title: Strukturelle und funktionelle Charakterisierung eines neuartigen bakteriellen Cryptochroms sowie Analysen von mikrobiellen Photolyasen
title: Structural and functional characterization of a novel bacterial cryptochrome and analysis of microbial photolyases
Creators: name: Geisselbrecht, Yann
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2013
Subjects: 6,7-Dimethyl-8-ribityllumazin , Eisen-Schwefel-Cluster
Chemie
Methanosarcina mazei , Dunaliella salina
crystallography
cryptochrome , photolyase
Rhodobacter sphaeroides
Photolyase , 8-Hydroxydeazaflavin
Röntgenkristallstruktur
Cryptochrom

description: Cryptochromes and photolyases
      constitute a group of highly distributed, FAD-binding,
      bluelight dependent signaling proteins ans enzymes, which
      together form the photolyase/cryptochrome-superfamily (PCSf).
      Photolyases recognize UV-induced DNA lesions between adjacent
      pyrimidine bases, namely cyclobutanpyrimidindimers (CPD) and
      (6-4)-pyrimidine-pyrimidone-photoproducts ((6-4)), and repair
      them blue-light dependently, whereas cryptochromes rather
      show regulatory functions in vivo. The plant representatives
      are involved in responses to blue-light stimuli and take
      influence on growth, development and the circadian clock of
      the plant. Cryptochromes in animals participate in the
      circadian clock as blue-light sensors (type I), or
      light-independently as part of the central oscillator (type
      II). Cryptochromes from bacteria are still poorly understood,
      the best characterized representatives from Synechocystis sp.
      PCC6803 belongs to the CryDASH family whose exact biological
      function is still unknown. This work dealt with functional
      and the first structural characterization of a true bacterial
      cryptochrome,cryptochrome B from Rhodobacter sphaeroides
      (RsCryB). RsCryB shows no DNA repair activity and
      participates in the light-dependent and oxygen-dependent
      regulation of photosynthesis genes in R. sphaeroides. It
      defines a new family of proteins in the PCSf, predominantly
      occurring in proteobacteria, the proteobacterial
      cryptochromes (CryPro). Despite low sequence identity to the
      other representatives of the PCSf, the structure of the
      CryPro family is analogous to the conserved overall fold of
      the superfamily. Surprisingly, one [4Fe-4S] clusters was
      identified, which is along with the catalytic cofactor FAD
      the defining element of RsCryB's C-terminus. This cluster is
      structurally and chemically related to known clusters of
      eukaryotic primase subunits, as was shown by EPR experiments.
      Moreover 6,7- dimethyl-8-ribityl-lumazine was identified as
      antenna chromophore of RsCryB, yet unknown inside the PCSf.
      These studies are complemented by an DNA binding analysis of
      the class II CPD photolyase from Methanosarcina mazei
      (MmCPDII), the model photolyase for plant homologs, as well
      as an analysis of the fully reduced state of MmCPDII by
      ultrafast spectroscopy. In the third part of the project the
      native antenna chromophore of the (6-4)-photolyase from
      Dunaliella salina was identified as 8-hydroxy-5-deazaflavin
      and the in vitro repair of (6-4)-damages by the enzyme was
      shown.
description: Cryptochrome und Photolyasen sind
      eine Gruppe ubiquitärer, FAD bindender, blaulichtabhängiger
      Signalproteine bzw. Enzyme, welche zusammen die
      Photolyase/Cryptochrom-Superfamilie (PCSf) bilden. Während
      Photolyasen UV-induzierte DNA-Läsionen zwischen benachbarten
      Pyrimidinbasen, nämlich die Cyclobutanpyrimidindimere (CPD)
      und die (6-4)-Pyrimidin-pyrimidon-Photoprodukte ((6-4)),
      erkennen und blaulichtabhängig reparieren, üben Cryptochrome
      regulatorische Funktionen in vivo aus. Die pflanzlichen
      Vertreter sind in der Antwort auf Blaulichtreize involviert
      und nehmen Einfluss auf Wachstum, Entwicklung und die
      circadiane Uhr von Pflanzen. In Tieren partizipieren
      Cryptochrome in der circadianen Uhr als Blaulichtsensensor
      (Typ-I), oder lichtunabhängig als Teil des zentralen
      Oszillators (Typ-II). Cryptochrome aus Bakterien sind weniger
      gut untersucht, der bestcharakterisierte Vertreter aus
      Synechocystis sp. PCC6803 gehört zur CryDASH-Familie, deren
      genaue biologische Funktion noch immer unklar ist. In dieser
      Arbeit erfolgte eine funktionelle und die erste strukturelle
      Charakterisierung eines echten bakteriellen Cryptochroms, des
      Cryptochroms B aus Rhodobacter sphaeroides (RsCryB). RsCryB
      zeigt keine DNA-Reparaturaktivität und reguliert die
      Photosynthese von R. sphaeroides auf dem Transkriptlevel
      sauerstoff- und blaulichtabhängig. RsCryB definiert eine
      neue, überwiegend in Proteobakterien auftretende
      Proteinfamilie in der PCSf, die proteobakteriellen
      Cryptochrome (CryPro). Trotz geringer Sequenzidentitäten zu
      anderen Vertretern der PCSf ist die Struktur der
      CryPro-Familie homolog zur konservierten Überstruktur der
      Superfamilie. Überraschenderweise konnte in RsCryB ein
      [4Fe-4S]-Cluster identifiziert werden, der neben dem
      katalytischen Kofaktor FAD das bestimmende Element der
      C-terminalen Domäne ist. Dieser Cluster ist strukturell und
      chemisch verwandt mit bekannten Clustern aus eukaryotischen
      Primaseuntereinheiten, wie durch EPR-Experimente gezeigt
      werden konnte. Daneben wurde in RsCryB mit
      6,7-Dimethyl-8-ribityl-lumazin, ein für die PCSf neuer
      Antennenchromophor identifiziert. Diese Studien werden
      ergänzt durch eine Analyse der DNA-Bindung der Klasse II
      CPD-Photolyasen aus Methanosarcina mazei (MmCPDII), sowie
      durch die Analyse des vollständig reduzierten Zustandes der
      MmCPDII mittels Ultrakurzzeitspektroskopie. In einem dritten
      Teilprojekt konnte der Antennenchromophor der
      (6-4)-Photolyase aus Dunaliella salina als
      8-Hydroxy-5-deazaflavin identifiziert und die in vitro
      Reparatur des (6-4)-Schadens durch das Enzym demonstriert
      werden.