Liposomen rekonstituiert werden. Vorbereitende NMR-Messungen zeigten, dass eine Strukturaufklärung an diesem Protein möglich ist. Weitere Strukturuntersuchungen werden zur Zeit durchgeführt.

Carrier und Regulatoren des Tartrat- und C 4-Dicarboxylatstoffwechsels von Escherichia coli

In E. coli dient L-Tartrat als Elektronenakzeptor während des anaeroben Wachstums und wird schließlich zu Succinat umgesetzt. Der sekundäre Carrier TtdT (YgjE) von E. coli ist ein Antiporter, der die Aufnahme von L-Tartrat im elektroneutralen Austausch gegen intrazelluläres Succinat katalysiert. TtdT besitzt eine hohe Substratspezifität und katalysiert den Transport von L-Tartrat und Succinat, nicht aber von meso- und D-Tartrat. Das Gen ttdT (ygjE) bildet mit den Genen ttdA und ttdB, welche für die L-Tartratdehydratase kodieren, ein Operon. Das benachbarte Gen ttdR (ygiP) kodiert für TtdR (YgiP), einen Tartrat-spezifischen Regulator vom LysR-Typ. TtdR reguliert die L-Tartratfermentation direkt durch Induktion des ttdABT-Operons und durch Autoregulation. TtdR stellt damit den Tartrat-spezifischen Regulator dar, der auf die Expression des ttdR ttdABT-Genclusters spezialisiert ist. Dagegen reguliert DcuSR, das Zweikomponentensystem für C4-Dicarboxylate, die L-Tartratfermentation indirekt durch die Regulation der Gene für die Fumaratatmung. YfaV und YeaV sind weitere potentielle Tartrattransporter. YfaV katalysiert vermutlich den Transport von C4-Dicarboxylaten, einschließlich Tartrat, unter aeroben und anaeroben Bedingungen. YeaV wird nur in Anwesenheit von L- und meso-Tartrat und unter aeroben Bedingungen gebildet. Die yeaUVWX-Gene unterliegen der trankriptionellen Regulation durch YeaT, dessen Gen yeaT vor yeaU liegt. YeaT ist wie TtdR ein Tartrat-spezifischer Regulator und besitzt eine signifikante Ähnlichkeit zu TtdR.

Der C 4-Dicarboxylat- und Citratsensor DcuS aus Escherichia coli - Signalerkennung und Regulation

Das Zweikomponentensystem DcuSR aus Escherichia coli reguliert in Abhängigkeit von C4-Dicarboxylaten die Expression der Gene der Fumaratatmung. Die Erkennung von C4-Dicarboxylaten erfolgt über die periplasmatische Domäne der Sensorkinase DcuS und führt zur Autophosphorylierung des konservierten Histidinrestes in der Kinasedomäne. Die Phosphatgruppe wird anschließend auf den Responseregulator DcuR übertragen und führt zur Induktion der Zielgene. Dazu gehören der Antiporter DcuB (dcuB), die anaerobe Fumarase B (fumB) und die Fumaratreduktase (frdABCD). DcuS detektiert neben C4-Dicarboxylaten auch Citrat über die periplasmatische Domäne. In dem nah verwandten Sensor CitA wird Citrat spezifisch über die drei Carboxyl- und die Hydroxylgruppe durch die Bindestellen C1, C2, C3 und H erkannt. DcuS benötigt für die Erkennung von C4-Dicarboxylaten und Citrat die gleichen Bindestellen. Die Citratbindung von DcuS ähnelte der von C4-Dicarboxylaten und unterschied sich von der Citraterkennung in CitA. DcuS konnte durch gerichtete Mutagenese der Bindungsstelle in Varianten überführt werden, die spezifisch für C4-Dicarboxylate (DcuSDC) oder Citrat (DcuSCit) waren. DcuSDC und DcuSCit hatten komplementäre Substratspezifitäten und reagierten entweder auf C4-Dicarboxylate oder auf Citrat (und Mesaconat). Citrat wurde vermutlich als C4-Dicarboxylat (mit einem Acetylrest) und somit über die gleichen Bindestellen wie C4-Dicarboxylate erkannt. Die Bindestellen C2 und C3 sind hoch konserviert und essentiell für die Bindung von zwei Carboxylgruppen von Citrat und C4-Dicarboxylaten. Die Stellen C1 und H werden vermutlich für koordinative Zwecke benötigt. Der Fumarat/Succinat-Antiporter DcuB hat neben der Transportaktivität eine regulatorische Aufgabe im DcuSR-System. Die Deletion von DcuB führte zur konstitutiven Expression der dcuB´-´lacZ Reportergenfusion und anderer DcuSR-regulierter Gene in Abwesenheit von C4-Dicarboxylaten. Die Effektor-unabhängige Expression setzte eine intakte periplasmatische Domäne von DcuS voraus und zeigte in Anwesenheit der spezifischen DcuS-Mutanten (DcuSDC, DcuSCit) eine geänderte Antwort. Die lässt vermuten, dass DcuB die regulatorischen Eigenschaften über eine direkte Wechselwirkung mit DcuS ausübt. Um den phosphorylierten Responseregulator DcuR-P in den Ursprungszustand zurückzuführen, muss dieser dephosphoryliert werden. Die bisher unbekannte Dephosphatase kann dabei entweder von dem Responseregulator, der Sensorkinase oder einem weiteren Protein stammen. DcuR verfügt über eine intrinsische Phosphataseaktivität, die durch den Sensor geringfügig stimuliert wurde.

