Heavy-metal resistance in Marinobacter aquaeolei 617 insights into copper resistance

Dissertação apresentada na Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa para obtenção do grau de Mestre em Biotecnologia

The tetranuclear copper active site of nitrous oxide reductase: the CuZ center

J Biol Inorg Chem (2011) 16:183–194 DOI 10.1007/s00775-011-0753-3

O2 activation at bioinspired complexes: dinuclear copper systems and mononuclear non-heme iron compounds. Mechanisms and catalytic applications in oxidative transformations

L'activació d'oxigen que té lloc en els éssers vius constitueix una font d'inspiració pel desenvolupament d'alternatives als oxidants tradicionals, considerats altament tòxics i nocius. En aquesta treball s'utilitzen compostos sintètics com a models del centre actiu de proteïnes dinuclears de coure i mononuclears de ferro de tipus no-hemo que participen en l'activació d'oxigen en els éssers vius. Els sistemes dinuclears de coure mostren un centre de tipus coure(III) bis(oxo) que és capaç de dur a terme l'ortho-hidroxilació de fenols de manera similar a la reacció que catalitza la proteïna tirosinasa. Per altra banda, els sistemes de ferro desenvolupats en aquest treball actuen com a models de les dioxigenases de Rieske i poden dur a terme l'hidroxilació estereoespecífica d'alcans i l'epoxidació i cis-dihidroxilació d'olefines utilitzant peròxid d'hidrogen com a agent oxidant. Tot plegat demostra que el desenvolupament de sistemes model constitueix una bona estratègia per l'estudi dels sistemes naturals.

The Menkes/Wilson disease gene homologue in yeast provides copper to a ceruloplasmin-like oxidase required for iron uptake.

The CCC2 gene of the yeast Saccharomyces cerevisiae is homologous to the human genes defective in Wilson disease and Menkes disease. A biochemical hallmark of these diseases is a deficiency of copper in ceruloplasmin and other copper proteins found in extracytosolic compartments. Here we demonstrate that disruption of the yeast CCC2 gene results in defects in respiration and iron uptake. These defects could be reversed by supplementing cells with copper, suggesting that CCC2 mutant cells were copper deficient. However, cytosolic copper levels and copper uptake were normal. Instead, CCC2 mutant cells lacked a copper-dependent oxidase activity associated with the extracytosolic domain of the FET3-encoded protein, a ceruloplasmin homologue previously shown to be necessary for high-affinity iron uptake in yeast. Copper restored oxidase activity both in vitro and in vivo, paralleling the ability of copper to restore respiration and iron uptake. These results suggest that the CCC2-encoded protein is required for the export of copper from the cytosol into an extracytosolic compartment, supporting the proposal that intracellular copper transport is impaired in Wilson disease and Menkes disease.

Enzymatic activity mastered by altering metal coordination spheres

J Biol Inorg Chem (2008) 13:1185–1195 DOI 10.1007/s00775-008-0414-3

Untersuchungen zur rekombinanten Expression und Faltung pflanzlicher Tyrosinasen

In ihrer dualen Funktion als Monophenolhydroxylase (EC 1.14.18.1) und Diphenoloxidase (EC 1.10.3.1) ist die Tyrosinase das Schlüsselenzym der Melanogenese, der Synthese des Melanins, und übernimmt damit quer durch alle Organismenreiche Aufgaben von der Pigmentierung bis hin zu einer Beteiligung an der Immunantwort. Sie zählt, zusammen mit den Catecholoxidasen und Hämocyaninen, zu den Typ-3-Kupfer-Proteinen, die sich durch ein Aktives Zentrum auszeichnen, das in der Lage ist, Sauerstoff und phenolische Substrate reversibel zwischen zwei Kupfer-Ionen zu binden. Bisher konnte weder die Funktion der pflanzlichen Tyrosinase genau identifiziert, noch die Struktur eines solchen Enzyms aufgeklärt werden. Mit dem späteren Ziel, durch eine röntgenkristallographische Analyse die zugrunde liegende strukturelle Ursache der zusätzlichen Monophenolhydroxylase-Aktivität von Tyrosinasen gegenüber reinen Catecholoxidasen ermitteln zu können, wurde in dieser Arbeit ein bakterielles Expressionssystem entwickelt, das zur Herstellung einer rekombinanten Tyrosinase oder Polyphenoloxidase (PPO) aus Spinacia oleracea (Spinat) für die Kristallisation verwendet werden kann. Das rekombinante Protein wurde in Form von Inclusion Bodies isoliert, anhand einer Affinitätschromatographie aufgereinigt und in anschließende Rückfaltungsexperimente eingesetzt. In einer parallelen Versuchsreihe konnte Spinat, aufgrund seiner hohen Tyrosinaseaktivität, als geeignetes Objekt für die Isolation des nativen Enzyms identifiziert werden. Im Anschluss an eine Thylakoidpräparation, Solubilisierung der Thylakoidmembranen und Fällung des Proteins mit Ammoniumsulfat, wurden Experimente zur weiteren Anreicherung der Tyrosinase-Aktivität über eine Anionenaustausch-Chromatographie und zur Etablierung einiger nachfolgender Aufreinigungsschritte durchgeführt.

Über die Funktion und Struktur der Tyrosinase aus Streptomyces antibioticus

Für die Aufklärung der chemisch anspruchsvollen Monophenolase-Reaktion von Tyrosinasen wurde ein System entwickelt, um das Zielprotein aus dem Bakterium Streptomyces antibioticus in großen Mengen und mit hoher Reinheit zu isolieren. Zudem konnte ein hypothetischer Reaktionsmechanismus für die Monophenolase- und die Diphenolase-Aktivität der Tyrosinase formuliert werden. Die beiden Reaktionen der S. antibioticus-Tyrosinase wurden kinetisch analysiert und auf diesem Weg die Aktivität des Enzyms mit jener der sehr gut charakterisierten Tyrosinase aus dem Pilz Agaricus bisporus verglichen. Hierbei wurden signifikante Unterschiede festgestellt, die auf die verschiedenartigen Proteinstrukturen zurückgeführt wurden. Auch konnte gezeigt werden, dass einige sekundäre Pflanzenstoffe, die vor allem in Wein zu finden sind und in ihrer chemischen Struktur den Tyrosinasesubstraten ähnlich sind, die Aktivität dieses Enzyms maßgeblich beeinflussen. Das O2-Transportprotein Hämocyanin aus der Vogelspinne Eurypelma californicum, das wie die Tyrosinase zu der Familie der Typ-3-Kupferproteine gehört, ist nach chemischer Aktivierung zur Phenoloxidase zur enzymatischen Quervernetzung von Proteinen fähig. Die Tatsache, dass diese Quervernetzung auch das Hämocyanin selbst betrifft, sowie der erfolgreiche Nachweis von Hämocyanin in der Kutikula des genannten Organismus, legen die Vermutung nahe, dass die physiologische Funktion von Hämocyanin im Rahmen der Sklerotisierung des Exoskeletts in einer aktiven und passiven Beteiligung an Gerbungsprozessen im Integument besteht.

3D-Strukturanalyse von Molluskenhämocyaninen aus elektronenmikroskopischen Bildern

Diese Arbeit präsentiert die bislang höchst aufgelösten KryoEM-Strukturen für ein Cephalopoden hämocyanin Dekamer (Nautilus pompilus Hämocyanin, NpH) und ein Gastropoden Hämocyanin Didekamer (keyhole limpet hemocyanin isoform 1). Durch die Methoden des “molecular modelling” und “rigid-body-fiting” wurde auch eine detaillierte Beschreibung beider Strukturen auf atomarem Niveau erstmalig möglich. Hämocyanine sind kupferhaltige Sauerstoff-Transportproteine die frei gelöst in Blut zahlreicher Arthropoden und Mollusken vorkommen. Allgemein sind Molluskenhämocyanine als Dekamere (Hohlzylinder aus 5 Untereinheiten-dimere) oder Didecamere (Zusammenlagerung von zwei Dekameren) zu finden. Durch Anlagerung weiterer Dekamere bilden sich teilweise tubuläre Multidekamere. Hämocyanine der Cephalopoden bestehen ausschließlich aus solitären Decameren. In Octopus und Nautilus bestehen die 10 Untereinheiten aus 7 funktionellen Einheiten(FU-a bis FU-g), wobei jede FU ein Sauerstoffmolekül binden kann. FUs a-f bilden die Wand des ringförmigen Moleküls und 10 Kopien der FU-g bilden einen sogenannten „inneren Kragenkomplex“. Das im Rahmen dieser Arbeit erstelltes molekulares Modell von NpH klärt die Struktur des Dekamers vollständig auf. Wir waren zum ersten Mal in der Lage das Untereinheiten-dimer, den Verlauf der Polypeptidkette und 15 unterschiedliche Kontaktstellen zwischen FUs zu identifizieren. Viele der inter-FU-Kontakte weisen Aminosäurenkonstellationen auf, die die Basis für die Übertragung allosterischer Wechselwirkungen zwischen FUs darstellen könnten und Hinweise für den Aufbau der allosterische Einheit geben. Potentielle Bindungsstellen für N-glykosidische Zucker und bivalente Kationen wurden auch identifiziert. Im Gegensatz zu NpH, kommen Gastropoden Hämocyanine (inkl. KLH) hauptsächlich als Didekamere vor und der Kragenkomplex wird in diesem Fall aus 2 FUs gebildet (Fu-g und FU-h). Die zusätzliche C'-terminale FU-h zeichnet sich durch eine spezielle Verlängerung von ~ 100 Aminosäuren aus. KLH stammt aus der kalifornische Schnecke Megathura crenulata und kommt seit mehreren Jahrzehnten als Immunostimulator in der immunologischen Grundlagenforschung und klinischen Anwendung zum Einsatz. KLH weist zwei Isoformen auf, KLH1 und KLH2. Das vorliegende Modell von KLH1 erlaubt die komplexe Architektur dieses riesigen Proteins in allen Details zu verstehen, sowie einen Vergleich zum dem NpH Dekamer auf atomare Ebene. Es wurde gefunden, dass das Untereinheitensegment a-b-c-d-e-f-g, sowie die equivalenten Kontaktstellen zwichen FUs stark konserviert sind. Dies deutet darauf hin, dass in Bezug auf die Übertragung allosterische Signale zwischen benachbarten FUs, grundlegende Mechanismen in beiden Molekülen beibehalten wurden. Weiterhin, konnten die Verbindungen zwischen den zwei Dekameren ertsmalig identifiziert werden. Schließlich, wurde die Topologie der N-glycosidischen Zucker, welche für die immunologische Eigenschaften von KLH1 von großer Bedeutung sind, auch aufgeklärt. Somit leistet die vorliegende Arbeit einen wesentlichen Schritt zum Verständnis der Quartärstruktur und Funktion der Molluskenhämocyanine.rn

Untersuchung multimerer Proteinkomplexe mit oberflächenanalytischen und röntgenspektroskopischen Methoden

