Die Verbindung von „second messenger” Signalleitung und CO2 Homöostase in Cyanobakterien: Aufklärung des SbtB-basierten Netzwerks

• Antragsteller: Professor Dr. Karl Forchhammer; Professor Dr. Martin Hagemann
• Fachliche Zuordnung: Stoffwechselphysiologie, Biochemie und Genetik der Mikroorganismen
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 423441238

Cyanobakterien betreiben oxygene Photosynthese und bilden organische Moleküle aus CO2. In aquatischen Habitaten ist CO2 häufig limitierend und unterliegt starken Schwankungen. Um bei wechselnden CO2-Gehalten effektive CO2-Fixierung zu betreiben, haben Cyanobakterien eine Reihe von Anpassungen entwickelt. Zur Aufrechterhaltung der CO2 Assimilation bei geringem CO2-Angebot wurde ein CO2-Konzentrierungsmechnismus (CCM) hervorgebracht. Der CCM ist auf Ebene der Genexpression durch zwei LysR-Typ Transkriptionsfaktoren reguliert, die metabolische Signale als Corepressoren bzw. –aktivatoren nutzen. Mutationen dieser Regulatoren führten jedoch nur zu einem teilweisen Ausfall der Anpassung an wechselnde CO2-Gehalte, so dass weitere, bisher unbekannte Signalwege postuliert wurden. In Vorarbeiten haben wir mit SbtB ein neues, potentielles CO2-Sensierungsprotein identifiziert. SbtB zeigt deutliche strukturelle Ähnlichkeiten zu PII-Proteinen, die eine entscheidende Rolle in der Wahrnehmung des zellulären C/N Verhältnis in Prokaryoten und Pflanzen spielen. Genau wie PII Proteine bindet SbtB Adeninnukleotide. Im Unterschied zu PII bindet SbtB jedoch den sekundären Botenstoff cAMP, und das mit höchster Affinität. Eine SbtB-Defektmutante wies deutliche Störungen bei der Anpassung an variierende CO2 Gehalte auf. Es ist bekannt, dass die Aktivität der sog. löslichen Adenylatzyklase (ein cAMP Syntheseenzym) in Cyanobakterien sowie in vielen anderen Organismen durch Bikarbonat stimuliert wird, wobei die physiologische Relevanz nicht genau bekannt ist. Daher haben wir geschlussfolgert, dass es sich bei SbtB um ein neues, PII-ähnliches Sensorprotein für die Verfügbarkeit von CO2 in Abhängigkeit des sekundären Botenstoffs cAMP handeln könnte. Diese Funktion von cAMP ähnelt auch dessen zentraler Rolle bei der Regulation des bakteriellen Zuckerstoffwechsels. Kürzlich haben wir auch gefunden, dass in der SbtB Mutante die Regulation eines Teils der CO2-abhängigen Gene verändert ist, und dass das SbtB Protein darüber hinaus noch den sekundären Botenstoff c-di-AMP bindet. In diesem Projekt wollen wird die Rolle von sekundären Botenstoffen im Regulationsnetzwerk von SbtB in dem Modellcyanobakterium Synechocystis sp. PCC 6803 aufklären. Dazu planen wir, das durch cAMP gesteuerte SbtB Signalnetzwerk in der zellulären Anpassung an wechselnde CO2 Gehalte zu analysieren. Weiterhin soll die Rolle des neu identifizierten SbtB-Liganden c-di-AMP aufgeklärt werden. Um die SbtB-basierte Signalleitung zu verstehen, sollen Proteine identifiziert werden, die mit SbtB interagieren und wie diese Interaktion durch sekundäre Botenstoffe beeinflusst wird. Neben der Bindung von cAMP wurde in SbtB eine Redox-sensitive C-terminale Domäne entdeckt. Daher planen wir auch zu erforschen, inwieweit diese Struktur tatsächlich eine Rolle bei der Integration von Redoxsignalen in das SbtB-Regulationsnetzwerk mit sekundären Botenstoffen spielt.

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