The C-4-Dicarboxylate carriers DcuB and DctA of Escherichia coli: function as cosensors and topology

Das fakultativ anaerobe Enterobakterium Escherichia coli nutzt C4-Dicarboxylate sowohl unter aeroben als auch anaeroben Bedingungen als Kohlenstoff- und Energiequelle. Die Aufnahme der C4-Dicarboxylaten und die Energiekonservierung mittels Fumaratatmung wird durch das Zweikomponentensystem DcuSR reguliert. Die Sensorhistidinkinase DcuS und der nachgeschaltete Responseregulator DcuR aktivieren bei Verfügbarkeit von C4-Dicarboxylaten die Expression der Gene für den Succinat Transporter DctA, den anaeroben Fumarat/Succinat Antiporter DcuB, die Fumarase B sowie die Fumaratreduktase FrdABCD. Die Transportproteine DctA und DcuB wiederum regulieren die Expression der DcuSR-abhängigen Gene negativ. Fehlen von DctA oder DcuB resultiert bereits ohne Effektor in einer maximalen Expression von dctA bzw. dcuB. Durch gerichtete und ungerichtete Mutagenese wurde gezeigt, dass die Transportfunktion des Carriers DcuB unabhängig von seiner regulatorischen Funktion ist. DcuB kann daher als Cosensor des DcuSR Systems angesehen werden.rnUnter Verwendung von Reportergenfusionen von C-terminal verkürzten Konstrukten von DcuB mit der Alkalischen Phosphatase und der β-Galactosidase wurde die Topologie des Multitransmembranproteins DcuB bestimmt. Zusätzlich wurde die Zugänglichkeit bestimmter Aminosäurereste durch chemische Modifikation mit membran-durchlässigen und membran-undurchlässigen Thiolreagenzien untersucht. Die erhaltenen Ergebnisse deuten auf die Existenz eines tief in die Membran reichenden, hydrophilen Kanal hin, welcher zum Periplasma hin geöffnet ist. Mit Hilfe der Topologie-Studien, des Hydropathie-Blots und der Sekundärstruktur-Vorhersage wurde ein Modell des Carriers erstellt. DcuB besitzt kurze, periplasmatisch liegende Proteinenden, die durch 12 Transmembranhelices und zwei große hydrophile Schleifen jeweils zwischen TM VII/VIII und TM XI/XII verbunden sind. Die regulatorisch relevanten Reste K353, T396 und D398 befinden sich innerhalb von TM XI sowie auf der angrenzenden cytoplasmatischen Schleife XI-XII. Unter Berücksichtigung der strukturellen und funktionellen Aspekte wurde ein Regulationsmodell erstellt, welches die gemeinsam durch DcuB und DcuS kontrollierte C4-Dicarboxylat-abhängige Genexpression darstellt. rnDer Effekt von DctA und DcuSR auf die Expression einer dctA´-´lacZ Reportergenfusion und auf die aerobe C4-Dicarboxylat-Aufnahme wurde untersucht. In-vivo FRET-Messungen weisen auf eine direkte Wechselwirkung zwischen dem Carrier DctA und dem Sensor DcuS hin. Dieses Ergebnis stützt die Theorie der Regulation von DcuS durch C4-Dicarboxylate und durch die Cosensoren DctA bzw. DcuB mittels direkter Protein-Protein Interaktion.rn

Funktion der C 4-Dicarboxylat-Transporter DctA und DcuB als Co-Sensoren von DcuS in Escherichia coli

