Ammonium-Sensorproteine in der Signaltransduktion

• Antragstellerin: Professorin Dr. Susana Andrade
• Fachliche Zuordnung: Biochemie
• Förderung: Förderung von 2012 bis 2016
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 226824845

Ammonium-Transportproteine (Amt) spielen eine zentrale Rolle für die Aufnahme von Ammoniumionen als Stickstoffquelle für Biosynthesen in Mikroorganismen und Pflanzen. Die orthologen Rhesus-Proteine in Tieren dienen der Regulation der Harnkonzentration und der Homöostase wichtiger Elektrolyte. Bei Datenbanksuchen finden sich aber vermehrt Mitglieder der Amt-Familie, die zusätzlich zu der konservierten Amt-Intramembrandomäne weitere cytoplasmatische oder extrazelluläre Domänen umfassen. In vielen Fällen handelt es sich hierbei um typische Signaltransduktionsdomänen, die für diese Membranproteine eine Funktion im Rahmen der Signalerkennung und -weiterleitung nahelegen. Im vorliegenden Antrag sollen zwei ausgewählte Vertreter dieser Ammonium-Sensorproteine strukturell und funktionell charakterisiert werden, um die Natur des Signals und die molekularen Mechanismen der Signalbindung und der Aktivierung der Transduktionsdomäne offenzulegen. In Kuenenia stuttgartiensis, einem Modellorganismus der anaeroben Ammoniumoxidation (Anammox) findet sich mit dem Protein Amt-5 ein zweiteiliges, Amt-basiertes Sensor-Transduktor-System, dessen C-terminale, cytoplasmatische Domäne zur Klasse der Histidinkinasen gehört, also bei Aktivierung ein nachgeschaltetes Protein der Transduktionskette unter ATP-Verbrauch phosphoryliert. Amt-5 wurde bereits produziert und kristallisiert, aber während für die Membrandomäne aus diesen Arbeiten eine hoch aufgelöste Struktur erhalten wurde, war die Transduktionsdomäne im Kristall ungeordnet. Im zweiten System, Amt-1 aus Shewanella denitrificans, findet sich eine ähnliche Architektur, wobei die cytoplasmatische Domäne zur GGDEF-Famile der Diguanylat-Cyclasen gehört. Diese Domänen erzeugen zyklisches di-GMP als second messenger, und ihre Aktivierung ist gemeinhin durch Multimerisierung gesteuert. Im Zusammenhang eines Amt-Sensors legt dies eine Konformationsänderung im Sensorteil, also der Amt-Domäne nahe. Auch Amt-1 wurde bereits mit guten Ausbeuten rekombinant gewonnen und qualitativ hochwertige Einkristalle sind verfügbar. Die Sensor- und Transduktionsdomänen beider Proteine wurden auch separat produziert und initiale funktionelle Studien zeigen, dass die Transduktionsdomänen aktiv sind und im Gesamtprotein durch Gegenwart von Ammoniumionen aktiviert werden.Die vorgeschlagenen Arbeiten zum Verständnis der Funktionsweise der Ammonium-Sensorproteine werden nicht nur zur ersten quantitativen Beschreibung dieser Systeme führen, sondern idealerweise auch wichtige Informationen zur grundlegenden Funktion gekoppelter Sensor-Transduktor-Systeme in der zellulären Signaltransduktion liefern. Durch den Einsatz verschiedener strukturgebender Techniken wie SAXS und Röntgen-Kristalldiffraktometrie sowie durch funktionelle Studien an den Einzeldomänen und den Gesamtproteinen streben wir eine Beschreibung in bisher nicht erreichter Präzision an.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen