Die NreA/NreB Sensoren von Staphylococcus carnosus: Ein Sensorkomplex zur koordinierten Erkennung von Sauerstoff und Nitrat

• Antragsteller: Professor Dr. Gottfried Unden
• Fachliche Zuordnung: Stoffwechselphysiologie, Biochemie und Genetik der Mikroorganismen
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 260693735

Bakterien reagieren schnell auf Umweltreize und passen Zellaufbau, Stoffwechsel und andere Eigenschaften an veränderte Verhältnisse effektiv an. Elektronenakzeptoren wie O2 und Nitrat beeinflussen in vielen Bakterien die Expression zahlreicher Gene transkriptionell, einschließlich der Gene der aeroben oder anaeroben Atmung und der Gärung, aber auch der Virulenz und vieler biotechnologisch wichtiger Prozesse. Vorhergehende Unter-suchungen zeigten, dass Staphylococcen für die Erkennung von O2 und Nitrat neuartige Komponenten verwendet und eine neue Strategie der Signalverarbeitung nutzt.Der Sauerstoffsensor NreB ist Teil des cytoplasmatischen Zweikomponenenten-Systems NreB/NreC. Die Sensorkinase NreB enthält eine sensorische PAS-Domäne, die ein labiles [4Fe-4S]2+-Zentrum zur Erkennung von O2 enthält. Dieses wird durch O2 zu einem [2Fe-2S]2+-Zentrum abgebaut, das dann unter Bildung von ApoNreB komplett zerfällt. Die beiden letzteren Formen sind sensorisch inaktiv und nicht mehr in der Lage, die Expression von Genen zu aktivieren. Der Nitratrezeptor NreA ist ein kleines cytoplasmatisches GAF-Domänenprotein, das Nitrat im aktiven Zentrum bindet. Die Struktur dieses neuartigen Nitratsensors wurde in Zusammenarbeit mit Prof. Stehle (Tübimngen) bestimmt. Die Beziehung zwischen O2- und Nitrat-Perzeption wurde in Mainz untersucht. NreA interagiert direkt mit NreB, und die Interaktion wird durch Nitrat beeinflusst. Nitrat-freies NreA bindet an NreB, das dadurch in seiner Autophosphorylierungsaktivität gehemmt ist. Unterdiesen Bedingungen wird die Phosphorylierung von NreC und die Expression der Zielgene reduziert. Die Interaktion von NreA/NreB und Hemmung der NreB Autophosphorylierung nimmt ab, wenn NreA in der Nitrat-gebundenen Form vorliegt. Damit arbeiten die beiden Sensoren in einem NreA/NreB-Sensorkomplex zusammen, in dem NreB den primären Sensor darstellt, der durch den Nitratrezeptor NreA in seiner Aktivität moduliert wird. NreA ist nicht in der Lage, die Zielgene eigenständig zu kontrollieren. Diese Form der Sauerstoff/Nitrat-Perzeption unterscheidet sich somit grundlegend von der anderer Bakterien, z.B. von E. coli, Bacillus oder Pseudomonas.Der NreA/NreB-Sensorkomplex soll auf der molekularen Ebene in seinen charakteristischen Eigenschaften untersucht werden, vor allem hinsichtlich der Interaktion von NreA mit NreB, und der Kontrolle des O2-Sensors NreB durch NreA und Nitrat. So sollen (i) die Interaktionsstellen von NreA und NreB, und (ii) die Bereiche in NreB (FeS-Zentrum, Regionen der PAS-Domäne, die Kinase) identifiziert und charakterisiert werden, die im intramolekularen Signaltransfer von NreB durch NreA beeinflusst werden. NreB enthält eine aktive Phosphatase -domäne, die in ihrer Bedeutung für die Funktion von NreB analysiert werden soll (iii). Zusätzlich wurden Strukturuntersuchungen an NreB begonnen (Zusammenarbeit mit R. Lancaster, Homburg), die fortgeführt werden sollen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen