title: Proline as an osmostress protectant and as a nutrient source
title: Prolin als osmotische Schutzsubstanz und Nahrungsquelle
Creators: name: Zaprasis, Adrienne
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2013
Subjects: Proteinogene Aminosäuren
Protein Syntheses
Biowissenschaften, Biologie

description: Proline is a very important
      compound and serves several functions for the gram+ bacterium
      Bacillus subtilis. Prolin is an amino acid and therefore
      essential for protein synthesis, it can be used by B.
      subtilis as a single source of carbon and nitrogen and
      furthermore proline acts as an osmostress protectant. B.
      subtilis possess two different ways for the de novo synthesis
      of proline: the anabolic and the osmoadaptive pathway. Both
      pathways are connected via the shared ProA protein. The
      deletion of the proA gene leads to a perturbation in both the
      anabolic and osmoadaptive proline biosynthesis. Suppressor
      mutations within the rocR-rocDEF region recruit the arginine
      degradation pathway for the synthesis of proline. The
      suppressor mutations were of two types: (i) single amino acid
      substitutions in the activator protein RocR resulting in
      partial inducer-independent RocR* variants; (ii) mutants in
      the promoter region of rocDEF activates a cryptic SigA-type
      promoter. Both types of mutants enhance the transcription of
      rocDEF leading to increased amounts of RocD. RocD as part of
      the arginine degradation pathway synthesizes the same
      reaction product as the ProA enzyme and thereby bypassing the
      ProA mediated enzyme reaction. Furthermore, the suppressor
      mutants also developed a new regulatory mechanism that allows
      the enhanced rocDEF transcription in response to proline in
      the presence of ammonium. This demonstrates how effective
      bacteria can adapt to limitations on their essential
      biosynthetic pathways. In his natural habitat B. subtilis is
      frequently exposed to osmotic fluctuations. B. subtilis can
      adapt to high osmolarity growth conditions through the
      osmotically induced de novo synthesis or the uptake of
      proline. But B. subtilis can also use proline containing
      peptides as osmostress protectants. Osmoprotection by
      peptides depends on their import via peptide uptake systems
      (App, Dpp, Opp, DtpT) and the subsequent hydrolysis to
      release proline. The liberated proline is then accumulated to
      protect the cell against the disadvantageous effects of high
      osmolarity. The peptidases responsible for the hydrolysis of
      various types of Xaa-Pro and Xaa-Pro-Xaa peptides could be
      identified: PapA (YqhT) and PapB (YkvY). This adds a new
      aspect to the use of proline as an osmostress protectant by
      B. subtilis and demonstrates how gainful available resources
      can be used by bacteria to adapt to changes in environmental
      conditions. In addition to PutP and OpuE, B. subtilis possess
      a so far uncharacterized proline transport system. To
      identify the unknown proline transporter a genetic screening
      approach was developed. In a B. subtilis mutant strain unable
      to transport proline, the transcription of the proline
      utilization genes (putBCP) did no longer occur in the
      presence of proline. This demonstrates the necessity of the
      proline import to induce putBCP expression. In conclusion,
      the knowledge acquired in this dissertation revealed novel
      facets of the physiological role of proline in B. subtilis
      and furthermore it illustrates impressively how effective
      bacteria can adapt on a variety of changing.
description: In dem Gram+ Bakterium Bacillus
      subtilis spielt Prolin eine wichtige Rolle. Als proteinogene
      Aminosäure ist es essentiell für die Biosynthese von
      Proteinen, es findet als Kohlen- oder Stickstoffquelle
      Verwendung und es fungiert außerdem als osmotische
      Schutzsubstanz. B. subtilis besitzt zwei Wege um Prolin de
      novo zu synthetisieren: die anabole und die osmoadaptive
      Prolinbiosynthese. Beide Wege sind über das gemeinsam
      genutzte Enzym ProA miteinander verknüpft. Die Deletion von
      proA führt zu einer Störung in der Prolinbiosynthese. In
      dieser Arbeit wird gezeigt, dass Suppressor-Mutationen
      innerhalb der rocR-rocDEF-Region diese Störung durch die
      Rekrutierung des Argininabbau-Weges für die Prolin
      Neusynthese ausgleichen können. Zwei Klassen von Mutationen
      konnten identifiziert werden: (i) einzelner
      Aminosäureaustausch im Aktivatorprotein RocR führt zu
      teilweise Induktor unabhängigen RocR*-Proteinen; (ii)
      Mutationen in der Promotorregion von rocDEF führen zur
      Aktivierung eines kryptischen SigA-abhängigen Promotors. In
      beiden Fällen kam es zu einer erhöhten Transkription des
      rocDEF-Operons, was die Erhöhung der Menge an RocD in der
      Zelle zur Folge hatte. RocD als Teil des Argininabbau-Weges
      produziert dabei dasselbe Produkt wie ProA und kann somit
      dessen Fehlen ersetzen. Außerdem entwickelte sich dabei ein
      völlig neuer regulatorischer Mechanismus für die Expression
      des rocDEF-Operons, da dessen Expression nun auch in
      Anwesenheit von Ammonium durch Prolin induziert werden
      konnte. Dies demonstriert wie effektiv sich Bakterien an
      Einschränkungen innerhalb essentieller Stoffwechselwege
      anpassen können. In seinem natürlichen Habitat ist B.
      subtilis ständig wechselnden Umweltbedingungen, wie die
      Osmolarität, ausgesetzt. Die Anpassung an hochosmolare
      Bedingungen erfolgt dabei durch die osmotisch kontrollierte
      de novo Synthese von Prolin, oder durch dessen Aufnahme aus
      der Umgebung. In dieser Arbeit wird gezeigt, dass
      prolinhaltige Peptide ebenfalls eine osmoprotektive Wirkung
      besitzen. Nach dem Import der Peptide durch spezielle
      Peptidtransporter (App, Dpp, Opp, DtpT) kommt es
      intrazellulär zu deren Spaltung, was zu einer Freisetzung des
      Prolins führt. Durch die Akkumulation dieses Prolins kommt es
      zu einem Schutz der osmotisch gestressten Zelle. Die an der
      Spaltung der Xaa-Pro bzw. Xaa-Pro-Xaa Peptide beteiligten
      Peptidasen konnten identifiziert werden: PapA (YqhT) und PapB
      (YkvY). Dies fügt einen neuen Aspekt in der Nutzung von
      Prolin als osmotische Schutzsubstanz durch B. subtilis hinzu
      und demonstriert wie gewinnbringend die im Habitat
      verfügbaren Ressourcen zum Schutz vor osmotischem Stress
      genutzt werden können. B. subtilis besitzt neben den beiden
      bekannten Prolintransportern (PutP, OpuE) noch ein weiteres,
      bisher unbekanntes Prolinaufnahmesystem. In dieser Arbeit
      wurde für dessen Identifizierung ein genetisches
      Screening-Verfahren entwickelt. In einem Stamm der Prolin
      nicht mehr aktiv in die Zelle aufnehmen kann, wurden trotz
      externer Zugabe von Prolin die Gene des Prolinabbau-Weges
      (putBCP) nicht mehr exprimiert. Dies demonstriert, dass der
      Import des externen Prolins in die Zelle, die Voraussetzung
      für die Induktion der Transkription von putBCP ist. Die im
      Rahmen dieser Arbeit erlangten Erkenntnisse enthüllen weitere
      Facetten der physiologischen Rolle von Prolin in B. subtilis
      und zeigen außerdem sehr eindrucksvoll, wie effektiv sich
      Bakterien an die unterschiedlichsten Veränderungen anpassen
      können.