TY - THES A1 - Merdanovic, Melisa T1 - Charakterisierung von NadR : das essentielle Enzym der NAD-Synthese bei Haemophilus influenzae T1 - Characterization of NadR: an essential enzyme of NAD synthesis in Haemophilus influenzae N2 - I Zusammenfassung Haemophilus influenzae, ein Gram-negatives, Bakterium der Familie Pasteurellaceae, kann beim Menschen eine Vielzahl an Erkrankungen auslösen: Die bekapselte Stämme, v. a. mit Typ b Kapsel können Cellulitis, septische Arthritis, Epiglottitis und Meningitis verursachen. Die nicht-bekapselte Stämme können Otitis media, Sinusitis, Pneumonie und in selteneren Fällen Bakterämie verursachen. Ein besonderes Merkmal des Metabolismus von H. influenzae ist dessen Unfähigkeit Nikotinamid-Adenin-Dinukleotid (NAD+) de novo zu synthetisieren. Daher sind die Enzyme bzw. Transporter, die an NAD+ Aufnahme und Resynthese beteiligt sind, als putative antimikrobielle Ziele von Interesse. In unserer Arbeitsgruppe konnte gezeigt werden, dass NAD+ zu Nikotinamidribosyl degradiert werden muss, bevor es in die Zelle aufgenommen werden kann. Auch Proteine, die an der Degradation des exogenen NAD+ zu Nikotinamidribosyl und dessen anschließender Aufnahme in die Zelle verantwortlich sind, konnten identifiziert und charakterisiert werden. Wie Nikotinamidribosyl im Cytoplasma wiederum zu NAD+ synthetisiert wird, ist auch erst kürzlich geklärt worden: für NadR konnte sowohl eine Ribosyl-Nukleotid-Kinase (RNK) Aktivität als auch eine Nikotinamid-Mononukleotid-Adenylyltransferase (NMNAT) Aktivität in vitro gezeigt werden. Die Kristallstruktur von hiNadR im Komplex mit NAD+ wurde auch aufgeklärt. In dieser Arbeit sollte NadR, insbesondere dessen RNK Domäne, in vivo und in vitro näher charakterisiert werden. Um zu untersuchen, ob beide Domänen in vivo essentiell sind, wurden Deletionsmutanten erzeugt, bei welchen die komplette bzw. der C-terminale Teil der RNK Domäne fehlten. Diese Deletionen konnten im nadV+ Hintergrund erzeugt werden. Die Deletionen konnten in H. influenzae nur zusammen mit dem nadV-Gen transferiert werden oder alternativ nur in die Zellen, die mit pNadRKan Plasmid transformiert wurden. Dies verdeutlicht, dass nicht nur die NMNAT Domäne sondern auch die RNK Domäne bzw. sogar nur wenige C-terminal fehlende Aminosäuren des NadR Proteins essentiell für die Lebensfähigkeit von H. influenzae sind. Gleichzeitig zeigen diese Experimente, dass die RNK-Domäne in Anwesenheit von NadV redundant ist. Ein weiterer Phänotyp der RNK-Deletionsmutante zeigte sich beim Nikotinamidribosyl-Transport. Im Gegensatz zum Wt, welcher ca. 60-80% des 14C-Nikotinamidribosyls aufnahm, konnte für die RNK-Deletionsmutante nur 2-5% Aufnahme gemessen werden. Dies konnte durch das pNadRKan Plasmid komplementiert werden. Weiterhin wurde festgestellt, dass spontan Aminopyridin-resistente H. influenzae Zellen Mutationen im nadR Gen haben, insbesondere im Walker A-Motif (P-Loop) der RNK Domäne. Zusätzlich konnte in dieser Arbeit gezeigt werden, dass NadR aus Aminopyridin und ATP Aminopyridin-Adenin-Dinukleotid synthetisieren kann. Somit konnte gezeigt werden, dass die wachstumshemmende Wirkung eigentlich durch das aus Aminopyridin synthetisierte Aminopyridin-Adenin-Dinukleotid entsteht, welches NAD+ in Redox-Reaktionen verdrängt, wodurch es letztendlich zum Stillstand des Metabolimus kommt. Durch Einführen von gezielten AS-Substitutionen im Walker A und B Motif und in der LID-Domäne von NadR, konnten einige Aminosäuren identifiziert werden, welche essentiell für die Aktivität der RNK Domäne sind. Alle Aminosäuren-Substitutionen führten zum Verlust der RNK Aktivität, die NMNAT Aktivität jedoch war nicht beeinträchtigt. Desweiteren wurden diese NadR Punktmutanten in vivo untersucht. Für alle konnte eine signifikante Defizienz in der Nikotinamidribosyl-Aufnahme beobachtet werden, die gemessene Aufnahme lag im Bereich der RNK-Deletionsmutante. Dadurch konnte eine direkte Korrelation zwischen der RNK Aktivität und der Nikotinamidribosyl-Aufnahme gezeigt werden. In weiteren in vitro Experimenten konnte für NadR eine Feedback-Inhibition durch das NAD+ gezeigt werden, wobei NAD+ in erster