Peptidoglykanrecycling und Zuckerstoffwechsel in Escherichia coli
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In diesem Projekt wurde der Frage nachgegangen,, was mit den Aminozuckern des Peptidoglykans (Mureins) der bakteriellen Zellwand während des Zellwachstums passiert. Es ist bekannt, dass 50% des Mureins der Zellwand von Escherichia coli während des exponentiellen Wachstums abgebaut und in Form eines Aminozuckerpeptids (GIcNAc-anhMurNAc-Peptid) ins Cytoplasma aufgenommen werden. Es ist auch bekannt, dass der Peptidteil dieses Aminozuckerpeptids effektiv wiederverwertet wird (Recycling). Zu Beginn des Projektes war unbekannt was mit den Aminozuckerbestandteilen des Recyclingproduktes, dem N-Acetylglukosamin (GIcNAc) und der 1,6-Anhydro-/V-Acetylmuraminsäure (anhMurNAc) passiert. Eine cytoplasmatische N-Acetylglucosaminidase, die GIcNAc und anhMurNAc freisetzt, war im Jahr 2000 beschrieben worden. In einer Diplomarbeit (Julia Sattler 2003) untersuchten wir daraufhin ein Enzym, welches GIcNAc intrazellulär phosphoryliert und somit in den bekannten Zuckerstoffwechsel überführt. Leider wurde dieses Enzym, im Jahr 2004 zusammen mit einer anhMurNAc-spezifischen Kinase, von Uehara und Park beschrieben. Wir konnten jedoch das Enzym erstmalig charakterisieren welches MurNAc-6-Phophat in GlcNAc-6-Phosphat überführt. Dabei handelt es sich um ein neuartiges, Ether-spaltendes Enzym, eine so genannte "MurNAc Etherase" (MurQ). Dieses Enzym entdeckten wir, indem wir den Abbauweg des Zellwandzuckers - MurNAc untersuchten. Wir zeigten zunächst, dass MurNAc als alleinige Kohlenstoff und Energiequelle für E coli genutzt werden kann und identifizierten ein spezifisches Transportsystem für diesen Zucker, ein Phosphotransferasesystem (PTS) über das MurNAc simultan mit der Aufnahme phosphoryliert wird (MurP). Bei diesem Abbauweg entsteht MurNAc-6-Phosphat und wir entdeckten das für die MurNAc-Etherase kodierende Gen in der Nachbarschaft zu MurP auf dem E. coli Genom. In Zusammenarbeit mit Uehara und Park zeigten wir später, dass MurQ auch für das Recycling von anhMurNAc essentiell ist. Wir untersuchten die Regulation der Etherase im Detail und entdeckten den MurNAc-6-Phosphat-spezifischen Repressor (MurR). Wir zeigten, dass dieser zusammen mit dem Kataboliten-Repressionsystem (cAMP-CAP) in E. coli für die Kontrolle der Expression von murQP benötigt wird. Des Weiteren identifizierten wir die Promotoren für murQ und murR sowie die cAMP-CAP und MurR-Bindestellen auf dem E. coli Chromosom. Überraschend in dem Projektverlauf war, dass die Energie der 1,6-anhydro-Bindung in anhMurNAc offensichtlich nicht konserviert wird; d.h. ein direkter Recyclingweg, wie zunächst vorgeschlagen, konnte in E coli nicht entdeckt werden. Ein Nebenprojekt zum Zuckerstoffwechsel wurde in zwei Diplomarbeiten untersucht. Daraus entstand eine Publikation indem das Außenmembranporin OmpG für Faltungsstudien verwendet wurde. Außerdem wurde ein Umfangreicher Review zusammen mit Herrn Boos erstellt, in dem der Zuckerstoffwechsel von E coli und Salmonella zusammengefasst wurde.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2004) Identification of a phosphotransferase system of Escherichia coli required for growth on N-acetylmuramic acid. J. Bacteriol. 186, 2385-2392
Dahl, U., Jaeger, T., Nguyen, B.T., Sattler, J.M., Mayer, C.
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(2005) Chapter 3.4.1 Hexose/hexitol and pentose/pentitol metabolism. In R. Curtiss III (Editor in Chief), EcoSal-Escherichia coli and Salmonella: Cellular and Molecular Biology. ASM Press, Washington, D.C.
Mayer, C. & Boos W.
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(2005) Scission of the lactyl ether bond of N-acetyl muramic acid by Escherichia coli "etherase". J. Biol. Chem. 280, 30100-30106
Jaeger, T., Arsic, M., Mayer, C.
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(2005) Wie Bakterien ihre Verpackung wiederverwerten: Mureinabbau und Recycling. BlOspektrum 5, 616-619
Mayer, C.
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(2006) MurQ etherase is required by Escherichia coli in order to metabolize anhydro-N-acetylmuramic acid obtained either from the environment or from its own cell wall. J. Bacteriol. 188, 1660-1662
Uehara, T., Suefuji, K., Jaeger, T., Mayer, C, Park, J.T.
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(2007) The trimeric periplasmic chaperon Skp of E. coli froms 1:1 complexes with outer membrane proteins via hydrophobic and electrostatic interactions. J. Mol. Biol. 374, 91-105
Qu J., Mayer C., Behrens S., Holst O., Kleinschmidt J.
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(2008) Cytokine induction by Gram-positive bacteria. J. Immunobiology, 213, 285-296
Draing, C., Sigel, S., Deininger, S., Traub, S., Munke, R., Mayer, C, Hareng, L., Hartung, T., von Aulock, S., Hermann, C.
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(2008) Enzymology and Physiology of the Bacterial cell wall recycling and amino sugar metabolism. Habilitation thesis. Universität Konstanz
Mayer, C.
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(2008) The N-acetylmuramic acid 6-phosphate lyases (MurNAc etherases): role in cell wall metabolism, distribution, structure, and mechanism. Cell. Mol. Life Sci. 65, 928-939
Jaeger, T., Mayer, C.
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(2008) The transcriptional factors MurR and catabolite activator protein regulate N-acetylmuramic acid metabolism in Escherichia coli. J. Bacteriol. 190, 6598-6608
Jaeger, T., Mayer, C.
