Funktionen kleiner Proteine, Peptide und von Transkripten dualer Funktion in Cyanobakterien

• Antragsteller: Professor Dr. Wolfgang R. Hess
• Fachliche Zuordnung: Stoffwechselphysiologie, Biochemie und Genetik der Mikroorganismen
• Förderung: Förderung seit 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 379644176

Gene mit sehr kurzen Leserahmen (smORFs) und dual-function Transkripte werden während der Standardannotation mikrobieller Genome nur in Ausnahmefällen identifiziert und annotiert. Basierend auf der komparativen Analyse von Transkriptom- und Genomdatensätzen haben wir in dem photosynthetischen Modellorganismus Synechocystis sp. PCC 6803 45 smORFs vorhergesagt, die für kleine Proteine mit ≤ 50 und 293 mit ≤ 80 Aminosäuren kodieren. Die Existenz von sechs kleinen Proteinen ≤ 50 und von vier Proteinen > 50, aber ≤ 70 Aminosäuren wurde immunologisch nach Epitoptagging und durch Peptidomik gezeigt. Sechs dieser kleinen Proteine wurden für eine genauere Analyse ausgewählt, von diesen wurden dann zwei, AtpΘ und NblD, detaillierter charakterisiert. Durch die Untersuchung von Mutanten und die massenspektrometrische Analyse interagierender Proteine konnte AtpΘ als ein bisher unbekannter inhibitorischer Faktor der ATP-Synthase charakterisiert werden. AtpΘ ist ein 48 Aminosäuren Protein, welches spezifisch unter Bedingungen niedriger Energie wie z. B. während der Nacht exprimiert wird. Homologe von AtpΘ sind in allen Cyanobakterien detektierbar. AtpΘ bindet an die α- und γ-Untereinheiten der ATP-Synthase und hemmt deren ATPase-Aktivität wenn der elektrochemische Gradient zusammenbricht. Damit ähnelt AtpΘ den alpha-helikalen Peptidinhibitoren von ATP-Synthasen, die in eukaryotischen Mitochondrien charakterisiert sind. AtpΘ stellt somit ein bemerkenswertes Beispiel für konvergente Evolution dar und erweitert die bekannten Funktionen kleiner Proteine in Bakterien um eine weitere Funktionalität. NblD ist ein Cystein-reiches kleines Protein von 66 Aminosäuren, das spezifisch während Stickstoffmangels exprimiert wird. Homologe von NblD existieren in allen Cyanobakterien, die Phycobilisomen für die photosynthetische Lichtsammlung verwenden, jedoch nicht in Spezies, die alternative Lichtsammelmechanismen verwenden. Wir konnten herausfinden, dass NblD an die β-Phycocyanin-Untereinheit bindet, wo es eine entscheidende Rolle beim koordinierten Abbau der Phycobilisomen unter Stickstoffmangel spielt. Während der zweiten Förderperiode werden wir in Zusammenarbeit mit der Z2-Einheit Ribo-seq und Ribo-TIS / TTS nutzen, um die Initiations- und Terminationsstellen der Translation in Synechocystis zu kartieren und eine Ribo-seq-basierte Analyse von Translatomänderungen unter 4 verschiedenen Bedingungen durchzuführen. Wir werden uns auf die eingehende funktionale Charakterisierung von AtpΘ und NblD konzentrieren und die beteiligten molekularen, strukturellen und regulatorischen Details identifizieren. Wir werden von der Interaktion sowohl mit der Z1- und der Z2-Einheit als auch mit mehreren anderen Gruppen des Konsortiums profitieren und an mehreren ausgewählten anderen Projekten als Kooperationspartner mitwirken.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2002: Kleine Proteine in Prokaryoten, eine unbekannte Welt
• Internationaler Bezug: Spanien
• Kooperationspartnerin: Dr. Alicia Muro-Pastor