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

• Erstellungsjahr: 2025

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Cyanobakterien als die Pioniere der oxygenen Photosynthese haben vor über zwei Milliarden Jahren begonnen, die Erdatmosphäre mit Sauerstoff anzureichern, wodurch erst Leben in seiner heutigen Form ermöglicht wurde. Im Lauf ihrer Evolution haben sie die Mechanismen perfektioniert, mit denen sie ihren Stoffwechsel an die wechselnden Umweltbedingungen anpassen. Eines der bekanntesten Beispiele ist das regulatorische Netzwerk um das Stickstoffregulatorprotein PII, welches besonders intensiv im nicht-diazotrophen Modellorganismus Synechocystis sp. PCC 6803 erforscht wurde. Hier reguliert PII zahlreiche Stoffwechselprozesse, die für die Aufrechterhaltung der Kohlenstoff- und Stickstoffhomöostase essentiell sind. Dabei bindet PII an verschiedene Zielproteine und moduliert deren Aktivität. Auf diese Weise koordiniert PII die Kohlenstoff-Stickstoff-Balance und steuert die Stickstoff-Speicherung durch Arginin-Synthese und Bildung des Polymers Cyanophycin. Zudem steuert es die Aktivierung des globalen Stickstofftranskriptionsregulators NtcA über die Bindung dessen Co-Aktivators PipX. In dem hier durchgeführten Projekt konnte ein neuer Interaktor des PII Proteins (das PirC Protein) charakterisiert werden. PirC wurde dabei als zentraler Schalter für den Kohlenstofffluss identifiziert. Hierbei kontrolliert PirC (PII interacting regulator of carbon flow) das Enzym „2,3-Bisphosphoglycerat-unabhängige Phosphoglyceratmutase“ (PGAM). PGAM katalysiert die Umwandlung des primären CO2 Fixierungsproduktes 3-Phosphoglycerat in 2-Phosphoglycerat, und damit den Fluss des neu fixierten Kohlenstoffs. Eine hohe PGAM Aktivität steuert den Fluss in Richtung Acetyl-CoA und Vorstufen zur Aminosäurebiosynthese während eine Drosselung der PGAM Reaktion eine verstärkte Synthese von Glycogen bewirkt. Natürlicherweise drosselt das PII-PirC System unter Stickstoffmangel die PGAM Aktivität, während eine Mutation von PirC mit einer verstärkten Synthese von aus Acetyl-CoA Bausteinen gebildetem Polymer Polyhydroxybutyrat (PHB) einher geht. Durch biochemisch-enzymatische Studien konnten wir zeigen, dass die Hemmung der PGAM durch PirC durch PII so moduliert wird, dass die Bindung von PirC an PII die Inhibition der PGAM aufhebt. Die Interaktion von PII mit PirC hängt von der intrazellulären Konzentrationen von ATP, ADP und 2-Oxoglutarat ab. Detaillierte Untersuchungen der strukturellen Elemente für die Interaktion von PirC mit PGAM zeigten, dass die cyanobakteriellen PGAM Enzyme über einzigartige Strukturmotive in der Nähe des C-Terminus verfügen, die für die Inhibition durch PirC nötig sind. So wurde eine PGAM Variante hergestellt, die eine hohe, nicht durch PirC hemmbare Aktivität aufweist. Insgesamt legen die Ergebnisse dieser Arbeit den Grundstein für die Entwicklung von Synechocystis sp. PCC 6803 Stämmen, die als Chassis für die nachhaltige Produktion von Polyhydroxybutyrat und anderen wertvollen Verbindungen genutzt werden können.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Kinetic Analysis of a Protein-protein Complex to Determine its Dissociation Constant (KD) and the Effective Concentration (EC50) of an Interplaying Effector Molecule Using Bio-layer Interferometry. BIO-PROTOCOL, 11(17).
  Orthwein, Tim; Huergo, Luciano; Forchhammer, Karl & Selim, Khaled
  
• The novel P II -interactor PirC identifies phosphoglycerate mutase as key control point of carbon storage metabolism in cyanobacteria. Proceedings of the National Academy of Sciences, 118(6).
  Orthwein, Tim; Scholl, Jörg; Spät, Philipp; Lucius, Stefan; Koch, Moritz; Macek, Boris; Hagemann, Martin & Forchhammer, Karl
  
• New views on PII signaling: from nitrogen sensing to global metabolic control. Trends in Microbiology, 30(8), 722-735.
  Forchhammer, Karl; Selim, Khaled A. & Huergo, Luciano F.
  
• Structural elements of cyanobacterial co-factor-independent phosphoglycerate mutase that mediate regulation by PirC. openRxiv.
  Orthwein, Tim; Alford, Janette Theresa; Becker, Nathalie Sofie; Fink, Phillipp & Forchhammer, Karl
  
• Unravelling the Function of Sll0944 in the Regulation of Carbon and Nitrogen Metabolism in Synechocystis sp. PCC 6803. Dissertation der Universität Tübingen
  Orthwein, T.