Escherichia coli kann C4-Dicarboxylate sowohl unter aeroben als auch unter anaeroben Bedingungen zur Energiekonservierung nutzen. Die Synthese der beteiligten Transporter und Enzyme wird auf der Transkriptionsebene durch das Zweikomponentensystem DcuSR reguliert. DcuS ist der Sensor für C4-Dicarboxylate. Der Antwortregulator DcuR wird von DcuS aktiviert und induziert die Expression des C4-Dicarboxylat-Transporters DctA unter aeroben Verhältnissen. Anaerob verstärkt DcuSR die Expression des Fumarat/Succinat-Antiporters DcuB, der Fumarase B und der Fumaratreduktase FrdABCD. DctA und DcuB agieren als Co-Sensoren von DcuS und üben einen negativen Effekt auf die Genexpression von dctA bzw. dcuB aus.rnIn dieser Arbeit wurde die Funktion von DctA und DcuB als Co-Sensoren von DcuS untersucht. Sowohl für DcuB als auch für DctA wurde eine direkte Protein-Protein-Interaktion mit DcuS über ein bakterielles Two-Hybrid System nachgewiesen. DcuS bildete ein Transporter-Sensor-Cluster mit DctA und DcuB. C-terminale Verkürzung und die Mutagenese einzelner Aminosäuren der C-terminalen Helix 8b von DctA führten zu einem Verlust der Interaktion mit DcuS. Mit dieser Interaktion gingen sowohl die regulatorische Funktion als auch die Transportfunktion der Punktmutante DctA-L414A verloren. Ein Verlust der Interaktion wurde ebenfalls zwischen einer konstitutiv aktiven DcuS-Mutante und wildtypischem DctA beobachtet. Ebenso zeigte sich eine partielle Reduktion der Interaktion von DcuS mit DctA, wenn DcuS nach der zweiten Transmembranhelix verkürzt wurde. Die Interaktion zwischen DcuS und DctA wurde durch den Effektor Fumarat modifiziert, ging aber nicht komplett verloren.rnDctA konnte in verschiedenen Plasmidsystemen überproduziert werden und bildete Homotrimere. Die Topologie von DctA wurde mit experimentellen und in silico Methoden aufgeklärt. DctA ähnelt der Struktur und Topologie des Aminosäuretransporters Glt aus Pyrococcus horikoshii. DctA besitzt acht Transmembranhelices mit einem cytosolischen N- und C-Terminus sowie zwei Haarnadelschleifen. Die Substratbindung findet höchstwahrscheinlich in den Haarnadelschleifen statt und der Transport erfolgt nach dem „alternating access“ Modell.rnAußerdem wurde die Funktion des Transporters YfcC untersucht. Das Gen yfcC wurde mit Schlüsselgenen des Acetatstoffwechsels co-transkribiert. In yfcC-Deletionsstämmen zeigte sich ein stammspezifischer Defekt bei Wachstum mit Acetat und Transport von Acetat.

Characterization of the Saccharomyces cerevisiae ERG27 gene encoding the 3-keto reductase involved in C-4 sterol demethylation

The last unidentified gene encoding an enzyme involved in ergosterol biosynthesis in Saccharomyces cerevisiae has been cloned. This gene, designated ERG27, encodes the 3-keto sterol reductase, which, in concert with the C-4 sterol methyloxidase (ERG25) and the C-3 sterol dehydrogenase (ERG26), catalyzes the sequential removal of the two methyl groups at the sterol C-4 position. We developed a strategy to isolate a mutant deficient in converting 3-keto to 3-hydroxy-sterols. An ergosterol auxotroph unable to synthesize sterol or grow without sterol supplementation was mutagenized. Colonies were then selected that were nystatin-resistant in the presence of 3-ketoergostadiene and cholesterol. A new ergosterol auxotroph unable to grow on 3-ketosterols without the addition of cholesterol was isolated. The gene (YLR100w) was identified by complementation. Segregants containing the YLR100w disruption failed to grow on various types of 3-keto sterol substrates. Surprisingly, when erg27 was grown on cholesterol- or ergosterol-supplemented media, the endogenous compounds that accumulated were noncyclic sterol intermediates (squalene, squalene epoxide, and squalene dioxide), and there was little or no accumulation of lanosterol or 3-ketosterols. Feeding experiments in which erg27 strains were supplemented with lanosterol (an upstream intermediate of the C-4 demethylation process) and cholesterol (an end-product sterol) demonstrated accumulation of four types of 3-keto sterols identified by GC/MS and chromatographic properties: 4-methyl-zymosterone, zymosterone, 4-methyl-fecosterone, and ergosta-7,24 (28)-dien-3-one. In addition, a fifth intermediate was isolated and identified by 1H NMR as a 4-methyl-24,25-epoxy-cholesta-7-en-3-one. Implications of these results are discussed.

