Unterschiedliche und gemeinsame Strategien der photooxidativen Stressantwort zwischen Rhodobacter capsulatus und Rhodobacter sphaeroides
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Zusammenfassung
Die nahe verwandten aquatischen Alphaproteobakterien R. capsulatus und R. sphaeroides können sowohl (an)aerobe Atmung als auch Photosynthese betreiben. Das in den Photosystemen befindliche BChl a kann allerdings durch Lichtanregung als Photosensibilisator wirken, wenn es Energie auf molekularen Sauerstoff überträgt und somit cytotoxischer Singulettsauerstoff (1O2) entsteht. Zur Stressvermeidung reguliert Rhodobacter unter aeroben Bedingungen im Licht die Photosynthesegene herunter, doch rapide Änderungen der Licht- bzw. Sauerstoffbedingungen machen Stress unvermeidbar. Studien fokussierte sich bislang auf die photooxidative Stressantwort von R. sphaeroides, jedoch könnte R. capsulatus mit höheren BChl a-Gehalten eine andere 1O2-Stress-Dynamik aufzeigen.Die vorliegende Arbeit untersuchte die 1O2-Antwort in R. capsulatus und verglich sie mit der von R. sphaeroides. Es wurden u.a. das Wachstum, die Pigmentierung und die ROS-Produktion unter photooxidativem Stress analysiert. Weiter wurden mittels RNA-Seq und LC-MS/MS in R. capsulatus die relativen Transkript- und Proteinlevel unter photooxidativem Stress untersucht und mit bekannten Abundanzveränderungen von R. sphaeroides unter Stress (Berghoff et al. 2013) verglichen.Unter photooxidativem Stress erreichten R. capsulatus und R. sphaeroides die gleiche End-OD660, R. capsulatus zeigte aber in den ersten 3 h des Stresses eine höhere Wachstumsrate und produzierte im Verhältnis weniger ROS bzw. 1O2. Als Kernstrategie gegen 1O2-Stress akkumulierten beide Arten Transkripte und Proteine mit Funktionen in Proteinumsatz- und -reparatur, DNA-Reparatur und Oxidations-Reduktions-Prozessen. Die Stressantwort unterschied sich bei R. capsulatus in drei wesentlichen Aspekten von R. sphaeroides: (1) R. capsulatus erhöhte sein Carotinoid-BChl a-Verhältnis stärker, womit es mehr Carotinoide zum Quenchen von BChl a und 1O2 hätte. Die Induktion des crtI-tspO-Operons könnte die stabilen Carotinoid-Level unter Stress erklären. (2) R. capsulatus akkumulierte neben tspO auch die Ferrochelatasen hemH und cbiX, welche alle den Metabolitflux so umlenken können, dass das Vorkommen des Photosensibilisators Protoporphyrin IX sinkt. (3) Die stark gestiegenen Level von Eisenchelatoren wie CbiX in R. capsulatus könnten auch bedeuten, dass weniger freies Eisen ROS in der Fenton-Reaktion generiert.Beide Arten induzierten auch die alternativen Sigmafaktoren RpoHII und RpoE, welche die 1O2-Antwort regulieren. Die rpoE-Syntänie war jedoch verschieden und für viele Gene des rpoE-Regulons hat R. capsulatus keine Homologe. Für R. capsulatus wären die Unterschiede im rpoE-Regulon ebenso wie die Carotinoidzusammensetzung unter Stress und der Beitrag von CbiX zur 1O2-Antwort Ansatzpunkte für zukünftige Studien.
The closely related aquatic Alphaproteobacteria R. capsulatus and R. sphaeroides can conduct both (an)aerobic respiration and photosynthesis. However, the BChl a in the photosystems can act as a photosensitizer if it is excited by light. Then it transfers energy to molecular oxygen, generating cytotoxic singlet oxygen (1O2). Rhodobacter down-regulates its photosynthesis genes upon aerobic conditions in the light to avoid stress, but rapid changes in light and oxygen conditions result in unavoidable stress. So far, studies have focussed on the photooxidative stress response in R. sphaeroides, but R. capsulatus might show different 1O2-stress dynamics, due to higher BChl a-contents.In this thesis, the 1O2-response of R. capsulatus was analyzed and compared to the one of R. sphaeroides. Among others, growth, pigmentation and ROS-production during photooxidative stress were analyzed. The relative transcript- and protein-levels were measured via RNA-Seq and LC-MS/MS and compared to stress-related abundance changes in R. sphaeroides (Berghoff et al. 2013).Both R. capsulatus and R. sphaeroides reached the same final OD660 during photooxidative stress, but R. capsulatus showed a higher growth rate during the first 3 h of stress and produced relatively less ROS and 1O2. As part of the main strategy against 1O2-stress, both species accumulated transcripts and proteins involved in turnover and repair of proteins, DNA-repair and oxidation-reduction-processes. The stress response of R. capsulatus differed from R. sphaeroides in three key aspects: (1) R. capsulatus increased its carotenoid-BChl a-ratio stronger, so more carotenoids might have quenched BChl a and 1O2. The induced crtI-tspO-operon might contribute to the stable carotenoid levels during stress. (2) Apart from tspO, R. capsulatus also accumulated the ferrochelatases hemH und cbiX to a great extent, and all three can change the metabolic flux to reduce the amounts of the photosensitizer Protoporphyrin IX in the cell. (3) In general, R. capsulatus accumulated more ferrochelatases like CbiX and HemH, which might lessen the amount of iron-derived ROS.Both species also induced the alternative sigma factors RpoHII and RpoE, which regulate the 1O2-response. The synteny of rpoE was different, however, and R. capsulatus lacked homologs of many genes of the rpoE-regulon of R. sphaeroides. The RpoE-regulon differences, the carotenoid composition during stress and the role of CbiX mark interesting aspects for further studies.