title: Evolution von Zwei-Komponenten-Systemen in Shewanella oneidensis MR-1. Die Histidinkinase ArcS und der Antwortregulator SO_4444,Zwei Komponenten, Zwei Modelle.
title: Evolution of two component systems in Shewanella oneidensis MR-1
Creators: name: Lassak, Jürgen
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2011
Subjects: Arc
Sauerstoff
SO_0577
Biowissenschaften, Biologie
Evolution
Zwei-Komponenten-Systeme
Two component signal transduction

description: Die Eroberung neuer Lebensräume und
      die Anpassung an verschiedenste Umweltbedingungen können
      durch Organismen ein und derselben Familie erfolgen. Die
      entstehende Artenvielfalt resultiert primär nicht auf Grund
      von Veränderungen im genetischen Bauplan sondern vielmehr aus
      der Diversifikation der regulatorischen
      Signaltransduktionssysteme welche diesen Bauplan umsetzten.
      Unter diesen Systemen ist die
      Zwei-Komponenten-Signaltransduktion (TCS) von zentraler
      Bedeutung für die koordinierte Antwort auf umweltbedingte
      Veränderungen nicht nur in Bakterien sondern auch in
      Archaeen, Protisten und Pilzen. Prototypischerweise reagiert
      eine Rezeptorhistidinkinase auf ein extrazelluläres Signal
      und leitet dieses durch Transphosphorylierung auf einen
      zytoplasmatischen Antwortregulator weiter, welcher
      seinerseits als Transkriptionfaktor agiert. Dabei können
      orthologe Transkriptionsfaktoren für die Expression völlig
      unterschiedlicher Gene verantwortlich sein und es eröffnen
      sich Spielräume für die Anpassung an unterschiedlichste
      Umweltbedingungen. Shewanella Spezies sind Gram-negative,
      fakultativ anaerobe Alteromonaden. Die 48 bisher bekannten
      Arten haben nicht nur marine und limnische Habitate erobert,
      sondern man findet sie auch als Symbionten und Pathogene vor
      allem von Fischen. Die Besiedlung so unterschiedlicher
      ökologischer Nischen schlägt sich auch in der Diversität der
      Regulationssysteme nieder. So variieren allein die bekannten
      Zahlen von TCS-Proteinen innerhalb der Shewanellaceae von 67
      in S. denitrificans OS217 bis 116 in S. sediminis HAW-EB3.
      Der Antwortregulator SO_4444 gehört dabei zu den
      TCS-Proteinen, die sich ausschließlich in einigen wenigen
      Shewanellen finden (S. baltica OS223 und S. oneidensis MR-1).
      Phylogenetische Untersuchungen des genetischen Kontextes von
      SO_4444 legen den Schluss nahe, dass der Antwortregulator
      zusammen mit einer Hybrid-Histidinkinase SO_4445 und weiteren
      fünf Genen durch lateralen Gentransfer aus Aermonas sp.
      aquiriert wurde. Deletionen und Insertionen in SO_4444
      führen, verglichen mit dem Wildtyp, zu einer Beeinträchtigung
      der Biofilmbildung sowohl unter statischen Bedingungen als
      auch in einem hydrodynamischen Flusskammersystem. Eine
      Erhöhung des intrazellulären Levels an an zyklischem
      Guanosinmonophosphat (c-di-GMP) durch das Einbringen einer
      Guanylatzyklase aus Vibrio cholerae (VCA_0956) und die
      resultierende partielle Wiederherstellung des
      Wildtypphänotyps deuten auf eine Abhängigkeit des
      ∆SO_4444-Biofilmphänotyps von dem Signalmolekül. Darüber
      hinaus zeigen weitere Untersuchungen im genetischen Kontext
      von SO_4444 ebenso für die Hybrid-Histidinkinase SO_4445
      einen deutlichen Einfluss auf den Biofilm. Interessanterweise
      unterscheidet sich dieser sowohl in Quantität und
      Morphologie. Zudem führt die Deletion beider Gene zu einem
      der Einzeldeletion ∆SO_4445 vergleichbaren Phänotyp. Damit
      lassen sowohl die differentiellen Phänotypen in ∆SO_4444 und
      ∆SO_4445, als auch das Verhalten des Doppel-Dletionsstamms
      keine offensichtlichen Schlüsse zu, ob oder wie die beiden
      Komponenten zusammenarbeiten. Jedoch zeigen unsere
      Untersuchungen deutlich, dass horizontaler Gentransfer von
      TCS-Elementen Einfluss auf ein bestehendes regulatorisches
      Netzwerk ausüben kann, und sich damit sowohl die Möglichkeit
      bietet das sensorische Potential eines Organismus zu
      erweitern als auch bestehende Regulationsmechanismen zu
      verfeinern oder neue zu etablieren. Im Gegensatz zu SO_4444
      ist die Hybridsensorkinase ArcS (SO_0577) eine Autapomorphie
      aller Shewanellen und damit Bestandteil des Kernsatzes an
      TCS-Proteinen. Unsere Untersuchungen in S. oneidensis MR 1
      konnten das Protein als korrespondierende Kinase zum
      Antwortregulator ArcA identifizieren. Die Anoxische
      Redoxkontrolle (Arc) regelt in Escherichia coli u.a. die
      Anpassung an einen wechselnden Sauerstoffgehalt in der
      Umwelt. Hierbei misst die Sensorkinase ArcB den Redox-Status
      des Chinon-Pools der Membran und leitet die Information über
      ein Phosphorelaissystem an ArcA weiter. Identifiziert man ein
      Pendant zum E. coli ArcA in Shewanella leicht durch
      eindeutige Sequenzähnlichkeiten (81% Sequenzidentität für S.
      oneidensis), so führt ein Abgleich von ArcB (E. coli) mit dem
      Shewanella Proteom zu keinem eindeutigen Ergebnis. Nur das
      Histidin-Phosphotransfer-Protein HptA zeigt signifikante
      Homologien zum C-Terminus von ArcB. Interessanterweise liegt
      hptA im gleichen genetischen Kontext wie das E. coli arcB.
