title: Diversität, Ultrastruktur und vergleichende Genomik der Methanoplasmatales, der 7. Ordnung von Methanogenen
title: Diversity, ultrastructure, and comparative genomics of “Methanoplasmatales”, the seventh order of methanogens
title: Diversity, ultrastructure, and comparative genomics of “Methanoplasmatales”, the seventh order of methanogens
Creators: name: Lang, Kristina
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2015
Subjects: Arthropoda
Biowissenschaften, Biologie
Biowissenschaften
Archaea
Life sciences
"Methanoplasmatales"
Methanomassiliicoccales
Biologie

description: Methanogenic archaea are strict
      anaerobes that occur in diverse environments like marine and
      freshwater sediments, soils, hot springs, sewage sludge and
      the digestive tracts of animals and humans. Methanogens
      belong to the phylum Euryarchaeota, which comprises both
      methanogenic and non-methanogenic orders and many lineages of
      uncultivated archaea with unknown properties. By a
      comprehensive phylogenetic analysis, we connected the 16S
      rRNA gene sequences of one of these deep-branching lineages,
      distantly related to Thermoplasmatales, to a large clade of
      unknown mcrA gene sequences, a functional marker for
      methanogenesis. The analysis suggested that both genes stem
      from the same organism, indicating the methanogenic nature of
      this group. This was further confirmed by our two highly
      enriched cultures of methanogenic archaea, Candidatus
      Methanoplasma termitum strain MpT1 from a higher termite and
      strain MpM2 from the millipede gut, which had 16S rRNA genes
      that fell within in this lineage. Together with the recent
      isolation of Methanomassiliicoccus luminyensis from human
      feces, the results of our study supported that the entire
      lineage, distantly related to the Thermoplasmatales,
      represents the seventh order of methanogens, the
      “Methanoplasmatales” (now referred to as
      Methanomassiliicoccales). To gain deeper insight into this
      novel order of methanogens, we sequenced and analyzed the
      genome of Ca. Mp. termitum strain MpT1, and compared it to
      the three other genomes of the order Methanomassiliicoccales
      available to date. Our results confirmed that all members of
      the lineage are obligately hydrogen-dependent methylotrophs
      that perform methanogenesis by the hydrogen-dependent
      reduction of methanol or methylamines and lack the entire C1
      pathway for reduction CO2 to CH4. However, this raises
      questions concerning the mechanism of energy conservation
      that had so far escaped attention. Our comparative analysis
      revealed that energy conversion in Methanomassiliicoccales
      differs from those of other obligately hydrogen-dependent
      methylotrophs. We identified a complex encoded by all four
      genomes that is related to the membrane-bound
      F420:methanophenazine oxidoreductase (Fpo) of
      Methanosarcinales, but lacks the F420-oxidzing module, as in
      the apparently ferredoxin-dependent Fpo-like homolog in
      Methanosaeta thermophila. We suggests that this Fpo-like
      complex of the Methanomassiliicoccales uses the present D
      subunit of the heterodisulfide reductase as an electron
      acceptor to form an energy-converting
      ferredoxin:heterodisulfide oxidoreductase. This suggests that
      in Methanomassiliicoccales, the heterodisulfide serves two
      functions: the production of reduced ferredoxin during
      electron bifurcation at the cytoplasmic MvhADG/HdrABC
      complex, and the generation of a membrane portential during
      the reoxidation of ferredoxin via a membrane-bound electron
      transport chain. This dual function of heterodisulfide may be
      a unique characteristic of the entire order. Furthermore, we
      identified an unusual two-membrane system in Ca. Mp. termitum
      and strain MpM2 by transmission electron micrographs that
      might be typical for the complete order. While methanogenesis
      in insect guts has been investigated by numerous authors,
      almost nothing is known about methanogenesis and the
      methanogenic community structure in millipedes, the only
      other group of arthropods that emit methane. Our analysis of
      the phylogenetic diversity of archaea associated with
      tropical millipedes documented that most methanogens in their
      guts fall into the orders Methanobacteriales,
      Methanosarcinales, Methanomicrobiales and
      Methano-massiliicoccales. Their close relatedness to
      methanogens from the guts of termites, cockroaches and scarab
      beetle larvae suggests that methanogenic community structure
      in methane-emitting arthropods is not necessarily shaped by
      cospeciation. Recently, it has been shown that bacterial
      communities mirror major events in the evolutionary history
      of the termites and cockroaches, which leads to the
      speculation if this is also case for the archaeal community.