Zusammenfassung rnrnIn dieser Arbeit wurden Untersuchungen an zwei verschiedenen multimeren Proteinkomplexen durchgeführt: Zum einen am Hämocyanin aus Homarus americanus mittels Röntgen-L-Kantenspektroskopie und zum anderen am α-Toxin aus Staphylococcus aureus, hinsichtlich der Interaktion an speziellen Raft-artigen Membranabschnitten, mittels AFM.rnFür das Hämocyanin aus Homarus americanus konnte ein neuer Aspekt bezüglich der Bindung von Sauerstoff aufgezeigt werden. Ein zuvor nicht in Betracht gezogener und diskutierter Einfluss von Wassermolekülen auf diesen Vorgang konnte mittels der Methode der Röntgen-L-Kantenspektroskopie dargestellt werden. Erstmals war es möglich die beiden verschiedenen Beladungszustände (Oxy-, Deoxy-Zustand) des Hämocyanin mittels dieser Methode in physiologisch ähnlicher Umgebung zu untersuchen. Vergleiche der erhaltenen L-Kanten-Spektren mit denen anorganischer Vergleichslösungen ließen auf eine Interaktion von Wassermolekülen mit den beiden Kupferatomen des aktiven Zentrums schließen. Dadurch wurde erstmals ein möglicher Einfluss des Wassers auf den Oxygenierungsprozess des Hämocyanins auf elektronischer Ebene aufgezeigt. Vergleichende Betrachtungen von Röntgenkristallstrukturen verschiedener Typ-3-Kupferproteine bestätigten, dass auch hier ein Einfluss von Wassermolekülen auf die aktiven Zentren möglich ist. Vorgeschlagen wird dabei, dass an Stelle der Überlappung der 3d-Orbitale des Kupfers mit den 2p-Orbitalen des Sauerstoffs, wie sie im sauerstoffbeladenen Zustand auftritt, im sauerstoffunbeladenen Zustand eine Wechselwirkung der 3d-Orbitale des Kupfers mit den LUMOS der Wassermoleküle möglich wird, und ein Elektronen- bzw. Ladungstransfer von den Kupfern auf die Wassermoleküle erfolgen kann. rnAFM-Untersuchungen hinsichtlich der Interaktion des α-Toxins aus Staphylococcus aureus mit oberflächenunterstützten Modellmembranen wiesen darauf hin, dass eine bevorzugte Anbindung und zumindest teilweise Integration der α-Toxine in Raft-artige Membranbereiche stattfindet. Für verschiedene ternäre Lipidsysteme konnten phasenseparierte Modellmembranen abgebildet und die unterschiedlichen Domänenformen zugeordnet werden. Der Anbindungsprozess der Toxine an diese oberflächenunterstützte Modellmembranen erfolgte dann wahrscheinlich vornehmlich an den speziellen Raft-artigen Domänen, wohingegen die Insertion der Poren vorrangig an den Grenzbereichen zwischen den Domänen auftrat. Mögliche Ursache dafür sind die räumlichen Besonderheiten dieser Grenzflächen. Membranen weisen an den Schnittstellen zwischen zwei Domänenformen eine erhöhte Unordnung auf, was sich u.a. in einer geringeren Packungsdichte der Phospholipide und dem erhöhten Freiheitsgrad ihrer Kopfgruppen bemerkbar macht. Außerdem kommt es auf Grund der Interaktion der beteiligten Membranbestandteile Sphingomyelin und Cholesterol untereinander zu einer speziellen Ausrichtung der Phosphocholin-Kopfgruppen und innerhalb der Raft-artigen Domänen zu einer erhöhten Packungsdichte der Phospholipide. Die in dieser Arbeit präsentierten Ergebnisse unterstützten demnach die in der Literatur postulierte Vermutung der bevorzugten Interaktion und Integration der Toxin-Moleküle mit Raft-artigen Membrandomänen. Die Insertion der Pore erfolgt aber wahrscheinlich bevorzugt an den Grenzbereichen zwischen den auftretenden Domänen.rn

PrrC from Rhodobacter sphaeroides, a homologue of eukaryotic Sco proteins, is a copper-binding protein and may have a thiol-disulfide oxidoreductase activity

