Transmembrane Signaltransduktion: Der Sensor Rhodopsin II/Transducer Komplex

• Antragsteller: Professor Dr. Martin Engelhard
• Fachliche Zuordnung: Biochemie
• Förderung: Förderung von 2004 bis 2006
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 5416681

• Erstellungsjahr: 2008

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Die zentrale Fragestellung des Forschungsprojektes betraf den molekularen Mechanismus des Signaltransfers vom angeregten Photorezeptor Sensory Rhodopsin II (NpSRII) zur zytoplasmatischen Domäne des Transducers NpHtrII. Im Rahmen dieses Forschungsprojektes konnte die Struktur des Linkers zwischen Membrandomäne des Transducers und den beiden HAMP Domänen mit Hilfe von EPR-Messungen bestimmt werde. Die Ergebnisse haben auch ergeben, daß die beiden HAMP-Domänen, denen wahrscheinlich eine Schalterfunktion zukommt eine sehr dynamische Struktur einnehmen. Diese Beobachtung könnte möglicherweise einen Hinweis auf den Mechanismus des intra- und intermolekularen Signaltransfer liefern. Zur weiteren Untersuchung der Struktur der HAMP-Domänen wurden Solid State NMR (ssNMR) Experimente durchgeführt. Hierzu wurde ein Verfahren (Reverse labeling) gewählt, das die Spektren wesentlich vereinfacht und damit Zuordnungen ermöglicht. In einem ersten Experiment wurde NpSRII entsprechend isotopenmarkiert und ssNMR Spektren aufgenommen. Mit verschiedenen Pulsfolgen konnten insgesamt 98 Aminosäuren (entspricht 73 % der sequentiell zuordenbaren Reste) zugeordnet werden. Im Berichtszeitraum konnte auch die Röntgenstruktur der beiden Photozyklusintermediate K und M bestimmt werden. Als wesentliches Ergebnis konnte die durch EPR-Messungen postulierte Rotation der zweiten transmembranen Helix (TM2) des Transducers bestätigt werden. Es ist damit wahrscheinlich, daß die wesentliche Konformationsänderung in der Transmembrandomäne der Photo- und Chemotaxisrezeptoren eine Drehbewegung um etwa 20° ist. Es bleibt die interessante Frage, wie diese kleine Konformationsänderung zur Aktivierung der Histidinkinase CheA führen kann.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• (2005). Structural Analysis of a HAMP Domain: The linker region of the phototransducer in complex with sensory rhodopsin II. J. Biol. Chem. 280, 38767-38775
  Bordignon, E., Klare, J. P., Doebber, M., Wegener, A. A., Martell, S., Engelhard, M. & Steinhoff, H. J.
  
• (2005). The Hydroxylamine Reaction of Sensory Rhodopsin II: Light-Induced Conformational Alterations with C13=C14 Nonisomerizable Pigment. Biophys. J. 89, 2610-2617
  Zadok, U., Klare, J. P., Engelhard, M. & Sheves, M.
  
• (2006). Development of the signal in sensory rhodopsin and its transfer to the cognate transducer. Nature 440,115-119
  Moukhametzianov, R., Klare, J. P., Efremov, R., Baeken, C., Göppner, A., Labahn, J., Engelhard, M., Büldt, G. & Gordeliy, V. l.
  
• (2006). Effects of Solubilization on the Structure and Function of the Sensory Rhodopsin II/Transducer Complex. J. Mot. Biol, 356,1207-1221
  Klare, J. P., Bordignon, E., Doebber, M., Fitter, J., Kriegsmann, J., Chizhov, l., Steinhoff, H. J. & Engelhard, M.
  
• (2006). First Steps of Retinal Photoisomerization in Proteorhodopsin. Biophys. J. 91, 255-262
  Lenz, M. O., Huber, R., Schmidt, B., Gilch, P., Kalmbach, R., Engelhard, M. & Wachtveitl, J.
  
• (2006). High-Field EPR and Site-Directed Spin Labeling Reveal a Periodical Polarity Profile: The Sequence 88 to 94 of the Phototransducer, NpHtrll, in Complex with Sensory Rhodopsin, NpSRII., pp. 359-372
  Brutlach, H., Bordignon, E., Urban, L., Klare, J. P., Reyher, H.-J., Engelhard, M. & Steinhoff, H.-J.
  
• (2006). Photoreceptors. In: Encyclopedic Reference of Genomics and Proteomics in Molecular Medicine (Rückpaul, R. & Ganten, D., eds), pp. 1407-1413, Springer Verlag, Berlin
  Engelhard, M. & Hofmann, K. P.
  
• (2006). The trans-cis isomerization reaction dynamics in sensory rhodopsin II by femtosecond time-resolved midinfrared spectroscopy: Chromophore and protein dynamics. Biopolymers 82, 358-362
  Diller, R., Jakober, R., Schumann, C., Peters, F., Klare, J. P. & Engelhard, M.
  
• (2006). Time-resolved methods in Biophysics. 1. A novel pump and probe surface-enhanced resonance Raman approach for studying biological photoreceptors. Photochem. Photobiol. Sci. Y1-2006///5,1103-1108
  Naumann, H., Klare, J. P., Engelhard, M., Hildebrandt, P. & Murgida, D. H.
  
• (2006). Time-resolved resonance Raman spectroscopy of sensory rhodopsin II in the micro- and millisecond time range using gated cw excitation. J. Raman Sped 37,436-441
  Naumann, H., Murgida, D. H., Engelhard, M., Klare, J. P. & Hildebrandt, P.
  
• (2007). Analysis of light-induced conformational changes of Natronomonas pharaonis sensory rhodopsin II by time resolved electron paramagnetic resonance spectroscopy. Photochemistry & Photobiology83, 263- 272
  Bordignon, E., Klare, J. P., Holterhues, J., Martell, S., Krasnaberski, A., Engelhard, M. & Steinhoff, H. J.
  
• (2007). Expression of the halobacterial transducer protein Htrll from Natronomonas pharaonis in Escherichia coli. FEBS Letters 581, 1487-1494
  Mennes, N., Klare, J. P., Chizhov, l., Seidel, R., Schlesinger, R. & Engelhard, M.
  
• (2007). Functional Cellfree Synthesis of a Seven Helix Membrane Protein: In situ Insertion of Bacteriorhodopsin into Liposomes. J. Mol. Biol. 371, 639-648
  Kalmbach, R., Chizhov, I., Schumacher, M. C., Friedrich, T., Bamberg, E. & Engelhard, M.
  
• (2007). Microbial Rhodopsins: Scaffolds for Ion Pumps, Channels, and Sensors. Results Probl, Cell Differ, on line
  Klare, J. P., Chizhov, I. & Engelhard, M.
  
• (2007). Secondary Structure, Dynamics, and Topology of a Seven-Helix Receptor in Native Membranes, Studied by Solid-State NMR. Spectroscopy., pp. 459-462
  Etzkom, M., Martell, S., Andronesi, O. C., Seidel, K., Engelhard, M. & Baldus, M.