Linie die RNK Domäne von NadR inhibiert. Eine graduelle Erhöhung der NAD+ Konzentration führte in den in vitro Assays zu einer graduellen Abnahme der RNK. Bei der NMNAT Aktivität jedoch zeigte sich keine signifikante Inhibition in Anwesenheit von NAD+. Begleitende in vivo Experimente, zeigten eine 2/3 Reduktion der Nikotinamidribosyl-Aufnahme bei den Zellen, die mit NAD+ inkubiert wurden, d. h. höhere intrazelluläre NAD+ Konzentration hatten. Für die genauere Analyse der Feedback-Inhibition durch NAD+ wurden weitere Punktmutanen hergestellt. Bei zwei der Punktmutanten wurde eine Beeinträchtigung der NadR-Aktivität beobachtet, daher wurden diese Punktmutanten von weiteren Analysen im Bezug auf NAD+-Feedback Inhibition ausgeschlossen. Eine Mutante (NadRW256F) jedoch, zeigte ähnliche Aktivität wie das Wt-NadR. In Anwesenheit von NAD+ wurde die RNK Aktivität dieser Punktmutante, im Gegensatz zum Wt-Protein, kaum gehemmt. Dadurch konnte W256 als eine der Aminosäuren identifiziert werden, die an der Vermittlung der NAD+-bedingten Inhibition der RNK-Domäne beteiligt ist. N2 - I Summary Haemophilus influenzae, a gram-negative human pathogen belonging to a family of Pasteurellaceae is a causative agent of several distinct diseases. Whereas capsulated strains, particulary those with tybe b capsule can cause severe invasive infections such as cellulitis, septic arthrithis, epiglottitis and meningitis, non-capsulated strains generally tend to cause localized disease including otitis media, sinusitis, pneumonia and in rare cases bacteremia. The inability to synthesize NAD+ de novo is one of the hallmarks of H. influenzae metabolism, therefore proteins involved in NAD+ uptake and utilization respresent interesting putative targets for development of novel antimicrobial treatment. In our lab we were able to show, that prior to uptake, NAD+ has to be degraded to NR. Several proteins involved in NAD+ degradation and NR uptake were identified and characterized: OmpP2 (an outer-membrane porin), e(P4) (a membrane-bound acid phosphoesterase), NadN (a periplasmatic nucleotidase) and PnuC (a nicotinamidribosyl transporter localized in inner membrane). Enzyme responsible for resynthesis of nicotinamidribosyl to NAD+ was recently found to be NadR: A bifunctional protein containing a nicotinamidribosyl kinase (RNK) and a nicotinamid mononucleotide adenylyltransferase (NMNAT) activity, both of which were confirmed in vitro. Also, the crystal structure of NadR complexed with NAD+ was recently resolved. The aim of this work was to characterize the in vivo function of NadR, particular interest was laid on the characterization of the nicotinamidribosyl kinase domain. To test if both domains of NadR are essential for survival, deletion mutants lacking the entire RNK domain and the C-terminal 58 amino acids were constructed. Initially, these mutants were made in a H. influenzae strain which contains a chromosomal copy of H. ducreyi nadV gene. In following transformation experiments, transfer of the RNK deletion mutants to H. influenzae strain was always accompanied with an nadV transfer as well. Only in strain containing pNadRKan plasmid, no nadV transfer along with RNK-deletions took place. Indirectly, this shows that not only the entire RNK domain is essential for H. influenzae, but also the last 58 amino acids as well. It also shows that in presence of NadV the RNK domain is redundant. RNK deletion mutant displayed a significant deficiency in nicotinamidribosyl transport as well: whereas the Wt strain can accumulate up to 80% of 14C labeled nicotinamidribosyl, RNK mutant is able to accumulate only 2-5%. Introduction of pNadRKan plasmid to RNK mutant restored transport efficiency to Wt level. Studies using spontanous 3-aminopyridine (3-AmPR) resistant H. influenzae isolates, revealed that almost all 3-AmPR resistant isolates have mutations in the nadR gene. A clustering of mutations in Walker A motif of the RNK domain could be observed. Further studies represented in this work, show that 3-AmPR can act as a subtrate for NadR, therefore in ATP consuming reactions aminopyridine-adenindinucleotide can be synthesized. Intracellular aminopyridine-adenindinucleotide replaces NAD+ in redox reactions, which ultimately leads to inhibition of cell metabolism, thereby explaining the mechanism of 3-AmPR based growth inhibition. Using site-directed mutagenesis to introduce amino acid substitutions in distinct parts of the NadR-RNK domain, active sites of the RNK domain were revealed and amino acids essential for the RNK activity were identified. These defined amino acid exchanges resulted in loss of the RNK activity in vitro, but had no effect on the NMNAT activity, which remained intact in these mutant variants of NadR. Following in vivo studies revealed that all mutant NadR proteins caused a severe nicotinamidribosyl uptake deficiency, similar to the one observed in the RNK deletion mutant. Therefore, a direct correlation between the RNK activity and nicotinamidribosyl uptake was shown. Further in vitro studies revealed a feedback inhibition of NadR by NAD+, especially for the RNK domain. In case of RNK domain a gradual increase of NAD+ concentration led to gradual decrease in RNK activity. In contrast, for NMNAT domain no significant inhibition in the presence of NAD+ was observed. Also, in in vivo experiments a 3 fold reduction of nicotinamidribosyl uptake rate was observed when intracellular NAD+ concentrations were higher. To adress the mechanism of NAD+ feedback inhibition, once again, distinct amino acid exchanges were introduced. In vitro, two of the mutant proteins were impaired in their activity, especially if lower protein contrations were used. Therefore, further test concerning inhibtion were not preformed with these mutants. However, a W256F protein displayed activity similar to that of the native protein and furthermore was not inhibited in presence of NAD+. This indicates an involvement of the amino acid W256 in mediating the NAD+ dependent feedback inhibition on NadR activity. KW - Haemophilus influenzae KW - NAD KW - Synthese KW - NAD KW - Enzym KW - Synthese KW - Haemophilus KW - influenzae KW - NAD KW - enzyme KW - synthesis KW - Haemophilus KW - influenzae Y1 - 2005 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-14907 ER - TY - THES A1 - Albers, Christine T1 - Reinigung und Charakterisierung der alpha-Methylacyl-CoA-Racemase aus menschlicher Leber T1 - Purification and characterisation of alpha-Methylacyl-CoA-Racemase from human liver N2 - Im Katabolismus methylverzweigter Fettsäuren spielt die alpha-Methylacyl-CoA-Racemase eine wichtige Rolle, indem sie die (R)- und (S)-Isomere von alpha-methylverzweigten Fettsäuren als Coenzym A Thioester racemisiert. Methylverzweigte Fettsäuren entstehen beim Abbau von Isoprenoiden und werden darüber hinaus auch von vielen Organismen, wie z.B. Mycobakterien, synthetisiert. Die Hauptaufgabe der Racemase ist aber vermutlich in der Biosynthese von Gallensäuren zu sehen. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war es, die alpha-Methylacyl-CoA-Racemase aus humanem Gewebe zu reinigen und zu charakterisieren sowie ihre physiologische Rolle im Katabolismus verzweigtkettiger Fettsäuren und der Gallensäurebiosynthese zu untersuchen. Die alpha-Methylacyl-CoA-Racemase wurde aus humanem Gewebe zur Homogenität gereinigt, umfassend biochemisch charakterisiert und zur genauen molekularbiologischen Analyse in E.coli kloniert. Die Aktivität der Racemase wurde anhand der [³H]H2O-Freisetzung aus [alpha-³H]-a-Methylacyl-CoAs bestimmt. Die humane Racemase ist in der aktiven Form ein monomeres Protein und besteht aus 382 Aminosäuren. Als Substrate akzeptiert das Enzym ein breites Spektrum von alpha-Methylacyl-CoAs. Neben den Coenzym A-Thioestern alpha-methylverzweigter Fettsäuren, wie Pristansäure, werden auch CoA-Ester von Steroidderivaten, z.B. des Gallensäureintermediats Trihydroxycoprostansäure, und aromatischen Phenylpropionsäuren, wie dem Analgetikum Ibuprofen, umgesetzt. Freie Fettsäuren, geradkettige oder beta-methylverzweigte Acyl-CoAs werden nicht racemisiert. Die alpha-Methylacyl-CoA-Racemase ist im Menschen zu ca. 80 Prozent auf die Peroxisomen und ca. 20 Prozent auf die Mitochondrien verteilt, wobei entsprechende