PrrC from Rhodobacter sphaeroides provides the signal input to a two-component signal transduction system that senses changes in oxygen tension and regulates expression of genes involved in photosynthesis (Eraso, J.M. and Kaplan, S. (2000) Biochemistry, 39, 2052-2062; Oh, J.-I. and Kaplan, S. (2000) EMBO J. 19, 42374247). It is also a homologue of eukaryotic Sco proteins and each has a C-x-x-x-C-P sequence. In mitochondrial Sco proteins these cysteines appear to be essential for the biogenesis Of the Cu-A centre of respiratory cytochrome oxidase. Overexpression and purification of a water-soluble and monomeric form of PrrC has provided sufficient material for a chemical and spectroscopic study of the properties of the four cysteine residues of PrrC, and its ability to bind divalent cations, including copper. PrrC expressed in the cytoplasm of Escherichia coli binds Ni2+ tightly and the data are consistent with a mononuclear metal site. Following removal of Ni2+ and formation of renatured metal-free rPrrC (apo-PrrC), Cu2+ could be loaded into the reduced form of PrrC to generate a protein with a distinctive UV-visible spectrum, having absorbance with a lambda(max) of 360 nm. The copper:PrrC ratio is consistent with the presence of a mononuclear metal centre. The cysteines of metal-free PrrC oxidise in the presence of air to form two intramolecular disulfide bonds, with one pair being extremely reactive. The cysteine thiols with extreme O-2 sensitivity are involved in copper binding in reduced PrrC since the same copper-loaded protein could not be generated using oxidised PrrC. Thus, it appears that PrrC, and probably Sco proteins in general, could have both a thiol-disulfide oxidoreductase function and a copper-binding role. (C) 2002 Published by Elsevier Science B.V. on behalf of the Federation of European Biochemical Societies.

The effects of copper ions on the synthesis of periplasmic and membrane proteins in Acidithiobaeillus ferrooxidans as analyzed by SDS-PAGE and 2D-PAGE

The effects of 200 mM copper ions on the synthesis of membrane and periplasmic proteins were investigated in iron-grown cells of Acidithiobacillus ferrooxidans (At. ferrooxidans). Total membrane protein profiles of cells grown in the absence of copper ions (unadapted cells) and in the presence of copper ions (copper-adapted cells) were compared by two-dimensional polyacrylamide gel electrophoresis (2D-PAGE). Crude preparations of outer membrane and periplasmic proteins were analyzed by SDS-PAGE. The synthesis of proteins was diminished or increased in the presence of copper ions. Low molecular weight proteins (< 14 kDa) were significantly repressed by copper. These proteins are probably acidic proteins located in the outer membrane. An over-expression of a periplasmic protein of about 17 kDa was detected in the copper-adapted cells and was assumed to be rusticyanin, a 16.5-kDa periplasmic copper protein present in At. ferrooxidans cells and involved in the electron-transport chain of the iron oxidation pathway. To our knowledge, this is the first report of a possible involvement of the rusticyanin and outer membrane proteins in the mechanism of copper resistance in At. ferrooxidans. (C) 2003 Elsevier B.V. All rights reserved.

CopY-like copper inducible repressors are putative 'winged helix' proteins

CopY of Enterococcus hirae is a well characterized copper-responsive repressor involved in copper homeostasis. In the absence of copper, it binds to the promoter. In high copper, the CopZ copper chaperone donates copper to CopY, thereby releasing it from the promoter and allowing transcription of the downstream copper homeostatic genes of the cop operon. We here show that the CopY-like repressors from E. hirae, Lactococcus lactis, and Streptococcus mutans have similar affinities not only for their native promoters, but also for heterologous cop promoters. CopZ of L. lactis accelerated the release of CopY from the promoter, suggesting that CopZ of L. lactis acts as copper chaperone, similar to CopZ in E. hirae. The consensus binding motif of the CopY-like repressors was shown to be TACAxxTGTA. The same binding motif is present in promoters controlled by BlaI of Bacillus licheniformis, MecI of Staphylococcus aureus and related repressors. BlaI and MecI have known structures and belong to the family of 'winged helix' proteins. In the N- terminal domain, they share significant sequence similarity with CopY of E. hirae. Moreover, they bind to the same TACAxxTGTA motif. NMR analysis of the N-terminal DNA binding domain of CopY of L. lactis showed that it contained the same alpha-helical content like the same regions of BlaI and MecI. These findings suggest that the DNA binding domains of CopY-like repressors are also of the 'winged helix' type.