Signaltransduktion durch das essentielle Signalmolekül c-di-AMP in Bacillus subtilis

• Antragsteller: Professor Dr. Jörg Stülke
• Fachliche Zuordnung: Stoffwechselphysiologie, Biochemie und Genetik der Mikroorganismen
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 314789836

Bakterien nutzen sogenannte Second messenger zur Signalweiterleitung und um sich schnell an sich verändernde Bedingungen anpassen zu können. Zyklische Nukleotide und Dinukleotide dienen sehr häufig als Second messenger. Das Gram-positive Bodenbakterium Bacillus subtilis bildet c-di-GMP und c-di-AMP. Für beide Signalmoleküle gibt es in B. subtilis jeweils mehrere Enzyme, die die Moleküle synthetisieren. Während c-di-GMP an der Kontrolle der Motilität beteiligt ist, spielt das c-di-AMP in verschiedenen Signaltransduktionsvorgängen eine Rolle. Bisher wurde gezeigt, dass es an der Kontrolle der Zellwandsynthese und der Zellteilung sowie der Regulation der Kaliumaufnahme beteiligt ist. Wir haben die Aktivitäten der Diadenylatcyclasen CdaA und CdaS, über die bisher wenig bekannt war, charakterisiert. Wir haben beobachtet, dass c-di-AMP für B. subtilis essentiell ist, aber dass die Akkumulation des Nukleotids ebenfalls schädlich für die Bakterien ist. Um die Wirkungsmechanismen von c-di-AMP auf molekularer Ebene zu verstehen, haben wir Proteine isoliert, die dieses Molekül binden, und dabei das PII-ähnliche Signaltransduktionsprotein DarA als c-di-AMP-bindendes Protein gefunden. Mit dem hier beantragten Vorhaben möchten wir zunächst die Kontrolle der c-di-AMP-Bildung in B. subtilis untersuchen. Dabei steht die in vivo-Aktivität der Cyclase CdaA im Mittelpunkt, da dieses Enzym wahrscheinlich ursächlich für die Essentialität von c-di-AMP ist. In diesem Zusammenhang werden wir auch die molekularen Details der Interaktion von CdaA mit dem Modulatorprotein CdaR und der Phosphoglucosamin-Mutase GlmM analysieren. Diese drei Proteine sind in den Gram-positiven Bakterien mit niedrigem GC-Gehalt alle in einem Operon kodiert, was einen funktionellen Zusammenhang nahelegt. Im zweiten Schritt möchten wir die Funktion von DarA aufklären. Dazu werden wir DarA gemeinsam mit seinen Interaktionspartnern aus B. subtilis aufreinigen, und diese Partner dann durch Massenspektrometrie identifizieren. PII-Proteine sind dafür bekannt, mit verschiedenen anderen Proteinen zu interagieren, und so deren Aktivität zu steuern. Wir gehen davon aus, dass dies auch für DarA zutrifft. Schließlich wird die Aufklärung der essentiellen Funktion von c-di-AMP die zentrale Frage dieses Vorhabens sein. Unsere bisherigen Ergebnisse lassen vermuten, dass c-di-AMP für die Aktivität eines essentiellen Proteins der Zellwandsynthese benötigt wird. Um dieser Hypothese nachzugehen und dieses Protein zu finden, haben wir verschiedene experimentelle Strategien entwickelt. Wir sind zuversichtlich, dass wir mit diesem experimentellen Programm an der Schnittstelle von molekularer Genetik und Proteomik wesentliche neue Einblicke in die Funktion des einzigartigen essentiellen Signalmoleküls c-di-AMP gewinnen werden.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1879: Nucleotide Second Messenger Signaling in Bacteria