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Titel:Die Demethylierung von Dimethylselenid ist eine adaptive Antwort des Archaeons Methanococcus voltae
Autor:Niess, Ulf Michael
Weitere Beteiligte: Prof. Dr. A. Klein
Erscheinungsjahr:2004
URI:http://archiv.ub.uni-marburg.de/diss/z2004/0131
DOI: https://doi.org/10.17192/z2004.0131
URN: urn:nbn:de:hebis:04-z2004-01313
DDC: Biowissenschaften, Biologie
Titel(trans.):Dimethylselenide Demethylation is an Adaptive Response to Selenium Deprivation in the Archaeon Methanococcus voltae

Dokument

Schlagwörter:
Methanococcus, Dimethylselenid, Archaea, Dimethylselenide, Methyltransferases, Selenium, Selen, Methyltransferasen, Methanococcus, Archaea

Zusammenfassung:
Im natürlichen Lebensraum von Methanococcus voltae kommt Selen in unterschiedlichen Verbindungen und Konzentration vor. So variiert der Selengehalt im Mündungswasser verschiedener Flüsse zwischen 0,1 und 63 nM. Aufgrund der guten Löslichkeit sind die Oxianionen des Selens biologisch am interessantesten. Sie sind daher aber auch in hohen Konzentrationen toxisch. Selen in geringen Mengen ist dagegen essentiell, da es als Selenomethionin oder -cystein in Proteinen vorkommen kann. Eine häufig anzutreffende organische Selenverbindungen ist das Dimethylselenid (DMSe). Diese flüchtige Substanz wird von einer Vielzahl Organismen zur Detoxifizierung gebildet. Aus M. voltae sind insgesamt 4 Hydrogenasen bekannt, wovon zwei ein Selenocystein aufweisen und konstitutiv exprimiert werden. Die Induktion der Transkription der selenfreien Isoenzyme erfolgt dagegen bei Selenmangel. In Expressionsanalysen zeigte sich, dass 5 weitere Proteine ebenfalls nur unter Selenlimitierung synthetisiert werden. Von zweien wurde jeweils die N-terminale Peptidsequenz und von einem zusätzlich interne Peptidsequenzen bestimmt. In der vorliegenden Arbeit wurde zunächst das Gen eines dieser Proteine identifiziert. In einer Datenbanksuche stellte sich dann heraus, dass es Sequenzidentitäten mit Corrinoid-Proteinen aus Methanosarcina aufwies. Es wurde als SdmA bezeichnet (für Dimethylselenid Demethylierung). Das Gen sdmA liegt zusammen mit sdmB und sdmC auf einem gemeinsamen polycistronischen Messenger, der nur bei Selenmangel nachweisbar war. SdmB und SdmC haben gemeinsame Sequenzmotive mit Methyltransferasen, die in einigen Methanoarchaeen an der methylotrophen Methanogenese beteiligt sind. Dabei übertragen diese die Methylgruppe von Corrinoid-Proteinen auf den Akzeptor Coenzym M. Die Methylgruppe stammt dabei beispielsweise aus methylierten Aminen bzw. Thiolen oder aus Methanol. Normalerweise werden von M. voltae für die Methanogenese nur Formiat oder H2/CO2 erschlossen, so bestätigte sich die Vermutung nicht, dass bei Selenmangel SdmA, SdmB und SdmC die Erschließung der oben genannten methylierten Substrate erlauben könnten. Versetzt man das Selenmangelmedium jedoch mit DMSe, dann führt dies zur Repression des Promotors der Gene einer selenfreien Hydrogenase, der normalerweise nur unter Selenlimitierung aktiv wäre. Eine Deletion von sdmA oder sdmC führte zur Aktivität des Promotors trotz der Anwesenheit von DMSe. Der Austausch von sdmB hatte dagegen keinen Effekt. Zudem waren die Wachstumsraten der Mutanten delta sdmA und delta sdmB im Vergleich zum Wildtyp trotz DMSe-Zugabe reduziert. In M. voltae scheint es daher zwei verschiedene Anpassungsmechanismen an Selenmangel zu geben. Zum einen werden unter Selenlimitierung die selenfreien Isoenzyme der selenhaltigen Hydrogenasen exprimiert und zum anderen lässt sich unter diesen Bedingungen ein alternatives Selensubstrat, wie das DMSe, von M. voltae zur Biosynthese der Selenoproteine erschließen. Daran ist vermutlich das Corrinoid-Proteine SdmA und die Methyltransferase SdmC beteiligt.

Summary:
Selenium is a trace element which is important for many organisms. It is a constituent of proteins, where it is found as selenocysteine or selenomethionine, and of special nucleotides of tRNA bases. High concentrations of selenium are toxic for most organisms. Detoxification can be achieved by volatilization through methylation. Different methylation products have been found. The most abundant one is dimethylselenide which can probably be generated in different ways from inorganic selenium compounds. Dimethylselenide production is performed by microorganisms and plants and has been monitored in soil and marine environments. Although selenium is widely distributed in the environment, it is not always readily available. While inorganic selenium compounds, such as selenite and selenate are soluble, selenides can be very insoluble as is elementary selenium which can be formed from the oxidized species. Selenium can thus become limiting in anoxic environments. Access to selenium is essential for organisms depending on selenium-containing enzymes in their central metabolism. This is the case for at least two known methanogenic archaea Methanocaldococcus jannaschii and Methanococcus voltae. Both organisms convert hydrogen and carbon dioxide to methane, whereby the cells generate their energy. Two selenium containing hydrogenases, enzymes needed to oxidize hydrogen for the generation of electrons, are involved in the methanogenic pathway. Limiting selenium in growth media for M. voltae leads to a reduced growth rate and the knockout of a gene encoding a selenium-containing subunit of a hydrogenase has not been possible. While limited growth of M. voltae has been observed under selenium depletion, M. jannaschii cannot grow without selenium. It was previously shown that M. voltae carries genes encoding selenium-free isoenzymes of its selenium-containing hydrogenases which are only transcribed upon selenium limitation and most likely supplement the selenium enzymes. The cell can thus react to the deprivation of the trace element. We were interested in learning more about functions of proteins produced only under selenium limitation. The protein patterns in extracts obtained from of M. voltae cells grown with or without selenium were therefore analyzed. Subsequently, a protein that was induced by selenium deprivation was further characterized. This putative corrinoid protein together with a methyltransferase is involved in the liberation of selenium from the organic selenium compound dimethylselenide. The two respective genes are part of a common transcription unit. Their regulation occurs at the level of transcription or by regulation of transcript stability. This inducible demethylation of dimethylselenide constitutes a novel, alternative adaptation strategy of M. voltae to selenium limitation.


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