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Projekt
Funktionelle Charakterisierung des Membran-depolarisierenden Toxins TisB in Escherichia coli
Antragsteller
Professor Dr. Bork Berghoff
Fachliche Zuordnung
Stoffwechselphysiologie, Biochemie und Genetik der Mikroorganismen
Förderung
Förderung seit 2017
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 379070278
In Prokaryoten sind chromosomale Toxin-Antitoxin- (TA-) Systeme an vielen Prozessen beteiligt, unter anderem an der Stress-Adaptation und der Bildung von Persister-Zellen. Persister-Zellen sind phänotypische Varianten, die eine extrem hohe Toleranz gegenüber Antibiotika aufweisen, und denen daher eine erhöhte Aufmerksamkeit in klinischen Bereichen zukommt. Eine Inhibierung des Wachstums durch Toxine von TA-Systemen fördert die Bildung von Persister-Zellen. Toxine in Typ-I TA-Systemen sind in der Regel kleine Proteine (< 50 Aminosäuren), die die Funktionsweise der inneren Membran stören. Dies gilt auch für das Toxin TisB aus dem Typ-I TA-System TisB/IstR-1 in Escherichia coli. TisB (29 Aminosäuren) wird als Antwort auf eine Schädigung der DNA produziert und zerstört die protonenmotorische Kraft, wodurch es zu einer Depolarisierung der Membran kommt. Die daraus resultierende Depletion von ATP wird unmittelbar für die Persister-Bildung verantwortlich gemacht. Aktuelle Modelle legen die Bildung von wassergefüllten TisB-Poren nahe, durch welche Protonen die Membran überqueren können. In der ersten Förderperiode konnten wir zeigen, dass die Beeinflussung der Membranfunktion durch TisB auch Stress in den Zellen hervorruft und dass die Entgiftung von Superoxid einen entscheidenden Einfluss auf das Überleben von TisB-abhängigen Persister-Zellen hat. Zudem konnte beobachtet werden, dass weitere Gene mit einer Funktion in Stress-Antworten aktiviert werden. Dies betrifft zum Beispiel Gene der Stress-Antwort der inneren Membran (CpxR-Regulon) und Gene, die bisher nur schlecht charakterisierte Stress-Proteine mit einer DUF1471-Domäne kodieren. Wir werden den funktionellen Zusammenhang zwischen TisB und ausgewählten Stress-Proteinen im Hinblick auf die Persister-Bildung und die post-antibiotische Erholungsphase aufklären. Dabei kommen genetische und physiologische Methoden zum Einsatz. TisB bildet eine α-Helix mit einer Transmembran- (TM-) Domäne und enthält die geladenen Aminosäurereste Asp5, Lys12, Asp22, Lys26 und Lys29. Wir konnten bereits zeigen, dass die geladenen Aminosäurereste innerhalb der TM-Domäne (Lys12 und Asp22) entscheidend für die Funktionalität von TisB sind. Die geladenen Aminosäurereste könnten zudem an der Orientierung von TisB in der inneren Membran beteiligt sein. Wir werden untersuchen, welche funktionelle Rolle die geladenen Aminosäurereste spielen und wie sich diese auf die Topologie von TisB auswirken. Dabei werden physiologische und biochemische Methoden zum Einsatz kommen. Des Weiteren soll in Bindungsstudien untersucht werden, ob TisB mit anderen Proteinen interagieren kann. Wir haben zudem ein Projekt zu Typ-I Toxinen aus Archaeen und deren Einfluss auf das Wachstum in E. coli initiiert. Wir werden diese Toxine genauer untersuchen und mit TisB vergleichen. Das vorgeschlagene Projekt wird unser Verständnis darüber vertiefen, wie Typ-I Toxine das Überleben von Prokaryoten in der Umwelt ermöglichen.
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