Investigation of Uptake and Detoxification Mechanisms of Thioarsenates in Different Species : Evolution of Mechanisms Providing Arsenic Tolerance

Titelangaben

Haider, Sebastian:
Investigation of Uptake and Detoxification Mechanisms of Thioarsenates in Different Species : Evolution of Mechanisms Providing Arsenic Tolerance.
Bayreuth , 2026 . - 222 S.
( Dissertation, 2026 , Universität Bayreuth, Bayreuther Graduiertenschule für Mathematik und Naturwissenschaften - BayNAT )

Volltext

	Format: PDF Name: Dissertation_Sebastian_Haider_bib-final.pdf Version: Veröffentlichte Version Verfügbar mit der Lizenz Creative Commons BY 4.0: Namensnennung
	Download (7MB)

Abstract

Research on the uptake and metabolism of various arsenic compounds, including the organic compounds MMA and DMA as well as the inorganic forms AsIII and AsV, has significantly deepened our understanding of these processes over the past two decades. Concurrently, strategies to minimize arsenic exposure have been developed. A previously overlooked group of compounds, the thioarsenates (particularly monothioarsenate (MTA) and dimethylthioarsenate (DMMTA)), has gained attention due to advances in analytical and sample extraction methods6,7. Toxicological studies have shown these compounds to be more toxic than MMA and DMA, and in case of DMMTA, even more toxic than AsIII and AsV. They have been detected in rice and rice products worldwide8,9, highlighting their importance in food safety. Against this background, it was necessary to investigate the uptake and metabolism of this new group of arsenic compounds in greater detail. By utilizing multiple model organisms, this work offers new insights into the uptake and detoxification of MTA and DMMTA, as well as broader mechanisms of AsIII tolerance in the absence of phytochelatins. For the first time, it was demonstrated that MTA is taken up via Pi transporters in A. thaliana and S. cerevisiae similarly to AsV. Both, the loss of a Pi transporter (pht1;1 in A. thaliana, pho84Δ in S. cerevisiae) or an impaired Pi starvation response (phr1-1phl1 in A. thaliana) led to reduced MTA uptake and translocation. These differences were also reflected in vital parameters such as anthocyanin concentrations, fresh weight, root length, and chlorophyll content, which indicated delayed MTA uptake in the mutants compared to the wild type. Furthermore, thiol profiles after exposure to MTA and AsV showed comparable levels of PC formation across all genotypes, indicating that differences in uptake and translocation were not due to variations in sequestration rates. Although the question remains as to whether AsV reductases contribute to the conversion of MTA to AsIII, a non-enzymatic conversion of this compound was demonstrated in protein extracts from E. coli and S. pombe. Elemental analyses of root and shoot samples from A. thaliana exposed to MTA and AsV under Pi-deficient conditions revealed differences in translocation, suggesting further divergences between these two Pi analogs. A key starting point for identifying relevant candidate genes in providing AsIII tolerance was an AsIII evolution project, which isolated four mutants with a pcsΔ background exhibiting significantly increased tolerance to AsIII. Genome resequencing of these mutants (M1-M4) identified five single-nucleotide polymorphisms (SNPs) in coding sequences, including two in the E3 ligase pof1 (M1, M3) and three in genes involved in GSH metabolism, specifically the γ-glutamyl transpeptidases ggt1 (M2) and ggt2 (M4). Only one SNP in the phospholipase-1 sequence (plb1) in the M2 mutant deviated from this pattern. The increased tolerance of all mutants to AsIII was also associated with improved tolerance to Cd and AsV. Knockout analyses of the γ-glutamyl transpeptidases and thiol profiling supported the hypothesis that elevated GSH concentrations played a significant role in the enhancement of tolerance levels. In the investigation of the methylated sulfur-arsenic compound DMMTA, factors influencing its stability, toxicity, and uptake were identified. The resulting data suggest that DMMTA toxicity in S. pombe and S. cerevisiae is likely influenced by the carbon source. The reduced DMMTA toxicity in the presence of fructose instead of glucose appears to be of metabolic origin rather than uptake related. Furthermore, as part of the investigation of the mutants and the corresponding knockouts from the AsIII evolutionary project, it was shown that the vacuole-localized γ-glutamyl transpeptidase 2 (Ggt2) in S. pombe may contribute to tolerance against DMMTA and DMDTA. In contrast, the loss of the endoplasmic reticulum-localized γ-glutamyl transpeptidase 1 (Ggt1) in the pcsΔ-background did not lead to increased sensitivity to DMMTA.