Characterization of the Saccharomyces cerevisiae ERG26 gene encoding the C-3 sterol dehydrogenase (C-4 decarboxylase) involved in sterol biosynthesis

All but two genes involved in the ergosterol biosynthetic pathway in Saccharomyces cerevisiae have been cloned, and their corresponding mutants have been described. The remaining genes encode the C-3 sterol dehydrogenase (C-4 decarboxylase) and the 3-keto sterol reductase and in concert with the C-4 sterol methyloxidase (ERG25) catalyze the sequential removal of the two methyl groups at the sterol C-4 position. The protein sequence of the Nocardia sp NAD(P)-dependent cholesterol dehydrogenase responsible for the conversion of cholesterol to its 3-keto derivative shows 30% similarity to a 329-aa Saccharomyces ORF, YGL001c, suggesting a possible role of YGL001c in sterol decarboxylation. The disruption of the YGL001c ORF was made in a diploid strain, and the segregants were plated onto sterol supplemented media under anaerobic growth conditions. Segregants containing the YGL001c disruption were not viable after transfer to fresh, sterol-supplemented media. However, one segregant was able to grow, and genetic analysis indicated that it contained a hem3 mutation. The YGL001c (ERG26) disruption also was viable in a hem 1Δ strain grown in the presence of ergosterol. Introduction of the erg26 mutation into an erg1 (squalene epoxidase) strain also was viable in ergosterol-supplemented media. We demonstrated that erg26 mutants grown on various sterol and heme-supplemented media accumulate nonesterified carboxylic acid sterols such as 4β,14α-dimethyl-4α-carboxy-cholesta-8,24-dien-3β-ol and 4β-methyl-4α-carboxy-cholesta-8,24-dien-3β-ol, the predicted substrates for the C-3 sterol dehydrogenase. Accumulation of these sterol molecules in a heme-competent erg26 strain results in an accumulation of toxic-oxygenated sterol intermediates that prevent growth, even in the presence of exogenously added sterol.

Phospholipase C β4 is involved in modulating the visual response in mice

Expression of G protein-regulated phospholipase C (PLC) β4 in the retina, lateral geniculate nucleus, and superior colliculus implies that PLC β4 may play a role in the mammalian visual process. A mouse line that lacks PLC β4 was generated and the physiological significance of PLC β4 in murine visual function was investigated. Behavioral tests using a shuttle box demonstrated that the mice lacking PLC β4 were impaired in their visual processing abilities, whereas they showed no deficit in their auditory abilities. In addition, the PLC β4-null mice showed 4-fold reduction in the maximal amplitude of the rod a- and b-wave components of their electroretinograms relative to their littermate controls. However, recording from single rod photoreceptors did not reveal any significant differences between the PLC β4-null and wild-type littermates, nor were there any apparent differences in retinas examined with light microscopy. While the behavioral and electroretinographic results indicate that PLC β4 plays a significant role in mammalian visual signal processing, isolated rod recording shows little or no apparent deficit, suggesting that the effect of PLC β4 deficiency on the rod signaling pathway occurs at some stage after the initial phototransduction cascade and may require cell–cell interactions between rods and other retinal cells.

Phospholipase Cβ4 is specifically involved in climbing fiber synapse elimination in the developing cerebellum

Elimination of excess climbing fiber (CF)–Purkinje cell synapses during cerebellar development involves a signaling pathway that includes type 1 metabotropic glutamate receptor, Gαq, and the γ isoform of protein kinase C. To identify phospholipase C (PLC) isoforms involved in this process, we generated mice deficient in PLCβ4, one of two major isoforms expressed in Purkinje cells. PLCβ4 mutant mice are viable but exhibit locomotor ataxia. Their cerebellar histology, parallel fiber synapse formation, and basic electrophysiology appear normal. However, developmental elimination of multiple CF innervation clearly is impaired in the rostral portion of the cerebellar vermis, in which PLCβ4 mRNA is predominantly expressed. By contrast, CF synapse elimination is normal in the caudal cerebellum, in which low levels of PLCβ4 mRNA but reciprocally high levels of PLCβ3 mRNA are found. These results indicate that PLCβ4 transduces signals that are required for CF synapse elimination in the rostral cerebellum.

Cloning and characterization of ERG25, the Saccharomyces cerevisiae gene encoding C-4 sterol methyl oxidase.

We have cloned the Saccharomyces cerevisiae C-4 sterol methyl oxidase ERG25 gene. The sterol methyl oxidase performs the first of three enzymic steps required to remove the two C-4 methyl groups leading to cholesterol (animal), ergosterol (fungal), and stigmasterol (plant) biosynthesis. An ergosterol auxotroph, erg25, which fails to demethylate and concomitantly accumulates 4,4-dimethylzy-mosterol, was isolated after mutagenesis. A complementing clone consisting of a 1.35-kb Dra I fragment encoded a 309-amino acid polypeptide (calculated molecular mass, 36.48 kDa). The amino acid sequence shows a C-terminal endoplasmic reticulum retrieval signal KKXX and three histidine-rich clusters found in eukaryotic membrane desaturases and in a bacterial alkane hydroxylase and xylene monooxygenase. The sterol profile of an ERG25 disruptant was consistent with the erg25 allele obtained by mutagenesis.

Census of England and Wales, 1901. (63 Vict.c.4.)

[Vol.5] printed by Darling & Son.