peroxisomale (PTS 1) und mitochondriale (MTS) Transportsignale die Lokalisation bestimmen. Die vollständige cDNA-Sequenz der humanen a-Methylacyl-CoA-Racemase hat eine Gesamtlänge von 2039 Basenpaaren mit einem offenen Leseraster von 89 - 1237 bp. Das Startcodon ATG ist in eine klassische Kozak-Sequenz zum Translationsstart eingebettet. Die Protein endet am C-Terminus mit dem Sequenzmotiv –KASL, das dem peroxisomalen Transportsignal (PTS I) einiger Säugetierkatalasen entspricht. Aufgrund alternativer Polyadenylierung sind in allen untersuchten menschlichen Geweben Transkripte von 1,6 kb bzw. 2,0 kb zu finden. Es liegt keine gewebsabhängige Polyadenylierung vor, die Racemase wird aber gewebsspezifisch exprimiert (besonders stark in Leber und Niere). Das humane Racemasegen liegt auf dem kurzen Arm des Chromosoms 5 nahe am Centromer (5p1.3), im Intervall von D5S651 (46,6 cM) und D5S634 (59.9 cM). N2 - Racemization is an essential step for bile acid synthesis and it is important for degradation of alpha-methyl branched-chain fatty acids. The (R)- and (S)-isomers of alpha-methyl-branched chain fatty acids were shown to be interconverted as coenzyme A thioesters by an alpha-methylacyl-CoA racemase. Various branched-chain fatty acids arise in the catabolism of isoprenoids and are also synthesized by a variety of organisms, particularly mycobacteria. The aim of this work was to purify and to characterize the racemase from human tissue and to analyse the physiological role in the degradation of branched-chain fatty acids and the bile acid synthesis. The alpha-methylacyl-CoA racemase was purified from human liver to apparent homogeneity. The enzyme was exhaustively characterized by methods of biochemistry and protein chemistry. The cDNA coding for human racemase was cloned in E. coli and sequenced. A radiometric assay with 2-methyl[2-³H]acyl-CoAs as substrates was used routinely for monitoring purification procedure. The active form of the enzyme is a monomeric protein comprising 382 amino acids. The enzyme accepts a wide range of alpha-methylacyl-CoAs, including pristanoyl-CoA, trihydroxycoprostanoyl-CoA (an intermediate in bile acid synthesis) as substrates. Also arylpropionyl-CoAs such as the anti-inflammatory drug ibuprofen are accepted, but neither free fatty acids, beta-methyl-branched nor linear-chain acyl-CoAs. In human tissues 80 - 90 Prozent of the racemase activity is found in peroxisomes and 10 - 20 Prozent in mitochondria. Degradation of branched chain fatty acids is located in both compartments, so the enzyme has to be distributed between peroxisomes and mitochondria. No evidence was found for the existence of isoenzymes or different transcription products. It appears that only one mRNA is transcribed from one gene and that also only one protein is synthesized. The different recognition of peroxisomal (PTS 1) and mitochondrial targeting signals (MTS) may determine the subcellular distribution. The complete cDNA sequence has an overall length of 2039 base pairs, with a open reading frame between 89 - 1237 bp. The ATG start codon is embedded in a classical Kozak sequence for translation start. The C-Terminus of the protein is –KASL, which is very similar to the peroxisomal targeting signals (PTS 1) of many mammalian catalases. In all human tissues analysed in this work two different transcripts of racemase with sizes of 1,6 kb and 2,0 kb have been found and show alternate polyadenylation. Polyadenylation of racemase is not tissue-dependent but its expression is tissue-specific (strong activity is found in liver and kidney). The human racemase gene is localized on the short arm of chromosome 5, near the centromer (region 5p1.3) and between the markers D5S651 (46,6 cM) and D5S634 (59.9 cM). KW - Alpha-Methylacyl-CoA racemase KW - Mensch KW - Leber KW - Molekularbiologie KW - Racemase KW - human KW - Enzym KW - Reinigung KW - Charakterisierung KW - Peroxisom KW - alpha-Methylacyl-CoA KW - Racemase KW - human KW - enzyme KW - purification KW - characterisation KW - peroxisome KW - alpha-Methylacyl-CoA Y1 - 2000 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-770 ER -