Tetrapyrrole Biosynthesis of Pathogenic Bacterium Vibrio vulnificus and Photosynthetic Bacterium Rhodobacter sphaeroides
병원성 미생물 패혈증 비브리오균과 광합성 세균 로도박터 스페로이데스의 테트라피롤 생합성에 관한 연구
- 주제어 (키워드) Vibrio vulnificus , Rhodobacter sphaeroides , Heme , Bacteriochlorophyll a , Expansion of light absorption spectrum , Reaction center , BchF , Chlorophyll synthase , 패혈증 비브리오균 , 로도박터 스페로이데스 , 헴 , 박테리오클로로필 a , 광 흡수파장 영역 확장 , 광반응 중심체 , BchF , 클로로필 합성효소
- 발행기관 서강대학교 일반대학원
- 지도교수 이정국
- 발행년도 2023
- 학위수여년월 2023. 8
- 학위명 박사
- 학과 및 전공 일반대학원 생명과학과
- 실제 URI http://www.dcollection.net/handler/sogang/000000076331
- UCI I804:11029-000000076331
- 본문언어 영어
- 저작권 서강대학교 논문은 저작권 보호를 받습니다.
초록 (요약문)
Tetrapyrroles including heme and chlorophylls have pivotal roles in many organisms. The biosynthetic pathways vary among species but share several major enzymatic steps. Protoporphyrinogen dehydrogenase (PgdH) and protoporphyrin ferrochelatase (PpfC) catalyze the final two steps for heme synthesis in a pathogen, Vibrio vulnificus. PgdH converts protoporphyrinogen IX to protoporphyrin IX (PPn) and PpfC chelates Fe2+ into the PPn to form b-type heme. PPn, however, has phototoxicity if it is released to cytosol. This study revealed that the cellular PPn level was kept low via molecular interaction of PgdH and PpfC in V. vulnificus, which enabled substrate channeling. If the interaction was abolished, photosensitivity of cells increased significantly, indicating the interaction is essential for survival of the cells under light irradiations. A photosynthetic bacterium, Rhodobacter sphaeroides has the biosynthetic pathway for bacteriochlorophyll a (Bchl a) in addition to that for heme. Bchl a is the major photopigment of R. sphaeroides, which is integrated into photosynthetic reaction center (RC) and light-harvesting complexes to perform photosynthetic light reactions. This study focused on expanding light absorption spectrum of R. sphaeroides by producing heterologous pigments in addition to Bchl a. To achieve this, biosynthetic pathway of tetrapyrrole photopigment in R. sphaeroides was modified. The mutant of R. sphaeroides lacking 3-vinyl (bacterio)chlorophyllide a hydratase (BchF)—an essential enzyme for Bchl a synthesis—(ΔbchF mutant) accumulates intermediate pigments chlorophyllide a (Chlide a) and 3-vinyl bacteriochlorophyllide a (3V-Bchlide a). This study demonstrated the 3V-Bchlide a was metabolized to 3-vinyl bacteriochlorophyll a (3V-Bchl a) by intrinsic bacteriochlorophyll synthase (BchG) of R. sphaeroides, which was integrated into RC instead of Bchl a, and supported the photosynthetic growth of the ΔbchF mutant. The 3V-Bchl a-containing RC had decreased electron transfer rate from special pair pigments (P) to pheophytin, and higher electrochemical potential of P/P+ compared with Bchl a-containing RC. Furthermore, both Bchl a-containing RC and 3V-Bchl a-containing RC were co-produced by introducing BchF with lowered activity into ΔbchF mutant, which resulted in spectral expansion of light absorption. The other attempt to expand light absorption spectrum was to produce Chl a together with Bchl a in R. sphaeroides. The last step for chlorophyll a (Chl a) and Bchl a biosynthesis is catalyzed by chlorophyll synthase (ChlG) and BchG which prenylate Chlide a and bacteriochlorophyllide a (Bchlide a) by C20 groups, respectively. Since R. sphaeroides synthesizes Chlide a as an intermediate in Bchl a biosynthesis, heterologous expression of chlG would lead to production of Chl a. However, most ChlGs are inhibited by Bchlide a and Bchl a (bacteriochlorins), which prohibited the activity of chlG in R. sphaeroides. Surprisingly, ChlGs from angiosperm plants was found to have resistance to the bacteriochlorin inhibitions. Chl a was synthesized together with Bchl a in R. sphaeroides by introducing Nicotiana tabacum ChlG—the most resistant ChlG to bacteriochlorin inhibitions which was selected in this study.
