Anaerobic pathways in the Porifera: Strombine dehydrogenase, an opine dehydrogenase, from the sponge Suberites domuncula

The study presented here encompasses identification, analysis and characterization of the strombine dehydrogenase (StDH) from the sponge S. domuncula, on the gene and protein level. StDH is an opine dehydrogenase which is involved in opine production pathways found mainly in marine invertebrates. These anaerobic pathways are regarded as analogues to the classical anaerobic glycolytic pathway (lactate production pathway), which is predominant in vertebrates. The StDH was previously annotated as a tauropine dehydrogenase (TaDH) on the basis of its 68% identity with the TaDH protein from Halichondria japonica. Subsequent enzymatic assays showed that S. domuncula opine dehydrogenase is in fact strombine dehydrogenase which possesses specific characteristics not found in other proteins of the same family. It is described here for the first time the StDH gene in Eukaryotes. Two allelic variants have been identified which are present in the different specimens either as a homozygotic or a heterozygotic. Phylogenetic analyses supported with enzymatic assays indicate that S. domuncula StDH is only distantly related to the opine dehydrogenases from marine invertebrates. StDH showed that the protein is highly specific to glycine and inhibited by the substrate pyruvate. Furthermore, S. domunucla StDH has a dimeric structure (~75 kDa) which is not observed in so far described OpDHs that are monomeric proteins. This enzyme showed similarities to the OCD/mu-cristallyin protein family. Results showed that a sponge StDH is unusual enzyme that belongs to the independent enzyme class. In addition, expression studies revealed that the StDH is down-regulated with aeration. Immunohistology analyses showed high expression of the protein in almost all sponge cells. A strong accumulation of the enzyme was seen around the bacteria indicating that under aerobic conditions the bacteria might metabolize strombine (end product of the reaction). In conclusion, the data documented here shed new light on the anaerobic pathways in marine invertebrates. Potential mutual influences between bacteria and sponge are discussed as well. Hopefully, these results could have a small but important contribution to the better understanding of the evolution in the animal kingdom.

Die Identifikation, Analyse und Charakterisierung der Strombin-Dehydrogenase (StDH) aus dem Schwamm Suberites domuncula wurde in dieser Arbeit beschrieben. Die Charakterisierung wurde auf der Gen- und Proteinebene durchgeführt. StDH ist eine Opin-Dehydrogenase (OpDH). Das Enzym ist vor allem bei den marinen Wirbellosen Tieren in den Opin-Produktionsweg involviert. Dieser metabolischer Weg wird analog betrachtet zu dem klassischen anaeroben Glykolyse-Weg (Lactat-Produktion), der vorwiegend in Wirbeltieren vorkommt. Aufgrund der 68% der Homologie mit dem Tauropin-Dehydrogenase (TaDH) von dem Schwamm Halichondria japonica wurde die StDH früher in der Literatur als eine TaDH beschrieben. Die anschließenden enzymatischen Untersuchungen haben gezeigt, dass diese Dehydrogenase aus S. domuncula eine Strombin-Dehydrogenase (StDH) ist, die spezifische Charakteristika aufweist, die andere Enzyme derselben Familie nicht besitzen. In dieser Arbeit wurde das StDH-Gen zum ersten Mal in Eukaryoten beschrieben. Zwei Allel–Varianten des Genes wurden identifiziert. In verschiedenen Individuen liegt das Gen in der Zelle homozygot oder heterozygot vor. Phylogenetische Analysen und Enzym-Untersuchungen weisen daraufhin, dass das StDH aus S. domuncula nur entfernt verwandt mit anderen Opin-Dehydrogenasen aus marinen Invertebraten ist. Das StDH-Enzym ist hoch spezifisch für Glycin und kann durch das Substrat Pyruvat inhibiert werden. Die Strukturanalysen zeigen, dass die StDH aus S. domuncula eine dimere Struktur (75kDa) darstellt. In der Literatur sind nur monomere Proteine des OpDH´s beschrieben. Das Enzym zeigt auch markante Ähnlichkeiten mit der OCD/mu-Cristallyin-Protein-Familie. Zusammengefasst ist das StDH des Schwammes ein ungewöhnliches Enzym und bildet eine eigenständige Enzymklasse. Die Expressionsstudien an Schwamm-Genen (Quantitative PCR) haben gezeigt, dass das Gen für das StDH-Enzym bei der Sauerstoffanreicherung nieder reguliert wird. Gleichzeitig haben die immunhistologischen Studien eine hohe Expression von StDH-Enzym in fast allen Schwammzellen ergeben. Die starke Akkumulation des Enzyms wurde um die Bakterien herum im Schwammschnitten beobachtet. Die Ergebnisse sprechen dafür, dass die Bakterien unter aeroben Bedingungen möglicherweise Strombine (Endproduktion der Reaktion) metabolisieren. Diese Daten stellen neue Erkenntnisse zum anaeroben Weg der marinen Invertebraten dar. In der Arbeit ist der potentielle beidseitige Einfluss zwischen den Bakterien und den Schwämmen diskutiert. Es wird erwartet, dass diese Ergebnisse einen kleinen (aber wichtigen) Beitrag zum besseren Verstehen der Evolution von Stoffwechselwegen im Tierreich geben.