Die Verbindung zwischen PII Regulation und dem zentralen Kohlenstoff-Stoffwechsel in Cyanobakterien

• Antragsteller: Professor Dr. Karl Forchhammer
• Fachliche Zuordnung: Stoffwechselphysiologie, Biochemie und Genetik der Mikroorganismen
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 452840821

Ein Schlüssel für die Aufrechterhaltung zellulärer Homöostase ist die Fähigkeit der Zellen, die Kohlenstoff-Stickstoffbalance (C/N Status) im Stoffwechsel genau zu erfassen und auf Störungen dieses Zustandes mit entsprechenden Antworten zu reagieren. In Prokaryonten sind bei diesem Geschehen die PII Signalproteine von großer Bedeutung. Sie fungieren als „multitasking“ Signalprozessoren, die den Energiezustand und den C/N Status durch wechselseitig abhängige Bindung der Metaboliten 2-Oxoglutarat und ATP versus ADP wahrnehmen und zu einem Signal integrieren. Abhängig von diesem Signalzustand dirigiert PII dann verschiedenste metabolische Aktivitäten durch Bindung an verschiedene Zielproteine (Rezeptoren), um so den Stoffwechsel auf Veränderungen anzupassen. Unsere Forschung in der vergangenen Dekade ergab, dass das Prinzip der PII Signalerfassung im Verlauf der Evolution konserviert blieb, während verschiedene molekulare Maschinen (Enzyme, Transporter, Transkriptionsfaktoren) in unterschiedlichster Weise die Fähigkeit erlangten, mit PII zu interagieren, um dessen integriertes Signal auszulesen. Vor kurzem entdeckten wir in meiner Arbeitsgruppe mehrere neue PII Rezeptoren in dem Modell-Cyanobakterium Synechocystis PCC 6803, wodurch sich die Bandbreite der durch PII beeinflussten Aktivitäten weit über das erahnte Maß ausweitet. Unter den neuen Rezeptoren finden sich sämtliche wichtigen Transporter für Stickstoffquellen, darunter der Ammoniumkanal Amt1, die zu den ABC Transportern gehörenden Nitrat/Nitrit (NRT) und Harnstofftransporter (URT), des weiteren das Enzym Phosphoenolpyruvat Carboxylase (PEPC) sowie zwei kleinere Peptide unbekannter Funktion, Sll0944 und Ssr0692. In den Vorarbeiten konnten wir zeigen, dass das Sll0944 Protein eine Schlüsselfunktion für die Anpassung an Stickstoffmangel hat. Mutation des sll0944 Gens führt bei der Mutante zu einem Verlust der Lebensfähigkeit unter Stickstoff Mangelbedingungen und gleichzeitig zu einer massiven Überproduktion von Polyhydroxybutyrat, das in diesem Ausmaß bisher nie berichtet wurde. Durch pull-down Analysen konnten wir als Wirkort von Sll0944 das zentrale, Kohlenstoff-verteilenden Enzym PGAM (2-3-Phosphoglycerat-unabhängige Phosphoglycerat Mutase), mit einer eventuellen Beteiligung des Carboxysomen-assoziierten Proteins CcmP, identifizieren. Im vorliegenden Antrag wollen wir die Rolle dieser Proteine in der Anpassung von Synechocystis an Stickstoffmangel aufklären und die dabei maßgeblichen Interaktionen durch das PII Signalprotein identifizieren. Daher soll in diesem Forschungsprojekt das Interaktionsnetzwerk der Proteine PII/Sll0944/PGAM/CcmP systematisch hinsichtlich ihrer Struktur-Funktionsbeziehung aufgegliedert werden. Da diese Proteine in Cyanobakterien hoch konserviert sind, erwarten wir fundamentale Ergebnisse zum Verständnis metabolischer Regulation, die von globaler Relevanz sind.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen