From Cyanobacteria to Archaeplastida: Unveiling the functional diversity of PII signal transducers

• Applicant: Professor Dr. Karl Forchhammer
• Subject Area: Metabolism, Biochemistry and Genetics of Microorganisms
• Term: from 2010 to 2020
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 189259950

Die Familie der PII Signaltransduktionsproteine zählt zu den am weitesten verbreiteten Signalprotein-Familien und kommt in Bakterien, Archaeen und Pflanzen vor. PII Proteine passen Stickstoff-Assmiliationsreaktionen dem generellen metabolischen Status der Zellen an. Dafür sensieren sie Signale des zentralen Metabolismus in dem sie 2-Oxoglutarat binden sowie kompetitiv ATP oder ADP. In Cyanobakterien sind die Proteine PipX und N-Acetyl-L-Glutamatkinase (NAGK) die herausragenden Empfänger von PII Signalen. Dadurch kontrolliert PII die Stickstoff-abhängige Genexpression (über das PipX-NtcA Netzwerk) sowie den Stickstoff-Speicherstoffwechsel (über den NAGK abhängigen Arginin-Synthesesweg). In der vergangenen Förderperiode konnten wir die Struktur-Funktionsbeziehung der Bindung von 2-Oxoglutarat, ATP und ADP an PII aufklären. Wir entdeckten, wie die ATP/ADP bindenden Eigenschaft von PII im Rezeptor-Komplex beeinflusst wird, wodurch PII je nach Rezeptor-Interaktion unterschiedlich auf den ATP/ADP Status reagieren kann. Wir entwickelten einen auf FRET (Fluoreszenz-Resonanz Energietransfer) beruhenden Test um die durch 2-Oxoglutarat modulierte Interaktion zwischen PII und NAGK zu messen. Darüber hinaus studierten wir die Evolution der PII - NAGK Interaktion von Cyanobakterien bis zu deren endosymbiontischen Abkömmlingen, den Chloroplasten der Archaeplastida (dem Pflanzenreich). Dabei entdeckten wir eine fundamental neue Eigenschaft von pflanzlichen PII Proteinen: Sie sensiren Glutamin über eine zusätzliche niederaffine Glutamin-Bindungsstelle. Neueste FLAG-tag Extraktionsexperimente deuten darauf hin, dass es in dem Cyanobakterium Synechocystis PCC 6803 noch wesentlich mehr PII Signalempfänger gibt als bisher gedacht. Transportproteine, wie z.B. Nitrat- Harnstoff- oder Ammoniumtransporter scheinen mit PII zu interagieren sowie weitere metabolische Enzyme. Darüber hinaus weisen andere Arbeiten darauf hin, dass auch das Schlüsselenzym der Fettsäurebiosynthese, Acetyl-CoA Carboxylase, unter PII Kontrolle stehen könnte. Demnach scheint PII zumindest in Cyanobakterien im Zentrum des Kohlenstoff-Stickstoff Stoffwechsels zu stehen. In der zweiten Förderperiode wollen wir zuerst die Arbeiten zu einem auf PII beruhendem FRET-Sensor für 2-Oxoglutarat fertig stellen. Im Hauptteil wollen wir die Identifizierung und Charakterisierung von neuen PII Interaktionspartnern in dem Cyanobakterium Synechocystis PCC 6803 voran treiben. Weiterhin wollen wir in Zusammenarbeit mit Prof. Elena Ermilova (Staatliche Universität St. Petersburg) eine vergleichende Analyse der PII Interaktionen von Cyanobakteiren zu Archaeplastida durchführen. Dazu wollen wir PII Interaktionspartner in einzelligen Rot- und Grünalgen (Chlamydomonas, Chlorella and Porphyridium) untersuchen und diese mit denen in Synechocystis vergleichen. Wie die vergangene Förderperiode zeigte, kann dieser Forschungsansatz zu fundamental neuen Erkenntnissen über PII Signalmechanismen führen.

• DFG Programme: Research Grants
• International Connection: Russia
• Partner Organisation: Russian Foundation for Basic Research
• Cooperation Partner: Professorin Dr. Elena Ermilova