Abstract in weiterer Sprache

Forschungen über die Aufnahme und Metabolisierung verschiedener Arsenverbindungen, darunter die organischen Verbindungen MMA und DMA sowie die anorganischen AsIII und AsV, haben in den letzten zwei Jahrzehnten das Verständnis dieser Prozesse erheblich vertieft. Gleichzeitig wurden Strategien zur Minimierung der Arsenexposition entwickelt. Eine bisher wenig beachtete Gruppe von Verbindungen, die Thioarsenate (insbesondere Monothioarsenat (MTA) und Dimethylthioarsenat (DMMTA), geriet durch neue Analyse- und Probenextraktionsmethoden zunehmend in den Fokus6,7. Diese Verbindungen erwiesen sich in toxikologischen Studien als toxischer im Vergleich zu MMA und DMA und teilweise sogar als AsIII und AsV. Sie konnten weltweit in Reis und Reisprodukten nachgewiesen werden8,9, weshalb sie auch aus Gründen der Lebensmittelsicherheit von Bedeutung sind. Vor diesem Hintergrund war es notwendig, die Aufnahme und Metabolisierung dieser neuen Gruppe von Arsenverbindungen genauer zu untersuchen. Durch den Einsatz verschiedener Modellorganismen konnten in dieser Arbeit neue Erkenntnisse über die Aufnahme und Detoxifikation von MTA und DMMTA, sowie über allgemeine Mechanismen der Toleranz gegenüber AsIII, in Abwesenheit von Phytochelatinen gewonnen werden. Erstmals wurde gezeigt, dass MTA über Pi-Transporter in A. thaliana und S. cerevisiae ähnlich wie AsV aufgenommen wird. Sowohl der Verlust eines Pi-Transporters (pht1;1 in A. thaliana, pho84Δ in S. cerevisiae), als auch eine beeinträchtigte Pi-Mangelantwort (phr1-1phl1 in A. thaliana) führten zu einer reduzierten MTA-Aufnahme und einer geringeren Translokation in den Spross. Diese Unterschiede spiegelten sich auch in Vitalparametern wie Anthocyan-Konzentrationen, Frischgewicht, Wurzellänge und Chlorophyllgehalt wider, die bei den Mutanten im Vergleich zum Wildtyp auf eine verzögerte MTA-Aufnahme hinwiesen. Darüber hinaus zeigten die Thiolprofile nach der Exposition gegenüber MTA und AsV vergleichbare PC-Bildungsniveaus in allen Genotypen, was darauf hinweist, dass Unterschiede in Aufnahme und Translokation nicht auf unterschiedliche Sequestrationsraten zurückzuführen sind. Obwohl die Frage offenbleibt, inwieweit AsV-Reduktasen MTA in AsIII umwandeln können, wurde eine nicht-enzymatische Umwandlung dieser Verbindung in Proteinextrakten von E. coli und S. pombe nachgewiesen. Elementanalysen von Wurzel- und Sprossproben von A. thaliana nach Exposition gegenüber MTA und AsV unter Pi-Mangelbedingungen zeigten Unterschiede in der Translokation, was auf weitere Divergenzen zwischen diesen beiden Pi-Analoga hindeutet. Ein Ausgangspunkt für die Identifikation relevanter Kandidatengene war das AsIII-Evolutionsprojekt, bei dem vier Mutanten mit pcsΔ-Hintergrund isoliert wurden, welche eine deutlich erhöhte Toleranz gegenüber AsIII aufwiesen. Die Resequenzierung der Genome dieser Mutanten (M1-M4) ergab fünf Single-Nucleotide-Polymorphisms (SNPs) in kodierenden Sequenzen, darunter zwei in der E3-Ligase pof1 (M1, M3) und drei in Genen des GSH-Metabolismus, nämlich den γ-glutamyl-Transpeptidasen ggt1 (M2) und ggt2 (M4). Nur ein SNP in der Phospholipase-1-Sequenz (plb1) der M2-Mutante fiel aus diesem Muster. Die erhöhte Toleranz aller Mutanten gegenüber AsIII war mit einer verbesserten Cd- und AsV-Toleranz verbunden. „Knockout“-Analysen der γ-glutamyl-Transpeptidasen und die Bestimmung der Thiolprofile stützen die Hypothese, dass höhere GSH-Konzentrationen zu den erhöhten Toleranzniveaus beitrugen. Bei der Untersuchung der methylierten Schwefelarsenverbindung DMMTA konnten Einflussfaktoren auf deren Stabilität, Toxizität und Aufnahme identifiziert werden. Die daraus resultierenden Daten deuten auf eine Abhängigkeit der DMMTA-Toxizität von der jeweilig verwendeten Kohlenhydratquelle in S. pombe und S. cerevisiae hin. Dabei scheint die verringerte DMMTA-Toxizität in Anwesenheit von Fruktose anstelle von Glukose nicht auf eine veränderte Aufnahme, sondern auf metabolische Prozesse zurückzuführen zu sein. Darüber hinaus konnte im Zuge der Untersuchung der Mutanten und der dazugehörigen „Knockouts“ des AsIII-Evolutionsprojektes gezeigt werden, dass die vakuolär lokalisierte γ-glutamyl-transferase 2 (Ggt2) in S. pombe eventuell zur Toleranzvermittlung gegenüber DMMTA respektive DMDTA beiträgt. Im Gegensatz dazu führte der Verlust der im endoplasmatischen Retikulum lokalisierten γ-glutamyl-transferase 1 (Ggt1) im pcsΔ-Hintergrund nicht zu einer erhöhten Sensitivität gegenüber DMMTA.