      Diese Tatsache spricht entweder für Deletion oder
      Translokation des die Kinase kodierenden Genabschnitts.
      Phänotypische Vergleiche der Deletionstämme ΔarcS, ΔhptA und
      ΔarcA mit S. oneidensis Wildtyp offenbaren auffällige
      Übereinstimmungen der Mutanten bezogen auf Wachstum,
      Biofilmbildung und. Dabei zeigten zugehörige Doppel- und
      Tripple-Deletionen nie kumulative Effekte. Mehr noch in vitro
      Interaktionsstudien an aufgereinigten Proteinen zeigen
      Phosphotransfer zwischen ArcS, HptA und ArcA. Damit
      rekonstituiert sich das atypische Arc-der Shewanellaceae aus
      ArcS, HptA und ArcA. ArcS weicht in seiner modularen Struktur
      stark von der bekannter ArcB-Proteine ab und weist auch
      keinerlei signifikante Sequenzhomologien zu ArcB auf. Damit
      bildet ArcS einen phylogenetisch distinkten Arm von
      „ArcB“-Proteinen. Doch dieser auffälligen strukturellen und
      phylogenetischen Unterschiede zum Trotz ist es möglich,
      Deletionen in arcB (E. coli) und arcS und/oder hptA (S.
      oneidensis MR-1) zu kreuzkomplementieren. Zusammengefasst
      stützt dies die These einer Trunkierung der sensorischen
      Komponente ArcB und Rekrutierung der alternativen
      Sensorkinase ArcS als funktionalen Ersatz. Weiterführende in
      vitro und in vivo Untersuchungen an den katalytischen Resten
      ArcS-HKH731, ArcS-RecID1017 und ArcS-RecIID1162 deuten aber
      darauf hin, dass obwohl ArcS und ArcB funktional
      konvergieren, der Regulationsmechanismus fundamental
      unterscheidet. Vergleichende Analysen zwischen ArcB (E.
      coli)- und ArcS-Sensorik indizieren zudem eine Veränderung im
      Signalspektrum ebenso wie in der Signalaufnahme und
      Signalweiterleitung. Das Shewanella Arc-System steht damit
      ebenso beispielhaft wie der Antwortregulator SO_4444 für den
      evolutionären Wandel von TCS-Schaltkreisen, der es diesen
      Bakterien mit ermöglicht in verschiedenste Lebensräume
      vorzudringen und sich dort erfolgreich zu behaupten.
description: Most prokaryotic signal
      transduction systems and a few eukaryotic pathways use
      phosphotransfer schemes involving two conserved components, a
      histidine protein kinase and a response regulator protein.
      The histidine protein kinase, which is regulated by
      environmental stimuli, autophosphorylates at a histidine
      residue, creating a high-energy phosphoryl group that is
      subsequently transferred to an aspartate residue in the
      response regulator protein. Phosphorylation induces a
      conformational change in the regulatory domain that results
      in activation of an associated domain that elicits the
      response. Related species usually rely upon orthologous
      regulatory systems to orchestrate responses to a given
      signal. Under certain circumstances, the elicited responses
      are largely similar across species, indicative that
      orthologous regulatory systems control common cellular
      functions across species even if the species occupy different
      niches. In other circumstances, the responses are distinct,
      either in qualitative or quantitative terms, suggesting that
      the regulatory systems adopted by individual species are
      suited to particular habitats and lifestyles. The
      availability of oxygen is a major environmental factor for
      many microbes, in particular for bacteria such as Shewanella
      species, which thrive in redox-stratified environments. One
      of the best-studied systems involved in mediating the
      response to changes in environmental oxygen levels is the Arc
      two-component system of Escherichia coli, consisting of the
      sensor kinase ArcB and the cognate response regulator ArcA.
      An ArcA ortholog was previously identified in Shewanella, and
      as in Escherichia coli, Shewanella ArcA is involved in
      regulating the response to shifts in oxygen levels. Here, we
      identified the hybrid sensor kinase SO_0577, now designated
      ArcS, as the previously elusive cognate sensor kinase of the
      Arc system in Shewanella oneidensis MR-1. Phenotypic mutant
      characterization, transcriptomic analysis, protein-protein
      interaction, and phosphotransfer studies revealed that the
      Shewanella Arc system consists of the sensor kinase ArcS, the
      single phosphotransfer domain protein HptA, and the response
      regulator ArcA. Phylogenetic analyses suggest that HptA might
      be a relict of ArcB. Conversely, ArcS is substantially
      different with respect to overall sequence homologies and
      domain organizations. Thus, we speculate that ArcS might have
      adopted the role of ArcB after a loss of the original sensor
      kinase, perhaps as a consequence of regulatory adaptation to
      a redox-stratified environment. In contrast to the highly
      conserved histidine kinase ArcS, the response regulator
      SO_4444 is species-specific for S. oneidensis MR-1 and S.
      baltica OS223. Bioinformatic analyses of SO_4444 and it’s
      genetic context suggest horizontal gene transfer from
      Aeromonas species. Moreover, phenotypic mutant
      characterization and transcriptomic analysis revealed
      incorporation of the phylogenetic new component SO_4444 into
      the consisting regulatory network of S. oneidensis MR-1.
      Thus, the response regulator SO_4444 as well as the
      Shewanella Arc-System exemplify two evolutionary strategies
      changing two-component regulatory networks in
      bacteria.