      Here, we present a study that consists of both clone
      libraries and high-throughput sequencing which concludes that
      the archaeal community structure and phylogeny is shaped more
      by the major host groups than by coevolution and diet. This
      indicates that the host habitat is the major driving force
      for the selection of the archaeal community.
description: Methanogene Archaeen sind strikte
      Anaerobier, die in unterschiedlichen Umgebungen vorkommen,
      wie zum Beispiel in marinen und süßwasser Sedimenten, in
      Boden, in heißen Quellen, im Klärschlamm und im
      Intestinaltrakt von Tieren und Menschen. Methanogene gehören
      zum Phylum der Euryarchaeota, diese umfassen unter anderem
      methanogene und nicht-methanogene Ordnungen, sowie viele
      Abstammungslinien von unkultivierten Archaeen mit unbekannten
      Eigenschaften. Durch eine umfassende phylogenetische Analyse
      konnten wir 16S-rRNA-Sequenzen einen dieser tiefabzweigenden
      Ordnungen, welche weitläufig mit den Thermoplasmatales
      verwandt ist („unkultivierte Thermoplasmtales“), einer großen
      Gruppe von unbekannten mcrA-Sequenzen zuordnen. Das mcrA-Gen
      wird als funktioneller Marker für Methanogenese verwendet.
      Unsere Analyse deutete an, dass beide Gene vom selben
      Organismus stammen, was darauf schließen lässt, dass es sich
      bei der Gruppe um methanogene Archaeen handelt. Dieses
      Ergebnis wurde durch zwei hoch angereicherte methanogene
      Kulturen unterstützt, Candidatus Methanoplasma termitum Stamm
      MpT1 aus dem Darm einer höheren Termite und Stamm MpM2 aus
      dem Tausendfüßlerdarm, deren 16S-rRNA-Sequenzen in die selbe
      Abstammungslinie fielen. Die vor kurzem durchgeführte
      Isolierung von Methanomassiliicoccus luminyensis aus
      menschlichen Fäzes unterstützt unser Ergebnis, dass die
      gesamte Abstammungsline der „unkultivierte Thermoplasmtales“,
      die siebte Ordnung von Methanogenen repräsentiert, für die
      wir den vorläufigen Namen „Methanoplasmatales“ vorgeschlagen
      haben (mittlerweile wurde diese Gruppe in
      Methanomassiliicoccales unbenannt). Um einen tieferen
      Einblick in diese neue Ordnung von Methanogenen zu erhalten,
      wurde das Genom von Ca. Mp. termitum sequenziert und
      analysiert. Anschließend wurden die Ergebnisse mit drei
      weiteren Genomen der Ordnung Methanomassiliicoccales
      verglichen, welche bisher zur Verfügung stehen. Unsere
      Analyse bestätigte, dass es sich bei allen Mitgliedern dieser
      Abstammungslinie, um obligat Wasserstoff-abhängige
      methylotrophe Methanogene handelt. Diese Organismen betreiben
      Methanogenese durch die Wasserstoff-abhängige Reduktion von
      Methanol oder Methylaminen. Des Weiteren fehlt ihnen der
      vollständige C1-Weg für die Reduktion von CO2 zu CH4. Dies
      warf jedoch doch Frage auf, wie diese Organismen Energie
      konservieren, eine Frage, die in bisherigen Genomannotationen
      keine Beachtung gefunden hat. Auf Grund der in dieser Arbeit
      durchgeführten Untersuchungen schlagen wir einen neuen Weg
      der Energiekonservierung für die Gruppe der
      Methanomassiliicoccales vor, der sich von dem anderer