more초록 (요약문)
헴 (heme) 또는 클로로필 (chlorophyll)을 포함하는 테트라피롤 색소는 생체 내에서 중요한 역할을 수행한다. 그 생합성 경로는 생체마다 다르지만 주요 경로를 공유한다. 프로토포피리노겐 탈수효소 (PgdH)와 프로토포피린 페로킬레테이스 (PpfC)는 패혈증 비브리오균의 헴 합성 과정의 마지막 두 단계에 관여한다. PgdH는 프로토포피리노겐 IX을 프로토포피린 IX (PPn)으로 변환하고 PpfC가 PPn에 Fe2+를 삽입하여 b-유형의 헴이 합성된다. 하지만 PPn은 세포질에 유리될 경우 광독성 (phototoxicity)을 유발한다. 본 연구에서는 PgdH와 PpfC의 분자적 상호작용을 통한 기질 채널링을 통해 세포내 PPn 농도가 낮게 유지됨을 밝혔다. 이런 상호작용이 사라질 경우 세포의 광민감성은 현저히 증가하였으며 이는 빛이 조사되는 조건 하에서 세포의 생존에 중요한 역할을 한다는 것을 보여준다. 광합성 세균 로도박터 스페로이데스는 박테리오클로로필 a (Bchl a)를 광합성 색소로 사용하며 이 색소가 광합성 광반응 중심체 (RC) 또는 광흡수체 단백질에 결합하여 광합성의 명반응을 수행한다. 본 연구는 Bchl a와 이종 (heterologous) 광합성 색소를 로도박터 내에서 동시에 형성하여 광 흡수파장 영역을 확장하는 것을 목표로 하였다. 이를 위해 로도박터의 테트라피롤 광색소 합성 경로를 변경하였다. Bchl a 합성 경로의 필수 효소인 BchF가 제거된 로도박터 변이주 (ΔbchF mutant)는 중간 색소인 Chlide a와 3V-Bchlide a를 축적한다. 본 연구에서는 3V-Bchlide a 가 로도박터의 박테리오클로로필 합성효소 (BchG)에 의해 3V-Bchl a로 변환되어 이것이 RC에 결합하여 ΔbchF mutant의 광합성 성장을 가능하게 함을 발견하였다. 3V-Bchl a이 포함된 RC는 원래 RC에 비해 흡광 스펙트럼 영역이 변화하였고, 스페셜 페어 색소 (P)에서 피오파이틴으로 전자가 이동하는 속도가 감소하였으며, P/P+의 전기화학적 전위차는 증가하였다. 추가로 ΔbchF mutant에 활성이 감소된 BchF 효소를 도입하여 3V-Bchl a이 포함된 RC와 Bchl a이 포함된 RC를 동시에 형성하여 광 흡수파장 영역을 확장하는데 성공하였다. 광 흡수파장 영역의 확장을 위한 또다른 시도는 Bchl a와 더불어 이종 유래의 클로로필 a (Chl a)를 로도박터 내에서 동시에 합성하는 것이었다. Chl a와 Bchl a의 생합성 마지막 단계는 Chlide a와 Bchlide a가 C20로 프레닐화 (prenylation)되는 과정이며 각각 클로로필 합성효소 (ChlG)와 BchG가 촉매한다. 로도박터는 Bchl a 합성 경로에서 중간색소로서 Chlide a를 합성하기 때문에 단순히 ChlG를 로도박터에 도입하는 것만으로도 Chl a를 합성할 수 있을 것이라 예상되었다. 문제는 대부분의 ChlG가 Bchlide a와 Bchl a 같은 박테리오클로린에 의해 활성이 저해되는 현상에 의해 Bchl a과 Chl a의 동시 합성이 어렵다는 것이었다. 하지만 본 연구에서는 속씨식물의 ChlG가 이러한 박테리오클로린에 의한 활성저해가 거의 없음을 확인하였고, 이 중 활성 저해에 가장 저항성이 강한 담배 (Nicotiana tabacum)의 ChlG를 로도박터에 도입함으로써 Bchl a 존재하에서 Chl a를 형성하는데 성공하였다.
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