PMB

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Zellwandbindedomänen von
Murein und Pseudomurein bei
Bacteria und Archaea
Modul 13
Melanie Enderst
Molekulare Mikrobiologie
Überblick
• Die Zellwand
• Murein
• Pseudomurein
• Lysozym
• bakterielle Zellwandhydrolasen
• Katalytische Domäne vs. Zellwandbindedomäne
• LysM
• PMB
• Beeinflussende Faktoren
• Forschungsansätze
• Zusammenfassung
27.11.2014
Melanie Enderst
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Die Zellwand
http://www.scilogs.de
http://www.wissenschaft-aktuell.de
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Die Zellwand - Funktion
• Barriere Umwelt
• Schutz vor Zellturgor
• Formgeber
• Ankerfläche für Proteine
• Adhäsionsfläche für Bacteriophagen
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Die Zellwand - Aufbau
Vereinfachte Darstellung der Zellhüllen
27.11.2014
Quelle: Cypionka Grundlagen der Mikrobiologie
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Murein
• Heteropolymer aus
Polysaccharidkomplex und
Peptidanteil
® Peptidoglycan
• N-Acetylglucosamin/
N-Acetylmuraminsäure
• -1,4-glycosidische
Bindung
• D-Alanin/D-Glutaminsäure/
Diaminopimelinsäure !
Quelle: Brock Biology of Microorganisms
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Pseudomurein
® Pseudopeptidoglycan
• N-Acetylglucosamin/
N-Acetyltalosaminuronsäure
• -1,3-glycosidische Bindung
• Bei Methanogenen
• Polysaccharid mit kurzen
Aminosäureketten
• keine D-Aminosäuren
Quelle: Brock Biology of Microorganisms
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Lysozym
• Lysozym
Muramidase
• catalytisches Enzym ® spaltet -1,4- glycosidische Bindungen zwischen C1 von
N-Acetylmuraminsäure und C4 von N-Acetylglucosamin
• Vorkommen: Körpersekrete von Menschen- und Tieren,
Bakteriophagen, Pflanzen, Pilze
• keine Spaltung von -1,3-glycosischen Bindungen!!!
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Bakterielle Zellwandhydrolasen
• Bakterielle Zelwandhydrolasen spalten ebenfalls -1,4-glycosidische Bindungen,
aber keine -1,3-glycosidischen Bindungen
• keine bekannten Zellwandhydrolasen bei Archaea
® Zwei Endopeptidasen (Pei) können Bindungen zwischen der Aminogruppe von
L-Lysin und der Carboxylgruppe von L-Alanin benachbarter
N- Acetyltalosaminuronsäuremolekülen spalten
® Kataly sche Domäne
® Zellwandbindedomäne
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Katalytische Domäne vs. Zellwandbindedomäne
Catalytische Domäne
Zellwandbindedomäne
• Glucosaminidase-
• Ordnungsgemäße Funktion der
Murein- bzw. Pseudomureinbindenden
Anteile
• Muraminase• Endopeptidase-
® Lysin Motif Domäne (LysM)
® Pseudomurein Bindedomäne (PMB)
• N-acetylmuramyl L-alaninamidaseAktivität
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LysM
• Entdeckung im Lysozym einer Bacillus subtilis Phage Ø29
• häufigste Proteindomäne der Peptidoglycan Hydrolasen
® mehr als 4000 Proteine in Pro- und Eukaryoten enthalten LysM
• Nicht-kovalente Bindung an der Mureinschicht von Bakterienzellen
® Mechanismus unbekannt
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LysM Struktur
• erste strukturelle Merkmale konnten
durch NMR-Spektroskopie an einer
membrangebunden MureinTransglycosidase an E.coli gezeigt werden
•
LysM von E.coli
-Sekundärstruktur
Quelle: http://www.mrc-lmb.cam.ac.uk
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LysM Eigenschaften
• 44-65 Aminosäuren
• thermisch stabil bis 96,5°C durch
vier Cystein-Domänen
• kann sich sowohl an C- oder N-Terminus
sowie in der Mitte befinden
• bindet nicht-kovalent aber spezifisch an
N-Acetylglucosamin, Art der Bindung unbekannt
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LysM Eigenschaften
• Stark konserviert
HMM
von LysM
Quelle: http://pfam.xfam.org/family/LysM#tabview=tab4
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PMB
• bisher nur wenige Erkentnisse über die Hydrolasen der Archaea
• keine bekannten Enzyme, die -1,3-glycosidische Bindungen spalten können
• Zwei bekannte Endopeptidasen: PeiW und PeiP
• PeiW und PeiP sind Autolysine der methanogenen Prophagen
Methanothermobacter wolfeii YM100 und M.marburgensis YM2
® binden an Zellhülle und erleichtern die Hydrolyse
® sind in der Lage, Pep dverbindungen zwischen -Alanin und Lysin zweier
N-Acetyltalosaminuronsäuremoleküle zu spalten
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PMB Spaltstelle
Quelle: Brock Biology of Microorganisms
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PMB Struktur
• PeiW/PeiP gleiche molekulare Struktur
® je vier pseudomurein-bindende Domänen an ihrem N-Terminus, die sich mit
C-Terminalen Cystein Protease-Domäne verzweigen
• bislang keine 3-D-Strukturerstellung möglich
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PMB Eigenschaften
• 30-35 Aminosäuren
• thermisch stabil 76°C durch nur einen
Cystein-Rest
• kann sich sowohl an C- oder N- Terminus
sowie in der Mitte befinden
• kann an Pseudomurein und
Zellwandkomponeten von lysierten
Bakterienzellen binden
® registriert freies N-Acetylglucosamin
(Vermutung!!!)
