Ca2+-Signalübertragung in der Vielzelligkeit von Cyanobakterien: Tageszeitliche Steuerung, Zell-Zell-Kommunikation und Zelldifferenzierung erfordern die Wahrnehmung von Ca2+-Wellen durch das Ca2+-Sensorprotein CSE

• Antragsteller: Professor Dr. Khaled Selim, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Stoffwechselphysiologie, Biochemie und Genetik der Mikroorganismen ; Biochemie
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 503969687

Die Multizellularität der Cyanobakterien beinhaltet die Zell-Zell-Kommunikation über Septalverbindungen und die Zelldifferenzierung in Heterozysten oder Akineten. Diese Prozesse erfordern eine Koordination der einzelnen Zellen im Filament. Heterozysten haben sich entwickelt, um die Stickstofffixierung von der sauerstoffhaltigen Photosynthese in vegetativen Zellen räumlich zu trennen. Die Signalmechanismen, die diese multizellulären Reaktionen auslösen, sind jedoch weitgehend unbekannt Bei mehrzelligen Cyanobakterien wurde eine bedeutende Rolle von Ca2+ als zweiter Botenstoff für die Regulierung der Heterozystendifferenzierung vermutet, obwohl die Ca2+-Signalkaskaden und Ca2+Sensoren und/oder -Ziele noch weitgehend unbekannt sind. Das Projekt stützt sich auf die kürzliche Entdeckung eines neuen Ca2+Sensorproteins, CSE, das ausschließlich in mehrzelligen Cyanobakterien vorkommt. Wir untersuchten CSE als potenzielles Bindeglied zwischen intrazellulären Ca2+-Signalen und der Zell-Zell-Kommunikation. Wir konnten zeigen, dass CSE nicht nur für die Ca2+-Homöostase, die Differenzierung von Heterozysten und die Photosynthese wichtig ist, sondern auch die Zell-Zell-Kommunikation durch die Regulierung der Bildung von Nanoporen - einer notwendigen Vorstufe von Septalverbindungen – vermittelt. Eine Δcse-Mutante weist eine starke Verringerung der Anzahl von Nanoporen und Septalverbindungen auf. Wir beabsichtigen daher, die molekularen Mechanismen der Ca2+-Signalübertragung über CSE weiter zu erforschen. Wir stellen die Hypothese auf, dass Ca2+-Wellen die Zell-Zell-Kommunikation und die Zelldifferenzierung mit dem Stoffwechselzustand der Zelle, insbesondere dem Tagesrhythmus, verbinden. Wir haben CSE-Interaktome identifiziert, darunter Ca2+-abhängige Proteasen und die Zellwand-Amidase AmiC3, die für die Bildung von Nanoporen erforderlich sind. Eine mögliche Signalfunktion von CSE könnte darin bestehen, dass es die enzymatische Aktivität seiner Zielproteine über Protein-Protein-Interaktionen reguliert, um Differenzierungsprozesse oder den korrekten Aufbau von Septumverbindungen zu induzieren. Als Ca2+-Pufferprotein könnte CSE seine Funktion über die Beeinflussung des freien zytoplasmatischen Ca2+-Spiegels ausüben, was Prozesse wie Genexpression, Zell-Zell-Kommunikation und Zelldifferenzierung beeinflussen könnte. Um diese Hypothesen zu prüfen, wollen wir die Signalfunktion von CSE auf mehreren Ebenen untersuchen, indem wir verschiedene biochemische, physiologische, mikroskopische und strukturbiologische Ansätze kombinieren, um ein umfassenderes Bild seiner Rolle in der Vielzelligkeit von Cyanobakterien zu zeichnen. Unser Ziel ist es daher, 1) die molekularen Details des CSE-Interaktoms zu entschlüsseln, um die Ca2+-Signalkaskaden aufzudecken, 2) die strukturellen und molekularen Details der Ca2+-Wellen auf dem diurnalen Gating und der Zell-Zell-Kommunikation zu entschlüsseln, 3) sowie letztlich die metabolischen Details der Ca2+-Signalübertragung zu aufzuklären

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2389: Emergente Funktionen der bakteriellen Multizellularität