      Wasserstoff-abhängiger methylotropher Organismen
      unterscheidet. Wir konnten einen Komplex identifizieren, der
      von allen vier Genomen kodiert wird und nahe verwandt ist mit
      der membrangebundenen F420:Methanophenazin-Oxidoreduktase
      (Fpo) von Methanosarcinales. Dem gefundenen Komplex fehlt
      jedoch das Modul für die Oxidation von F420. Ein
      Fpo-ähnliches Homolog konnte kürzlich auch in Methanosaeta
      thermophila identifiziert werden, welches scheinbar mit
      Ferredoxin interagiert. Auf Grund unserer Untersuchungen
      schlagen wir vor, dass in Methanomassiliicoccales dieser
      Fpo-ähnliche Komplex die D-Untereinheit der
      Heterodisulfidreduktase als Elektronenakzeptor verwendet und
      so eine Energie-konvertierende Ferredoxin:Heterodisulfid
      Oxidoreduktase formt. Dies lässt darauf schließen, dass das
      Heterodisulfid zwei Funktionen hat: zum einen die Produktion
      von reduziertem Ferredoxin während der Elektronenbifurkation
      am zytoplasmatischen MvhADG/HdrABC Komplex und zum anderen
      die Erzeugung eines Membranpotentials während der
      Reoxidierung von Ferredoxin durch eine membrangebundene
      Elektronentransportkette. Diese duale Funktion des
      Heterodisulfides könnte eine einzigartige Eigenschaft dieser
      neuen Ordnung sein. Weiterhin gelang es im Rahmen dieser
      Arbeit durch Transmissionselektronenmikroskopie ein
      ungewöhnliches Zwei-Membranen-System in Ca. Mp. termitum und
      im Stamm MpM2 zu identifizieren, welches wahrscheinlich
      typisch für die gesamte Ordnung ist. Während die
      Methanbildung im Insektendarm bereits von verschiedenen
      Autoren untersucht wurde, ist nur sehr wenig über
      Methanogenese und die Struktur der methanogenen Gemeinschaft
      im Tausendfüßlerdarm bekannt. Tausendfüßler gehören zu einer
      der wenigen Ordnungen von Arthropoden, welche Methan bilden.
      Unsere phylogenetische Analyse der Diversität von Archaeen in
      tropischen Tausendfüßlern zeigte, dass die Methanogenen in
      den Därmen den Ordnungen Methanobacteriales,
      Methanosarcinales, Methanomicrobiales und
      Methano-massiliicoccales zugeordnet werden können. Die große
      Verwandtschaft der erhaltenen Sequenzen zu Methanogenen in
      den Därmen von Termiten, Schaben und den Larven von
      Blatthornkäfern legt nahe, dass die methanogene Gemeinschaft
      in Methan-emittierenden Arthropoden nicht unbedingt durch
      Kospeziation geformt wird. Des Weiteren konnte kürzlich
      gezeigt werden, dass die bakterielle Gemeinschaft wichtige
      Ereignisse in der evolutionären Geschichte von Termiten und
      Schaben widerspiegelt. Dies führte zu der Spekulation, ob
      dieser Effekt auch für die archaellen Gemeinschaft
      nachgewiesen wereden kann. Unsere hier durchgeführte Studie,
      bestehend aus Klonbibliotheken und
      Hochdurchsatz-Sequenzierung, lässt darauf schließen, dass die
      archaelle Gemeinschaft sowie ihre Phylogenie mehr durch die
      Wirtsgruppen als durch Koevolution und Nahrung geformt wird.
      Hieraus resultiert, dass das Wirtshabitat die hauptsächlich
      Selektion der archaellen Gemeinschaft bestimmt