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PMB Eigenschaften
•wenig stark konserviert
HMM von PMB
http://pfam.xfam.org/family/PF09373
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Vergleich LysM und PMB
Kriterium
Lys M
PMB
AS-Länge
44-65
30-35
Konservierung
Hoch konserviert
Wenig konserviert
Bindesubstrat
Murein
Chitin bei Pflanzen
und Pilzen
Pseudomurein in
manchen
Methanogenen
Sekundästruktur
Anzahl Bindemotive
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unbekannt
1-6
1-4
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Spezifisch!
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Beeinflussende Faktoren
• pH-Wert
® Erhöhung der Bindefähigkeit und der kataly schen Ak vität
• Salzkonzentration
® Erhöhung ionischer Wechselwirkungen
• Kohlenstoffquelle im Wachstumsmedium
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Mögliche Perspektiven / Forschungsansätze
• besserer dreidimensionaler Eindruck von PMB
® Struktur und Funk on
• PMB-Domänen an methanogenen Archaea als Biomarker um industriell
interessante Methanogene zu identifizieren
• LysM wird als Marker genutzt, um heterologe Proteine und Peptide auf der
Oberfläche von Milchsäurebakterien anzuzeigen
® Entwicklung oraler Impfsto e
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Zusammenfassung
• Zellwand besitzt vielfäl ge Funk onen ® Anker¯äche für Proteine
• Bestandteil Bacteria: Murein/Archaea: Pseudomurein
• Proteine mit Ankerfunktion: Lysozym/bakterielle Zellwandhydrolasen
• Katalytische und Zellwandbindedomände
• Lysin Motif Domäne (LysM) und Pseudomurein Bindedomäne (PMB)
• LysM stark verbreitet, gut konserviert, gut erforscht
• PMB nur zwei bekannte Domänen, schwach konserviert, wenig erforscht
• Beeinflussende Faktoren: pH, Salzkonzentration, C-Quelle
• Forschung an Strukturaufklärung PMB, Einsatz als Biomarker und oraler Impfstoff
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Melanie Enderst
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Vielen Dank für die
Aufmerksamkeit !
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Melanie Enderst
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Quellen
• Cypionka H, Grundlagen der Mikrobiologie 4. Auflage, Springer
• Fuchs G, Allgemeine Mikrobiologie 9. Auflage, Thieme
• Hartmann E, König H, Naturwissenschaften (1990) Comparison of the Biosynthesis of
the Methanobacterial Pseudomurein and the Eubacterial Murein 77:472-475
• König H, Semmler R, Lerp C, Winter J, Arch Microbiol (1985) Evidence for the
occurrence of autolytic enzymes in Methanobacterium wolfei 141:177-180
• Madigan M, Martinko J, Brock Biology of Microorganisms 13. Edition , Pearson
• Steenbakkers P, Geerts W, Ayman-Oz N†, Keltjens J, Molecular Microbiology (2006)
Identification of pseudomurein cell wall binding domains 62(6):1618–1630
• Visweswaran G, Dijkstra B, Kok J, Appl Microbiol Biotechnol (2001) Murein and
pseudomurein cell wall binding domains of bacteria and archaea - a comparative view
92:921-928
• Visweswaran G, Dijkstra B, Kok J, Hindawi Publishing Corporation (2010) TwoMajor
Archaeal Pseudomurein Endoisopeptidases: PeiWand PeiP
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